CN1060424C - 用于化学－机械抛光的抛光盘及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于化学—机械抛光的抛光盘及其制造方法。该抛光盘选用六方氮化硼陶瓷材料作为抛光盘材料，其结构可为单层或三层复合结构，形状为圆盘形或圆环形。制造方法的为烧结、聚合交联或者发泡聚合交联方法。本发明的抛光盘的综合性能特别适宜于半导体工业中集成电路硅片的抛光加工，大大提高了产品质量以及抛光盘的寿命。
Description
本发明涉及半导体部件的抛光加工领域，具体说，涉及一种用于半导体部件的化学——机械抛光的抛光盘及其制造方法。
集成电路是计算机和电子工业的核心部件。集成电路是制造在半导体硅片上的。单晶硅片是由定向长大的单晶硅棒上切下来的，直径一般为3英寸至8英寸，厚度低于1．0毫米。图1为硅片表面示意图。硅片表面被分为数百个小区。每一个小区对应一块集成电路片。经过一系列加工程序之后，单个的集成电路片被从硅片上切割或剥离下来，再经过封装和测试就完成了集成电路的制作过程。
光刻是在硅片上制作集成电路的基本技术，在抛光的硅片上首先制出由P—N结组成的电子单元，其直径小于1．0微米，甚至小于0．5微米。为了隔离不同P—N结单元，硅片上刻出了沟槽并填充了沉积的绝缘体(一般为氧化硅)。图1示出了包含了多个集成片(12)的硅片(11)，其中每一片上又区分为电子单元的高密度区(13)(一般处于中心位置)和电子单元的低密度区(14)(一般处于边缘位置)。
电子单元之间通过硅片表面沉积的金属(铝、钨、铜等)花样进行联结，由于单层联结的集成电路并不能充分发挥电子单元的作用，因此多层的金属花样被用来提高集成度，每一层之间被沉积的绝缘体隔开，随着层数的增加(现已超过十层)集成电路的功能也就随着大大地增加。
图2是带有金属花样及沉积的绝缘层的硅片示意图，在硅片(20)上，绝缘层(21)(氧化硅或其它金属氧化物)的厚度稍大于金属层(22)的厚度，并由于金属花样的高低不平显示出相应的台阶，在超大规模集成电路板上，这种台阶高度等于或小于1．0微米，宽度和长度范围在1．0微米和1．0毫米之间。而一块集成电路上，由第一层金属可以形成几百万个台阶。
这种表面的不平整性，使得后续工艺非常困难，因此需要对硅片表面进行平整化加工。图3为经平整化抛光处理后的硅片(30)示意图，图中绝缘层(31)和金属层(32)的表面处于同一水平上，在这个表面上可以进行第二次的金属花样和绝缘层的沉积加工。
化学——机械抛光工艺是半导体工业中占统治地位的抛光工艺，图4是该工艺所用抛光装置的基本示意图，抛光盘(43)固定在旋转台(41)上，硅片(44)固定在夹具(45)上，夹具上有加压、旋转和水平移动机构(46)，硅片和旋转台的双重旋转使硅片上每点与抛光盘之间的相对运动保持相同的线速度。抛光液中还添加了直径为20—100纳米的硬颗粒对被加工表面起到机械抛光的作用，碱性溶液则起到化学抛光的作用。
抛光盘(43)由多孔材料组成，抛光盘内连通的孔隙保证了抛光液的流通，并可以带走抛光过程的磨屑。抛光盘的材料选择非常重要，但选择范围又不大。首先不能用导体，因为导体的磨屑会造成短路，这就把金属和石墨排除在外了。其次抛光盘又不能太硬，太硬的盘不能适合硅片表面微量起伏不平的形状，这就把一般的陶瓷材料排除在外了。剩下的主要是塑料这一类材料。目前通用的的抛光盘材料是聚氨酯材料，在塑料材料中，聚氨酯具有很高的耐磨性，其成份的可变性形成了机械性能的可调整性。用发泡剂可以很容易地形成多孔的聚氨脂抛光盘。
总体来说，这种抛光盘刚性太差，柔性大的抛光盘能很好地贴合在硅片的微量起伏(小于10个微米)的表面上，因此能够宏观上形成均匀的抛光。但在局部范围内，这种柔性抛光盘具有严重的缺点。柔性过大的抛光盘贴合在高低不平，软硬不同的表面上，不仅不能产生如图3所示的平整平面，甚至可能在局部地区形成短路或者断路。因此提高抛光盘的刚性是提高硅片平面平整化程度的关键。
Michacl E．Thomas在美国专利5，197，999中提出了一种复合材料多孔抛光盘，这种复合材料由高柔性的多孔材料(例如多孔聚氨酯)为基体，加入大约30％体积比的硬颗粒或纤维做为强化相。这种方法可以大大提高材料的刚性。但由于强化相的直径太大，会在硅片上造成划伤，所以不能在抛光盘表面露头。这就限制了这种材料的使用。
另外有一些人提出了多层材料组成的抛光盘。Joseph R．Breivogel(美国专利5，212，910)提出了一种三层的抛光盘，第一层是柔性底层，第二层是高硬度的刚性层，第三层是多孔的柔性层，这一层厚0．1至2．0毫米。由于第三层是实际执行抛光的表面层，它不可能太厚，不能超过0．1毫米太多。在抛光过程中，由于抛光盘表面发生损害，需要经常用金刚石盘对它进行表面加工。而0．1毫米的厚度比普遍抛光盘的厚度(1．0至2．0毫米)小得太多，因而这种抛光的寿命极短。
John M．Pierce(美国专利5，287，663)也提出类似的多层抛光盘的设计，他提出的柔性抛光层厚度不能超0．003英寸(0．007毫米)。这就更难提供足够的工作寿命。
Toshirin K—D等人(1995 Internatinal Symplsium onSeminconductor Manufacturing，P214～217)，提出一种无孔的高刚性合成树脂抛光盘，这种盘表面上刻有宽0．5毫米，节距2．0毫米的螺纹形沟糟，这种沟糟提供了抛光液流动的通道，这种材料的弹性模量为5GPa，这在塑料材料中是极高的，但也并不能完全满足使用性能的要求。
抛光过程中还有一个问题，那就是硅片的边缘部分比中心部分抛光量大，而抛光盘也相应地呈现不均匀的磨损，这就增加了用金刚石盘对抛光盘进行表面整形加工的需要。
Laurence D．Schultz(美国专利5，412，769)提出了一种抛光盘的形状设计，这种抛光盘外沿有如齿轮形状，在硅片的横向运动过程中，硅片的外沿部分越出了抛不盘的外沿，处于悬空状态。由于减少了外沿部分与抛光盘摩擦的时间，也就减少了外沿部分厚度的减少。这种补偿作用使硅片达到了均匀减薄。
本发明的目的在于提供一种新型的用于化学—机械抛光的抛光盘及其制造方法，这种抛光盘在局部范围内能提供与硅片的良好的刚性接触，保证在一块集成片的范围内，提供高度平整化的抛光。在硅片的宏观范围内，这种抛光盘又能提供一定的柔性，以适应硅片表面的微量起伏。这种抛光盘的形状设计也保证了硅片内外沿部分的均匀减薄。
本发明的目的是通过选择了六方氮化硼陶瓷材料作为抛光盘材料而实现的。
众所周知，六方氮化硼(h—BN)具有类似石墨的层状结构，晶胞为六方晶系，在六方平面上，原子紧密排列，由很强的共价健结合在一起，而在六平方面之间，原子由很弱的范德瓦尔力结合在一起，因此在各种性能上，六方氮化硼都表现很强的各向异性。六方氮化硼可以说是工程上使用的唯一的软陶瓷，六方氮化硼烧结体抗弯强度为83MPa，弹性模量为20GPa，这些值虽然大大小于典型的陶瓷(分别为几百MPa和超过一百GPa)，但比塑料材料大很多，因此，刚性强的六方氮化硼抛光盘可以比塑料抛光盘为硅片提供更均匀的平整化加工。此外六方氮化硼的化学稳定性较好，在抛光过程中，塑料抛光盘与硅片接触的某些部分可能脱水发热而变质，而六方氮化硼抛光盘就不会发生这种现象。还有，六方氮化硼的磨损碎屑不具有塑料屑的粘性，不易于在抛光盘上聚集成团，因此，减少去了用金刚石进行表面加工。
正是基于六方氮化硼这一适宜的刚性、好化学稳定性，以及磨屑的不粘性，使得本发明的六方氮化硼抛光盘具有优异的性能，特别适用于集成电路的硅片的抛光。
本发明用于化学——机械抛光的抛光盘，其特征在于该抛光盘材料是六方氮化硼陶瓷，该六方氮化硼陶瓷材料的孔隙率为20—70％。
本发明的用于化学——机械抛光的抛光盘是单层六方氮化硼盘结构，或者由六方氮化硼抛光层、弹性层和底盘组成的三层复合结构。对于三层复合结构，其中的抛光层是由间隔的六方氮化硼磨块组成，该磨块可为多边几何形状，如正方体、六方体等，横向尺寸为10—50mm，高度为2．0—50mm，间距为0．2—5．0mm；弹性层可以是整块弹性垫或者由间隔的弹性块(尺寸相应于磨块尺寸)组成，厚度为0．2—2．0mm，该弹性层可以是橡胶如硅橡胶、塑料等；底盘可以是金属或合金板，如不锈钢板。
本发明的用于化学——机械抛光的抛光盘的形状为圆盘形或者圆环形(环带的径向宽度大于被抛光物直径)。圆环形的抛光盘可使硅片的边缘部分和中心部分得到均匀的加工。
本发明的抛光盘所用的六方氮化硼陶瓷中可含有小于100纳米的硬质磨料，该硬质磨料选自SiO2，Si3N4 SiC，CeO，Al2O3中的一种或多种。
本发明的六方氮化硼陶瓷抛光盘的孔隙率为20—70％，这了为了满足半导体晶片化学—机械抛光的要求，如果孔隙率小于20％，则该抛光盘的不能贮存足够的化学抛光液，也不能充分容纳抛光的磨屑，从而使抛光盘的使用性能下降。反之，如果孔隙率大于70％，则抛光盘的刚性和强度不够，降低了抛光的使用寿命。从六方氮化硼陶瓷块的生产工艺的技术角度来讲，达到孔隙度为20—70％也是最为方便易行的。
本发明的多孔六方氮化硼抛光盘的制造方法是下列几种方法中的任一种方法：
(一)烧结方法：将六方氮化硼陶瓷粉末与添加剂(如硼酸、水)混合，模压成型，于450—2200℃温度下在含氮气氛中烧结，使六方氮化硼颗粒通过固态扩散联接在一起。
(二)聚合交联方法：将六方氮化硼陶瓷粉末与可聚合交联的高分子材料(例如聚氨酯粘接剂和硅烷偶联剂)混合，之后模压成型，再进行热处理(温度：室温—200℃)进行聚合交联后即形成多孔的六方氮化硼。
(三)发泡、聚合交联方法：将六方氮化硼陶瓷粉末与可聚合交联的高分子材料和发泡剂混合，模压成型，进行热处理(温度：室温—200℃)，经聚合交联和发泡后即形成多孔的六方氮化硼陶瓷。
对于三层复合结构的抛光盘来说，首先按上述任一方法制造出磨块，然后将磨块、弹性层和底盘粘接在一起。
对于含硬质磨料的抛光盘，其制造方法是首先将硬质磨料与六方氮化硼瓷粉末混合，然后再用上述方法制成抛光盘。
下面实施例中结合附图详细说明本发明抛光盘几种例举性(非限定性)的结构和形状，以及相应的制造方法。
图1是包含多个集成片的硅片示意图，其中11—硅片，12—集成片，13—高密度区，14—低密度区。
图2是带有金属花样及沉积的绝缘层的硅片的示意图，其中20—硅片，21—绝缘层，22—金属层。
图3是经平整化抛光处理后的硅片的示意图，其中30—硅片，31—绝缘层，32—金属层。
图4是化学机械抛光工艺所用的抛光装置示意图，其中41—旋转台，42—旋转轴，43—抛光盘，44—硅片，45—夹具，46—加压旋转平移机构。
图5是本发明的圆盘形单层结构的抛光盘示意图，其中51—抛光盘，52—硅片，53—夹具，54—加压、旋转和平移机构。
图6是本发明的圆环形单层结构的抛光盘示意图，其中61—抛光盘，62—硅片，63—夹具，64—加压，旋转和平移机构。
图7是本发明的一种三层结构的抛光盘的剖面示意图，其中71—底盘，72—弹性层，73—抛光层。
图8是本发明的另一种三层结构的抛光盘的剖面示意图，其中81—底盘、82—弹性层，83—抛光层。
实施例1
参照图5，将六方氮化硼粉末(平均粒度为0．5微米)与水混合后，模压成型为直径100mm的高10mm圆盘，于1900℃烧结3小时，则制得抛光盘。检测结果，孔隙率53％，弹性模量6．9GPa，断裂强度：7．0MPa．
实施例2
参照图6，将六方氮化硼粉末(粒度为2．0微米)与5％(重量)SiC颗粒(粒度为60纳米)混合后，再与水混合，模压成型为外径为100mm内径为40mm高6mm的圆环形盘，于1800℃烧结4小时，则制得图6所示抛光盘。检测结果：孔隙率：47％，弹性模量：8．8GPa，断裂强度：11．8MPa。
实施例3
参照图7，将六方氮化硼粉末(粒度3．0微米)与10％(重量)聚氨脂粘接剂和5％(重量)硅烷偶联剂搅拌混合成膏状，于70℃干燥30分钟之后模压成尺寸为20mm×20mm×20mm的正方体磨块，于150℃处理20分钟，用粘接剂将磨块粘接在厚2mm硅胶弹性垫上，再粘接在厚1．5mm不锈钢板上，磨块间的间距为2mm，即制得如图7所示的抛光盘，磨块的检测结果为：孔隙率50％，弹性模量6．0GPa，断裂强度：7．0MPa。
实施例4
参照图8，将六方氮化硼粉末(粒度3．0微米)与5％(重量)SiO2粉末(粒度80纳米)混合，再与3％(重量)发泡剂、10％(重量)聚氨酯和3％(重量)硅烷偶联剂混合，于80℃干燥20分钟之后，模压成30×30×10mm的六方体磨块，并于140℃热处理30分钟。用粘接剂将每一磨块与30×30×1mm的硅胶弹性垫粘接在一起，再用粘接剂将其粘接在1mm厚的不锈钢板上，即制得如图8所示的抛光盘。对磨块的检测结果：孔隙率42％，弹性模量：5．0GPa，断裂强度6．0MPa。
本发明的抛光盘的结构和形状可以有除上述实施例之外的多种变化和组合，例如三层复合结构中的磨块可拼装成圆环状。
本发明采用六方氮化硼多孔陶瓷材料制造抛光盘，具有对半导体元件——集成片抛光最适宜的综合性能，大大提高了抛光盘的寿命，提高了半导体器件的生产率和质量水平。
Claims (11)
1．一种用于化学—机械抛光的抛光盘，其特征在于该抛光盘材料是六方氮化硼陶瓷，该氮化硼陶瓷材料的孔隙率为20—70％。
2．根据权利要求1的用于化学—机械抛光的抛光盘，其特征在于该抛光盘是单层六方氮化硼结构，或者是有六方氮化硼抛光层，弹性层和底盘组成的三层复合结构。
3．根据权利要求1的用于化学—机械抛光的抛光盘，其特征在于该抛光盘的形状为圆盘型或圆环型。
4．根据权利要求2的用于化学—机械抛光的抛光盘，其特征在于所述的抛光层是由间隔的六方氮化硼磨块组成，所述的弹性层是整块弹性垫或者由间隔弹性块组成。
5．根据权利要求4的用于化学—机械抛光的抛光盘，其特征在于所述磨块是多边几何形状，横向尺寸10—50毫米，高2．0—50毫米，间距0．2—50毫米。
6．根据权利要求1—5中的任一种用于化学—机械抛光的抛光盘，其特征在于其中所述的六方氮化硼陶瓷含有小于100纳米的硬质磨料。
7．根据权利要求6的用于化学—机械抛光的抛光盘，其特征在于所述的硬质磨料选自SiO2，Si3N4，SiC，CeO，Al2O3中的一种或多种。
8．一种用于化学—机械抛光的抛光盘的制造方法，主要材料为六方氮化硼，其特征在于将六方氮化硼陶瓷粉末与添加剂混合，模压成型，再在450—2200℃温度下在含氮气氛中烧结。
9．一种用于化学—机械抛光的抛光盘的制造方法，主要材料为六方氮化硼，其特征在于将六方氮化硼粉末和可聚合交联的高分子材料混合，模压成型，再进行热处理，温度为室温—200℃。
10．一种用于化学—机械抛光的抛光盘的制造方法，主要材料为六方氮化硼，其特征在于将六方氮化硼粉末与可聚合交联的高分子材料和发泡剂混合，模压成型，进行热处理，温度为室温—200℃。
11．根据权利要求8，9，或10的制造方法，其特征在于六方氮化硼填充粉末中混合有小于100纳米的硬质磨料。
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