CN101367203B - 具有控制的润湿的化学机械抛光垫 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种化学机械抛光垫，其中该化学机械抛光垫具有含有抛光织构的抛光层，所述抛光质的无量纲粗糙度，R，为0.01至0.75。本发明还提供了制造该化学机械抛光垫的方法和使用这些化学机械抛光垫抛光基材的方法。

Description

具有控制的润湿的化学机械抛光垫

技术领域

本发明总体涉及用于化学机械抛光的抛光垫。具体地，本发明涉及具有抛光结构的化学机械抛光垫，该抛光结构用于化学机械抛光磁性基材、光学基材和半导体基材。

背景技术

在集成电路和其它电子设备的制造中，需将多层导电材料、半导体材料和介电材料沉积在半导体晶片的表面上以及将多层导电材料、半导体材料和介电材料从半导体晶片的表面上除去。可以使用数种沉积技术使导电材料、半导体材料和介电材料的薄层沉积。现代晶片加工中常见的沉积技术包括物理气相沉积(PVD)(也称为喷溅涂覆法)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和电化学电镀法以及其它技术。常见的除去技术包括湿的和干的各向同性蚀刻法和各向异性蚀刻法以及其它技术。

当依次沉积和除去材料层时，晶片的最上端的表面成为非平面的。因为随后的半导体加工(比如金属喷镀)需要晶片具有平坦的表面，所以需要使晶片平坦。平面化用于除去不希望存在的表面形貌和表面缺陷，诸如粗糙的表面、聚集的材料、晶格破坏、刮擦和污染层或污染材料。

化学机械平面化或化学机械抛光(CMP)是用于使工件(诸如半导体晶片)平面化或对工件抛光的常见技术。在常规的CMP中，晶片支架或抛光头安装在支架组件上。抛光头夹住晶片并使晶片位于与抛光垫的抛光层接触的位置，抛光垫安装在CMP仪器内的平台或台板上。所述支架组件在晶片和抛光垫之间提供可控制的压力。同时，将一种浆料或其它抛光介质分配在抛光垫上并将其引入晶片和抛光层之间的间隙中。为了引起抛光，通常抛光垫和晶片相对旋转。当抛光垫在晶片下方旋转时，晶片上扫出一道通常为环形的抛光痕迹或抛光区，其中晶片的表面直接对着抛光层。抛光层和晶片表面上的抛光介质的化学和机械作用使晶片表面抛光并使晶片表面变得平坦。

近十年来，为了优化抛光垫设计，CMP过程中抛光层、抛光介质和晶片表面的相互作用成为越来越多的研究、分析和高级数字模拟的主题。自从CMP开始作为半导体生产方法，大多数抛光垫的开发本质上是经验性的，包括试验多种不同的多孔的和非多孔的聚合物材料。许多抛光表面或抛光层的设计将重点放在用不同的微观结构(或空隙区域(void area)和实体区域(solid area)的图案)和宏观结构(或表面穿孔或沟槽的安排)提供这些抛光层，要求这些设计增大抛光速率、改善抛光均一性或减少抛光缺陷(刮擦、凹坑、分层区域和其它表面或表面下的损坏)。几年来，人们已经提出不少微观结构和宏观结构来提高CMP的性能。

对于常规的抛光垫，垫表面“修整(conditioning)”或“打磨(dressing)”对于为了获得稳定的抛光性能而需保持恒定的抛光表面是很关键的。经过一段时间，抛光垫的抛光表面磨损，磨平抛光表面的微观织构一该现象称为“磨平(glazing)”。磨平的成因是由抛光垫和工件的接触点处的摩擦生热和剪切造成的聚合物材料的塑性流动。而且，来自CMP过程的碎屑能阻塞表面的空隙和微观通道，通过这些微观通道浆料流过抛光表面。发生这种情况时，CMP法的抛光速率降低，这会导致晶片之间和单个晶片内抛光的不均匀。修整在抛光表面上产生新的织构(texture)，用于在CMP过程中保持需要的抛光速率和均匀性。

常规的抛光垫修整是通过用修整盘机械研磨抛光表面来实现的。修整盘具有粗糙的修整表面，该修整表面通常由嵌入的金刚石点组成。在CMP过程中的间歇中断期间(此时抛光暂停)(“非现场”)或在CMP过程进行时(“现场”)使修整盘和抛光表面接触。通常根据抛光垫的旋转轴固定修整盘旋转的位置，当抛光垫旋转时修整盘扫出一个环状的修整区。所述修整法在抛光垫的表面切出微观的沟槽，研磨抛光垫材料并对抛光垫材料刨槽，更新抛光织构。

虽然抛光垫设计者通过抛光垫材料制备和表面修整已经生产了表面织构的各种微观结构和构形，已有的CMP抛光垫抛光织构不是最佳的。在CMP中施加的压力下，常规的CMP垫和一般的工件之间的实际接触面积很小——通常只有全部相对面积的百分之几。这是常规的表面修整不准确的直接后果，那等于无规则地将结构的实体区域撕成碎片，留下一群各种形状和高度的特征或凹凸结构，实际上只有其中最高的特征或凹凸结构才接触到工件。因此常规的抛光垫微观结构不是最佳的。

CMP中形成缺陷的原因在于常规抛光垫的微观结构不是最佳的。比如Reinhardt等人在美国专利第5578362号中公开，使用聚合物球将织构引入聚氨酯抛光垫中。虽然人们不完全理解确切的缺陷形成机制，但是减少缺陷形成需要最大程度减少工件上的端点应力这一点通常是清楚的。在给定的施加负荷或抛光压力下，实际的点接触压强与真实的接触面积成反比。在3磅/平方英寸(20.7千帕)的抛光压强下运行的、并在全部凹凸结构尖端具有2％实际接触面积的CMP法使工件承受平均为150磅/平方英寸(1兆帕)的垂直应力。这种程度的应力足以造成表面和表面下的损坏。

除了提供潜在的缺陷形成源以外，常规的抛光垫微观结构不是最佳的，因为抛光垫表面修整通常是无法准确地重复的。随着使用修整盘上的金刚石变钝，使得修整物必须在一段时间后更换；因此在修整物的寿命期内，其有效性是不断变化的。修整也对CMP垫的磨损速度有很大影响。通常约95％的抛光垫磨损来自于金刚石修整物的研磨，仅约5％的磨损来自与工件的接触。因此，除了减少缺陷以外，改善的抛光垫微观结构能消除对修整的需要，并使抛光垫的寿命更长。

消除抛光垫修整的关键是设计能自我更新的(即当抛光垫磨损时能保持相同的基本几何形状和构形)抛光表面。因此，为了自我更新，抛光表面必须使得磨损不会使实体区严重变形。这继而需要实体区不会受到足以造成大量程度塑性流动的连续剪切和加热，或实体区的设计使得它们响应剪切或热量的方式是将剪切和加热分配到其它实体区。

除了低缺陷率以外，CMP垫抛光结构必须实现优良的平面化效率。常规抛光垫材料需要权衡这两种性能指标，因为更低的缺陷率是通过使材料更软和更具顺应性来实现的，而所述性质变化会降低平面化效率。最终，平面化需要坚硬的平坦材料；而低缺陷率需要较软的保形材料。所以很难用单种材料克服这些指标之间的重要平衡。常规垫结构以各种方法处理这个问题，包括使用具有相互粘合的硬性层和软性层的复合材料。尽管复合材料相比单层结构有所改进，目前还没有开发出能同时实现理想的平面化效率和零缺陷形成的材料。

结果，尽管存在用于现有CMP应用的抛光垫微观结构和修整装置，但是仍然需要CMP垫设计，这些设计能实现更高的抛光垫与工件的接触面积并减少或消除对整形的需要。而且，还需要将(实现优良平面化效率所需的)刚性的坚硬结构和(实现低缺陷率所需的)较软的保形结构结合起来的CMP垫结构。而且，在一些化学机械抛光操作中，希望化学机械抛光垫具有不会被抛光介质润湿的抛光表面。具体地，对于这些抛光操作，希望抛光垫具有织构化(textured)的超级疏水的表面，使得在抛光过程中产生的抛光碎片污染抛光表面之前，基本上将它们从抛光垫的抛光表面中除去；以此减少抛光表面周期性修整的需要。

发明内容

本发明的一个方面，提供一种化学机械抛光垫，该抛光垫用于抛光选自磁性基材、光学基材和半导体基材的至少一种基材；该化学机械抛光垫包含：含有多个抛光元件的抛光层，这些抛光元件形成具有抛光织构的三维网状网络；其中所述抛光织构在抛光元件的子集(subset)上包括多个接触区域；其中所述抛光织构具有由以下方程定义的平均无量纲粗糙度R：

R＝(1-C)/(1+N)

其中C是多个接触区域的平均接触面积与抛光元件的子集的平均水平投影面积之比，N是抛光元件子集的平均非接触面积与平均水平投影面积之比；其中抛光织构的平均无量纲粗糙度为0.01至0.75；其中抛光织构适合抛光所述基材。

本发明的另一方面，提供一种用于抛光基材的方法，该方法包含：提供选自磁性基材、光学基材和半导体基材的至少一种基材；提供化学机械抛光垫，该化学机械抛光垫包含：含有多个抛光元件的抛光层，这些抛光元件形成具有抛光织构的三维网状网络；其中所述抛光织构在抛光元件上含有多个接触区域；其中所述抛光织构具有由以下方程定义的平均无量纲粗糙度R：

R＝(1-C)/(1+N)

其中C是多个接触区域的平均接触面积与抛光元件的子集的平均水平投影面积之比，N是抛光元件子集的平均非接触面积与平均水平投影面积之比；其中抛光织构的平均无量纲粗糙度为0.01至0.75；其中抛光织构适合抛光基材；在化学机械抛光垫与基材之间的界面处产生动态接触(dynamic contact)。

附图说明

图1是适合使用本发明的化学机械抛光垫的双轴抛光器的一部分的透视图。

图2是本发明的一个实施方式的化学机械抛光垫的高度放大的、部分的、示意的正视剖视图。

图3是图2的抛光垫的高度放大的、部分的、示意的俯视图。

图4是本发明的一个实施方式的化学机械抛光垫的高度放大的、部分的、示意的正视剖视图。

图5是本发明的一个实施方式的化学机械抛光垫的高度放大的、部分的、示意的正视剖视图。

图6是本发明的一个实施方式的化学机械抛光垫的侧视透视图。

具体实施方式

本文和所附权利要求中使用的术语“投影面积”指在平行于化学机械抛光垫的抛光表面的水平平面中被抛光元件和其亚部分(subsection)所占据的总面积。投影面积包括在该水平的平面中由抛光元件物理占据的面积(下文中称为“接触面积”)和该水平的平面中抛光元件和任何相邻的抛光元件之间的空隙空间。

本文和所附权利要求中使用的术语“接触面积”指在水平平面中抛光元件的总的投影面积中的由该抛光元件物理占据的子集。

本文和所附权利要求中使用的术语“非接触面积”指非所述水平平面的抛光元件的总表面积，比如，与所述水平平面成一定角度的抛光元件的表面。

本文和所附权利要求中使用的术语“纤丝状形态”指相的形态，其中相区域(domain)具有一维比其它两维大得多的三维形状。

本文和所附权利要求中使用的术语“抛光介质”包括含有颗粒的抛光溶液和不含颗粒的溶液，诸如无磨料和液体反应性抛光溶液(polishing solution)。

本文和所附权利要求中使用的有关抛光元件的术语“基本上圆形的”指在该剖面上，剖面的半径，r，变化≤20％。

本文和所附权利要求中使用的有关抛光表面的术语“基本上圆形的剖面”指在该剖面上从抛光表面的中心轴至外周的剖面的半径，r，变化≤20％。(见图6)。

在本发明的一些实施方式中，化学机械抛光垫包括：含有互穿网络的抛光层，其中互穿网络含有连续的耐久性相和基本上共-连续(co-continuous)的不稳定性相；其中所述抛光层具有适合用于抛光基材的抛光表面。在这些实施方式的一些方面，不稳定性相不含磨粒(比如氧化铈、氧化镁、二氧化硅、氧化铝、氧化锆)。在这些实施方式的一些方面，不稳定性相不含药物活性成分。在这些实施方式的一些方面，不稳定性相不含农药活性成分(比如肥料、杀虫剂、除草剂)。在这些实施方式的一些方面，互穿网络是互穿的聚合物网络。

在本发明的一些实施方式中，化学机械抛光垫具有抛光织构，该抛光织构适合抛光选自磁性基材、光学基材和半导体基材的基材。在这些实施方式的一些方面中，化学机械抛光垫具有抛光织构，该抛光织构适合抛光选自磁性基材的基材。在这些实施方式的一些方面中，化学机械抛光垫具有抛光织构，该抛光织构适合抛光选自光学基材的基材。在这些实施方式的一些方面中，化学机械抛光垫具有抛光织构，该抛光织构适合抛光选自半导体基材的基材。

在本发明的一些实施方式中，化学机械抛光垫包括含有多个抛光元件的抛光层，这些抛光元件形成具有抛光织构的三维网状网络；其中所述抛光织构在抛光元件的子集上含有多个接触区域；其中所述抛光织构具有由以下方程定义的平均无量纲粗糙度R：

R＝(1-C)/(1+N)

其中C是多个接触区域的平均接触面积与抛光元件的子集的平均水平投影面积之比，N是抛光元件子集的平均非接触面积平均非接触面积与平均水平投影面积之比；其中抛光织构的平均无量纲粗糙度为0.01至0.75；其中抛光织构适合抛光基材。在这些实施方式的一些方面，抛光织构的无量纲粗糙度，R，为0.03至0.50。在这些实施方式的一些方面，抛光织构的无量纲粗糙度，R，为0.06至0.25。

在本发明的一些实施方式中，化学机械抛光垫包含含有多个抛光元件的抛光层，这些抛光元件形成具有抛光织构的三维网状网络；其中所述抛光织构在抛光元件的子集上含有多个接触区域；其中≥90％的具有接触区域的抛光元件的子集显示其接触面积差异在平均接触面积的±10％之内。在这些实施方式的一些方面，≥95％的具有接触区域的抛光元件的子集显示其接触面积差异在平均接触面积的±10％之内。在这些实施方式的一些方面，≥99％的具有接触区域的抛光元件的子集显示其接触面积差异在平均接触面积的±10％之内。在这些实施方式的一些方面，≥95％的具有接触区域的抛光元件的子集显示其接触面积差异在平均接触面积的±5％之内。在这些实施方式的一些方面，≥99％的具有接触区域的抛光元件的子集显示其接触面积差异在平均接触面积的±5％之内。

在本发明的一些实施方式中，化学机械抛光垫包括含有多个抛光元件的抛光层，这些抛光元件形成具有抛光织构的三维网状网络；其中所述抛光织构在抛光元件的子集上含有多个接触区域；其中≥90％的具有接触区域的抛光元件的子集与相邻的具有接触区域的抛光元件之间的间距在平均间距的±10％之内。在这实施方式的一些方面，≥95％的具有接触区域的抛光元件的子集与相邻的具有接触区域的抛光元件之间的间距在平均间距的±10％之内。在这实施方式的一些方面，≥99％的具有接触区域的抛光元件的子集与相邻的具有接触区域的抛光元件之间的间距在平均间距的±10％之内。在这实施方式的一些方面，≥95％的具有接触区域的抛光元件的子集与相邻的具有接触区域的抛光元件之间的间距在平均间距的±5％之内。在这实施方式的一些方面，≥99％的具有接触区域的抛光元件的子集与相邻的具有接触区域的抛光元件之间的间距在平均间距的±5％之内。

在本发明的一些实施方式中，化学机械抛光垫包含含有多个抛光元件的抛光层，这些抛光元件形成具有抛光织构的三维网状网络；其中所述抛光织构在抛光元件的子集上含有多个接触区域；其中≥90％的具有接触区域的抛光元件的子集显示其接触面积差异在平均接触面积的±10％之内，并且其中≥90％的具有接触区域的抛光元件的子集与相邻的具有接触区域的抛光元件之间的间距在平均间距的±10％之内。在这些实施方式的一些方面，≥95％的具有接触区域的抛光元件的子集显示其接触面积在平均接触面积的±10％之内，并且其中≥95％的具有接触区域的抛光元件的子集与相邻的具有接触区域的抛光元件之间的间距在平均间距的±10％之内。在这些实施方式的一些方面，≥95％的具有接触区域的抛光元件的子集显示其接触面积在平均接触面积的±10％之内，并且其中≥95％的具有接触区域的抛光元件的子集与相邻的具有接触区域的抛光元件之间的间距在平均间距的±10％之内。在这些实施方式的一些方面，≥99％的具有接触区域的抛光元件的子集显示其接触面积在平均接触面积的±5％之内，并且其中≥99％的具有接触区域的抛光元件的子集与相邻的具有接触区域的抛光元件之间的间距在平均间距的±5％之内。

在本发明的一些实施方式中，抛光元件的子集的接触区域选自正方形剖面、长方形剖面、扁菱形剖面、三角形剖面、圆形剖面、卵形剖面、六角形剖面、多边形剖面和不规则剖面。

在本发明的一些实施方式中，可以选择接触区域的形状以提高抛光垫的抛光表面的疏水性。在这些实施方式的一些方面，选择接触区域的形状以使抛光元件的子集的接触区域的周长最长。我们认为在一些应用中，更长的接触区域周长将提供疏水性更强的抛光表面。

在本发明的一些实施方式中，所述网状的网络含有多个单元室，其中所述多个单元室具有平均宽度和平均长度，其中所述单元室的平均宽度≤单元室的平均长度。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度≥单元室的平均宽度的两倍。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度≥单元室的平均宽度的三倍。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度≥单元室的平均宽度的五倍。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度≥单元室的平均宽度的十倍。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度大于等于单元室的平均宽度的两倍，并且小于该单元室的平均宽度的15倍。在这些实施方式的一些方面，≥90％的单元室的宽度在平均宽度的±10％之内，并且其中≥90％的单元室的长度在平均长度的±10％之内。在这些实施方式的一些方面，≥95％的单元室的宽度在平均宽度的±5％之内，并且其中≥95％的单元室的长度在平均长度的±5％之内。

在本发明的一些实施方式中，用于抛光基材的方法包括：提供选自磁性基材、光学基材和半导体基材的至少一种基材；提供化学机械抛光垫，该化学机械抛光垫包括含有多个抛光元件的抛光层，这些抛光元件形成具有抛光织构的三维网状网络；其中所述抛光织构在抛光元件上含有多个接触区域；其中所述抛光织构具有由以下方程定义的平均无量纲粗糙度R：

R＝(1-C)/(1+N)

其中C是多个接触区域的平均接触面积与抛光元件的子集的平均水平投影面积之比，N是抛光元件子集的平均非接触面积与平均水平投影面积之比；其中抛光织构的平均无量纲粗糙度为0.01至0.75；其中抛光织构适合抛光基材；在化学机械抛光垫与基材之间的界面处产生动态接触。在这些实施方式的一些方面，该方法还包括：在抛光织构和基材的界面上提供抛光介质。在这些实施方式的一些方面，抛光织构设计成显示足够高的平均无量纲粗糙度以便限制抛光介质的渗透度，使抛光介质向抛光层的渗透小于抛光层高度的10％。在这些实施方式的一些方面，抛光织构设计成显示足够高的平均无量纲粗糙度以便限制抛光介质的渗透度，使抛光介质向抛光层的渗透小于抛光层高度的5％。在这些实施方式的一些方面，抛光织构设计成显示足够高的平均无量纲粗糙度以便限制抛光介质的渗透度，使抛光介质向抛光层的渗透小于抛光层高度的2％。在这些实施方式的一些方面，抛光织构设计成显示足够高的平均无量纲粗糙度以便限制抛光介质的渗透度，使抛光介质向抛光层的渗透小于抛光层高度的1％。

参考附图，图1从总体上举例说明适合与本发明的抛光垫104一起使用的双轴化学机械抛光(CMP)抛光器100的主要特征。抛光垫104通常包括抛光层108，抛光层108具有用于面对制品的抛光表面110，这些制品是诸如半导体晶片112(加工过的或未加工过的)或其它工件，比如玻璃、平板显示器或信息储存磁盘等，以便在抛光介质120存在下完成工件的被抛光表面116的抛光。抛光介质120流经具有深度128的螺旋形沟槽124。

本发明主要包括提供具有抛光织构200(图2)的抛光层108，该是抛光织构由一系列相似或相同的宏观或微观细长元件形成，这些元件在三维方向相互连接以便关于剪切和弯曲加固网络。优选这些元件具有微观尺寸以产生微观织构。我们将显示，这些特征能在抛光垫和晶片之间提供更高的实际接触面积，并在抛光垫与晶片之间提供比使用常规抛光垫所实现的更有利的浆料流动模式，并且提供自我更新结构，它能减少或消除对抛光垫修整的需要。而且，我们将显示，这些特征的作用方式能在长度范围上使抛光垫坚固，这是优良的平面化效率所需的，同时又在更短的长度范围下使抛光垫柔顺，这是低缺陷率所需的。

抛光器100可以包括安装在台板130上的抛光垫104。台板130可由台板驱动器(未显示)驱动绕旋转轴134旋转。可以由晶片支架138支承晶片112，晶片支架138可绕旋转轴142旋转，旋转轴142与台板130的旋转轴134平行并间隔一定距离。晶片支架138可以以万向接头连接(未显示)为特征，其允许晶片112采取与抛光层108略微不平行的方向，在这种情况下，旋转轴134和142可以略微不齐。晶片112包括面向抛光层108的被抛光表面116，晶片112在抛光过程中平面化。晶片支架138可以由适合旋转晶片112的支架支承组件(未显示)支承，其提供向下压力F以便将被抛光表面116压在抛光层108上，使得在抛光过程中在被抛光表面和抛光层之间出现所需的压力。抛光器100也可以包括抛光介质分布器146以便向抛光层108提供抛光介质120。

如本领域普通的技术人员将认识到的，抛光器100可以包括其它组件(未显示)，诸如系统控制器、抛光介质储存和分布系统、加热系统、淋洗系统和用于控制抛光过程各个方面的控制系统，诸如下列各项：(1)用于控制晶片112和/或抛光垫104的旋转速率中的一种或两种的速度控制器和选择器；(2)用于改变向抛光垫递送抛光介质120的速率和位置的控制器和选择器；(3)用于控制施加在晶片和抛光垫之间的压力F的控制器和选择器；(4)用于控制晶片的旋转轴142相对抛光垫的旋转轴134的位置的控制器、制动器和选择器，等。本领域的技术人员会理解如何构建和运行这些组件，这样无需对本领域的技术人员详细解释这些方面，他们也能理解和实施本发明。

在抛光过程中，抛光垫104和晶片112绕着他们各自的旋转轴134和142旋转，抛光介质120从抛光介质分配器146中分配到旋转的抛光垫上。抛光介质120铺展在抛光层108(包括晶片112下方的间隙和抛光垫104)上。抛光垫104和晶片112通常(但不是必须)以0.1rpm至150rpm的选择速度旋转。晶片112和抛光垫104之间的压力F通常(但不是必须)选自0.1磅/平方英寸至15磅/平方英寸(6.9至103千帕)。如本领域的技术人员所认识的，抛光垫可能被配置成网状模式或被配置成直径小于被抛光基材的直径的抛光垫。

现在参考图2和图3，我们将特别地关于表面抛光织构200更具体地描述图1的抛光垫104的实施方式。与常规的CMP垫相对的是，在常规CMP垫中表面织构或凹凸结构是材料除去过程或整形过程(即修整)的剩余，而本发明的抛光织构200被制成一系列相同或相似的抛光元件204和208，它们具有精密的几何结构。为了说明的目的，图中显示抛光织构200由基本上竖直的元件208和基本上水平的元件204组成，但并非必须如此。抛光织构200相当于大批这些抛光元件204和208，每一个元件具有平均宽度210和平均接触面积(即横截面积)222，元件之间以平均间距218间隔。而且，元件204和208的相穿网络具有平均高度214和平均半高215。抛光织构200实际上是一组六面体单元室，即立体单元，其中(六面中的)每一个面都是正方形或长方形，实体的部分仅沿着立体单元的边延伸，每个面的面心和每个立体单元体心整体是完全中空的。

元件208的平均高度214与平均宽度210之比至少是0.5。平均高度214与平均宽度210之比较优地为至少0.75、更优地为至少1。任选地，平均高度214与平均宽度210之比可以是至少为5或至少为10。随着平均高度的增加，抛光过程中加固抛光元件208的网络所需的互连元件204的数量也增加。总之，只有伸出互连元件204的最上端的元件208的不受约束的端部才能在抛光过程的剪切力下自由地挠曲。基底层240和最上部的互连元件204之间的元件208的高度受到严格的约束，施加在任何元件208上的力被相邻的元件204和208有效地传输，类似于桥梁桁架(bridge truss)或外部扶墙(external uttressing)。通过这种方式，抛光织构200在长度范围上是刚性的，这是优良的平面化过程所需要的，但是鉴于元件208的无支持的端部的可变形性和挠曲性，抛光织构200在更短的长度范围上是局部柔顺的。

互连元件204和抛光元件208结合起来形成单元室225，单元室具有平均宽度227和平均长度229。这些单元室具有网状的或开放单元结构，结合起来形成三维网络。在本发明的一些实施方式中，抛光层的互连网络平均厚度至少为三个单元室、优选为至少10个单元室。通常，增加抛光层的高度(即抛光层的厚度)就增加抛光垫的寿命及其总体坚固度，后者对改善平面化有帮助。

在本发明的一些实施方式中，单元室的平均宽度227等于或小于其平均长度229。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度229≥单元室的平均宽度227的两倍。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度229≥单元室的平均宽度227的三倍。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度229≥单元室的平均宽度227的五倍。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度229≥单元室的平均宽度227的十倍。在这些实施方式的一些方面，单元室的平均长度229≥单元室的平均宽度227的两倍，并小于单元室的平均宽度227的15倍。

在图2和图3中显示的实施方式中，接触面积比C是平均接触面积222除以单元投影面积，所述单元投影面积等于间距218的平方。比率N中使用的非接触面积是以下三项的总和：(a)每个直立元件208的独立高度207上的竖直表面，该独立高度即元件208在最上部的互连元件204以上延伸的高度，(b)接触元件206的竖直表面，和(c)最上端的相互连接元件204的上水平面和侧竖直面。我们认识到，这些非接触面积集合起来就是面对从上方冲击抛光织构200的液体的面积。

元件208的平均高度与平均宽度之比值较高的一个优点是平均接触面积(即横截面积)222的总抛光表面积在较长的时期内保持恒定。如图2中所示，在抛光层202寿命中的任何时间，尽管抛光织构200的大多数接触面积由竖直元件208的平均接触面(即剖面)222组成，但是某些互连元件204也部分或全部在渐渐磨损，所有这些部分被特别称为接触元件206。较优地，互连元件204的竖直位置交错排列，使得平行于基底层240发生的磨损在给定的时间点仅冲击小部分互连元件204，这些接触元件206构成全部接触面积的一小部分。这能允许用相似的抛光特性抛光几种基材，并减少或消除定期打磨或修整抛光垫的需要。减少修整能延长抛光垫的寿命并降低其操作成本。而且，任选地对抛光垫穿孔、引入任选的导电材料衬里的沟槽或任选地结合导体(诸如导电纤维、导电网、金属栅格或金属丝)能将抛光垫转换成eCMP(“电子化学机械平面化”)抛光垫。

任选地，可能将磨粒或纤维固定在抛光元件204和208上。

在本发明的一些实施方式中，单个的元件204或208中不存在空隙体积；即，抛光织构200中全部空隙体积优选存在于抛光元件204和208之间或明显在抛光元件204和208的外面。

在本发明的一些实施方式中，抛光元件204和208可以具有中空的或多孔的结构。

在本发明的一些实施方式中，抛光元件208的一端刚性地固定在基底层240上，基底层保持间距218并朝基本上直立的方向维持抛光元件208。在接点209(其连接相邻的抛光元件204和208)处，互连元件204进一步保持元件208的方向。接点209可以包括胶粘剂或化学键以固定元件204和209。较优地接点209代表相同材料的互连，更优地代表相同材料的无缝互连。

优选接点209之间一端至另一端的所有抛光元件208(或抛光元件208的亚组中的抛光元件208)的宽度210和间距218一致，或几乎如此。比如，较优地≥95％、更优地≥99％的抛光元件208的宽度210和间距218分别保持在位于接触组件206和半高215之间的抛光层202中的抛光元件的平均宽度和平均间距的±50％以内。更优地，较优地≥95％、更优地≥99％的抛光元件208的宽度210和间距218分别保持在位于接触组件206和半高215之间的抛光层202中的抛光元件的平均宽度和平均间距的±20％以内。最优地，≥95％的抛光元件208的宽度210和间距218分别保持在位于接触组件206和半高215之间的抛光层202中的抛光元件的平均宽度和平均间距的±10％以内。特别地，使相邻接点209之间的抛光元件204和208的横截面积保持在±30％以内有助于实现恒定的抛光性能。较优地，使相邻接点209之间抛光垫的横截面积保持在±20％之内、更优地在±10％之内。而且，抛光元件204和208优选具有直线型形状以进一步有利于恒定抛光。这些结构的直接结果是在竖直方向抛光元件208的平均接触面积(即横截面积)222不会有显著的变化。因此，当抛光元件208在抛光过程中磨损而高度214降低时，面对晶片的接触面积222几乎没有改变。接触面积222的这种一致性提供均一的抛光织构200，并允许重复抛光操作的恒定抛光。比如，均一的结构允许多个图案化晶片的抛光而无需调节工具设定。为了说明的目的，抛光表面或抛光织构200代表在平行于抛光表面的平面中测量的抛光元件204和208的表面区域。较优地，初始抛光表面或接触元件206与单元室225的竖直列半高215之间的抛光元件208的总接触面积222保持在±25％之内。更优地，初始抛光表面或接触元件206与单元室225的竖直列半高215之间的抛光元件208的总接触面积222保持在±10％之内。如之前所述，更优地，互连元件204的竖直位置交错安排以便这些元件磨损时最大程度地减小总横截面积的变化。

任选地，可将抛光元件208安排在间隔的几个抛光元件208的分组中——比如，抛光元件可以包含圆形的分组，这些分组周围围绕着不含抛光元件的区域。在每个分组内，优选存在互连元件204以保持元件208的分组的间距和有效的坚硬度。而且，可调节不同区域中抛光元件204和208的密度以精细调节除去速率和抛光或晶片的均一性。而且，可能以一种在抛光织构200中形成任选的开放通道的方式安排抛光元件，这些开放通道是诸如圆形通道、X-Y通道、径向通道、曲线形-径向通道或螺旋形通道。引入这些任选的通道可以帮助除去大的碎片并可以改善抛光或晶片的均一性。

优选所有抛光元件208的高度214是均一的。优选抛光织构200中高度214变化保持在平均高度的20％之内、更优地保持在平均高度的10％之内、更优地保持在平均高度的1％之内。任选地，切割设备(诸如刀、高速旋转的刀片或激光)可以定期地将抛光元件切割成统一的高度。而且，切割刀片的直径和速度可以任选地按一定角度切割抛光元件以改变抛光表面。比如，按一定角度切割具有圆形剖面的抛光元件会产生与基材相互作用的抛光尖端的织构。高度的均一性保证所有抛光织构200的抛光元件208以及磨损面中的所有相互连接的接触元件206有可能接触工件。实际上，因为工业CMP工具的作用机制会在晶片的不同位置施加不同的抛光压力，并且在晶片下产生的流体压力足以造成晶片脱离精确水平的并平行于抛光垫的平均平面的位置，所以可能一些抛光元件208不接触晶片。然而，在任何发生接触的抛光垫14的区域中，人们希望尽可能多的抛光元件208具有足够的高度以提供接触。而且，根据抛光动态接触机理，由于抛光元件208的无支持端通常弯曲，所以初始抛光表面区通常磨损以顺应弯曲角。比如，初始圆形上表面会磨损以形成倾斜的上表面，并且抛光过程中经历的方向变化会产生多种磨损图案。

如图2中所示，抛光垫104包括抛光层202，而且可以包括另外的子垫250。注意，子垫不是必需的，可以通过基底层240直接将抛光层固定于抛光器的台板(比如图1的台板130)。抛光层202可以以任何合适的方式通过基底层240固定到子垫250上，诸如胶粘剂粘合(比如使用压敏胶粘剂层245或热熔胶粘剂)、热结合、化学结合、超声结合等。基底层240或子垫250可以用作连接抛光元件208的抛光基底。较优地，抛光元件208的底层部分延伸如基底层240中。

各种生产方法都可能用于抛光织构200。对于大尺寸网络，这些方法包括微机械加工、激光或流体喷射蚀刻、和其它从初始固体物质除去材料的方法；聚焦激光聚合、纤丝挤出、纤维纺纱、选择性光学固化、生物生长、和其它在初始空体积内构造材料的方法。对于较小尺寸的网络，可以采用结晶、晶种聚合、光刻或其它选择性材料沉积技术，以及电泳、相成核、或其它为随后的材料自组装建立模板的方法。

抛光元件204和208和微观结构200的基底层240可以由任何合适的材料制成，诸如聚碳酸酯、聚砜、尼龙、聚醚、聚酯、聚苯乙烯、丙烯酸聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚乙烯亚胺、聚氨酯、聚醚砜、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚酮、环氧树脂、聚硅氧烷、它们的共聚物(诸如聚醚-聚酯共聚物)和它们的混合物。抛光元件204和208和基底层240也可以由非聚物材料制成，诸如陶瓷、玻璃、金属、石头、木材或单种材料的固体相(诸如冰)。抛光元件204和208和基底层240也可以由聚合物与一种或多种非聚合物材料的复合材料制成。

总之，抛光元件204和208以及基底层240选择材料受限于该材料对抛光由特定材料按需要的方式制成的制品的适应性。类似地，子垫250可以由任何合适的材料制成，诸如上述用于抛光元件204和208的材料。抛光垫140可以任选地包括用于将抛光垫固定于抛光器的台板(比如图1的台板130)的接合件。所述接合件可以是比如胶粘剂层(诸如压敏胶粘剂层245、热熔胶粘剂)、机械接合件(诸如扣环接合件的钩或环部分)。实施一种或多种光纤端点设备270或类似的传导设备(它们占据抛光织构200的一处或多处空隙空间)也属于本发明的范围。

图4的抛光织构300举例说明，本发明包含形成开放的互连网络，该互连网络含有以从完全水平到完全竖直的各种角度定位的元件。由此引申，本发明包含形成细长元件的完全无规的阵列，其中在抛光织构中，空隙空间没有明显重复的尺寸和形状，或其中许多元件是高度弯曲的、分枝化的或缠绕的。我们熟悉的类似的落在本发明范围内的图像是桥梁桁架、大分子的条形造型和相互连接的人体神经细胞。每一种情况中，该结构必需具有同样的关键特征，即在三维中呈现足够的相互连接以坚固整个网络，上表面水平平面中网络的磨损造成一些细长元件的端点局部无支持，这在短长度规格内提供对工件的顺应，元件的长度与宽度之比符合前面给定的几何学的限制。

参考图4，关于替代的表面抛光织构300描述与本发明一致的图1的抛光垫104的第二个实施方式，即图4的侧剖视图在抛光层302内具有相似的互连网状单元室的不对称图案。类似于图2的抛光垫，胶粘剂层345将基底层340固定在任选的子垫350上；胶粘剂层345任选地包括端点设备(endpointingdevice)370。抛光织构300含有元件304和308。抛光织构300在至少两个方面与图2的抛光织构200不同。首先，抛光织构300的元件308不是严格竖直的而是与基底层340和水平平面成各种角度定位，所述角度在45度至90度之间，一些元件308是曲线型的而不是直的。而且，互连元件304不是全部水平的，一些与基底层340和水平平面成各种角度定位，所述角度在0度至45度之间。这样，抛光织构300由单元室组成，但是这些单元室的形状和面的数量不同。尽管具有这些特征，但是，在抛光层或抛光元件306与抛光织构300的半高315之间的抛光织构300中，元件308的高度314基本上没有变化。第二，元件304和308中宽度310、间距318和接触面积(即抛光表面的平面中的横截面积)322的变化大于抛光元件208的相应属性。然而，抛光织构300包含本发明的基本性质，其中元件306形成形成抛光表面。具体地，元件304和308在接点309处相互连接以形成在三维方向相互连接的网络，其连接程度足以使抛光织构整体变得坚固，而元件308的无支持端提供局部挠性以顺应工件。

在图4中显示的实施方式中，接触面积比C是平均接触面积322除以单元投影面积，该单元投影面积等于间距318的平方。因为间距318和接触面积322是可高度变化的，优选以在包含许多接触元件的较大的区域中计算的平均值作为C，在这种情况下，C是许多接触区域322的总和与含有这些接触区域322的抛光织构300的水平投影面的比率。N中使用的非接触面积是以下三项的总和：(a)每个直立元件308的独立高度307上的竖直表面，该独立高度即元件208在最上部的互连元件304以上延伸的高度，(b)接触元件306的竖直表面，和(c)最上端的相互连接元件304的上水平面和侧竖直面。我们认识到，这些非接触面积集合起来就是面对从上方冲击抛光织构300的液体的面积。

图5中显示本发明的另一个实施方式，该实施方式由抛光层402组成，抛光层402含有元件404和408的规则间隔的相互连接的四面体栅格(lattice)。图中显示，所有元件404和408的长度和宽度相等，它们在接点409处连接，但是不是必需如此。在显示的实施方式中，单元室是规则的四面体，其中(四个面中的)每一个面是等边三角形，其边就是网络的间距418，具有宽度410的实体组件仅沿着立体单元的四条边延伸，每一个三角形的面和立体单元中心整体都是中空的。因为四面体栅格的对称性，图5的侧剖视图和俯视图形成相同的网状图案。该抛光织构提供可能的最高坚硬度，因为三角形分面多面体是不会变形的。当该结构磨损时，在元件408上形成自由端，这提供局部的可变形性和对工件的顺应。在图5所示的实施方式中，四面体的网络构建在略微楔形的基底层440上，使得网络中没有平面定位得确切平行于与晶片接触的平面。在一个给定的时间点，仅有组件406的子集沿着它们的最长的尺寸磨损，而大多数的接触面积由沿较短的尺寸磨损的元件的较小的接触面(即抛光表面的平面中的横截面积)422提供。这提供的特征是，在高度414范围内接触面积基本上不变，该高度414在抛光层或抛光元件406与抛光织构400的半高415之间。

任选地，使基底层440步进使得楔形部分的重复系列支承网络。图5中显示的结构是大约一个重复单元。与图2的抛光垫相似，胶粘剂层445将基底层440固定在任选的子垫450上；胶粘剂层445任选地包括端点设备470。

在图5中显示的实施方式中，接触面积比C是平均接触面积422除以单元投影面积，所述单元投影面积等于间距418的平方的0.433倍，即边长等于间距418的等边三角形的面积。比率N中使用的非接触面积是三项的总和：(a)每个直立元件408的独立高度407上的竖直表面，该独立高度即元件408在最上部的互连元件404以上延伸的高度，(b)接触元件406的竖直表面，和(c)最上端的相连元件404的上水平面和侧竖直面。我们认识到，这些非接触面积集合起来就是面对从上方冲击抛光织构400的液体的面积。

在本发明的一些实施方式中，化学机械抛光垫具有中心轴，适合绕该中心轴旋转。比如，图6提供本发明的一个实施方式的化学机械抛光垫的侧透视图。具体地，图6描绘单层化学机械抛光垫510。化学机械抛光垫510具有抛光表面514和中心轴512。在与中心轴512成θ角的平面中，抛光表面514具有基本上圆形的剖面，其半径从中心轴512至抛光表面的外缘515。在这些实施方式的一些方面，抛光垫510处于基本垂直于中心轴512的平面内。在这些实施方式的一些方面，抛光垫510处在与中心轴512成80至100°角的平面中。在这些实施方式的一些方面，抛光垫510处在与中心轴512成85至95°角的平面中。在这些实施方式的一些方面，抛光垫510处在与中心轴512成89至91°角的平面中。在这些实施方式的一些方面，抛光垫510具有抛光表面514，抛光表面514具有垂直于中心轴512的基本上圆形的剖面。在这些实施方式的一些方面，垂直于中心轴512的抛光表面514的剖面的半径，r，在该剖面上的变化≤20％。在这些实施方式的一些方面，垂直于中心轴512的抛光表面514的剖面的半径，r，在该剖面上的变化≤10％。

在图6中提供本发明的一个实施方式的化学机械抛光垫的侧透视图。具体地，图6描绘单层化学机械抛光垫510。化学机械抛光垫510具有抛光表面514和中心轴512。在与中心轴512成θ角的平面中，抛光表面514具有基本上圆形的剖面，其半径r从中心轴512至抛光表面的外缘515。

Claims (11)

1.一种用于抛光选自磁性基材、光学基材和半导体基材的至少一种基材的化学机械抛光垫；该化学机械抛光垫包括：

含有多个抛光元件的抛光层，这些抛光元件形成具有抛光织构的三维网状网络；

其中所述抛光织构在抛光元件的子集上含有多个接触区域；

其中所述抛光织构具有由以下方程定义的平均无量纲粗糙度R：

R＝(1-C)/(1+N)

其中C是所述多个接触区域的平均接触面积与抛光元件的子集的平均水平投影面积之比，N是抛光元件子集的平均非接触面积与平均水平投影面积之比；

其中抛光织构的平均无量纲粗糙度为0.01至0.75；

所述抛光织构适合用来抛光基材。

2.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，90％的具有接触区域的抛光元件的子集的接触面积在平均接触面积的±10％之内。

3.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，90％的具有接触区域的抛光元件的子集与具有接触区域的相邻抛光元件的间距在平均间距的±10％之内。

4.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，90％具有接触区域的抛光元件的子集的接触面积在平均接触面积的±10％之内；并且其中90％的具有接触区域的抛光元件的子集与具有接触区域的相邻抛光元件的间距在平均间距的±10％之内。

5.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述抛光织构的平均无量纲粗糙度R为0.03至0.50。

6.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述多个接触区域选自多边形剖面和不规则形剖面。

7.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述三维网状网络具有多个单元室，其中所述多个单元室具有平均宽度和平均长度，其中单元室的平均宽度≤单元室的平均长度。

8.如权利要求6所述的抛光垫，其特征在于，所述多个接触区域选自正方形剖面、长方形剖面、扁菱形剖面、三角形剖面、圆形剖面、卵形剖面和六角形剖面。

9.提供一种用于抛光基材的方法，该方法包括：

提供选自磁性基材、光学基材和半导体基材的至少一种基材；

提供化学机械抛光垫，该化学机械抛光垫包含含有多个抛光元件的抛光层，这些抛光元件形成具有抛光织构的三维网状网络；其中所述抛光织构在抛光元件的子集上含有多个接触区域；其中所述抛光织构具有由以下方程定义的平均无量纲粗糙度R：

R＝(1-C)/(1+N)

其中C是多个接触区域的平均接触面积与抛光元件的子集的平均水平投影面积之比，N是抛光元件子集的平均非接触面积平均非接触面积与平均水平投影面积之比；所述抛光织构的平均无量纲粗糙度在0.01-0.75之间；所述抛光织构适合用于抛光所述基材；

在化学机械抛光垫与基材之间的界面处产生动态接触。

10.如权利要求9所述的方法，该方法还包括在抛光织构和基材的界面上提供抛光介质。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述抛光介质渗透程度小于抛光层高度的10％。

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