CN1328009C - 利用激光制造化学机械抛光垫的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用激光在化学机械抛光垫上形成微孔，通孔或沟槽的方法。该方法包括以下步骤：确定要在抛光垫上形成的微孔，沟槽或通孔的图案；将确定的图案输入计算机数字控制器(CNC)；在CNC控制器基于输入图案的控制下，驱动辐射激光束的激光器以及进行三维移动和旋转同时支撑抛光垫的桌面，从激光器向桌而上的抛光垫辐射激光束，同时根据输入的图案移动桌面，从而在抛光垫上形成对应于确定图案的微孔，沟槽或通孔的图案。

Description

利用激光制造化学机械抛光垫的方法

技术领域

本发明涉及用于化学机械抛光过程的抛光垫，更具体地，涉及利用激光在抛光垫上形成微孔，通孔或沟槽的方法。

背景技术

一般而言，化学机械抛光(CMP)是用于在半导体器件制造过程中获得整体平整度的一种高精度/镜面抛光方法。根据CMP，在抛光垫和待抛光晶片之间使用了一种浆料，对晶片表面进行化学蚀刻。利用这种抛光垫对晶片的蚀刻表面进行机械抛光。

参见附图1，所示标号为1的一种典型CMP机器的示意图。附图2是使用CMP机器1进行CMP方法的示意图。该CMP方法包括化学蚀刻反应过程和机械抛光过程，使用了CMP机器1中的抛光垫10进行。化学蚀刻反应是由浆料42进行的。就是说，浆料42用于和待抛光晶片30的表面进行化学反应，使化学蚀刻反应后，能很容易地进行机械抛光过程。在机械抛光过程中，旋转固定在平面20上的抛光垫10。由夹持环32固定着的晶片30一边振动一边旋转。利用浆料供料装置40供给抛光垫10含有磨粒的浆料。输送的浆料被引入到抛光垫10和晶片30之间。由于抛光垫10和晶片30之间转速的相对差别，引入的磨粒与晶片30之间产生摩擦接触，而进行机械抛光。浆料42是含有粒度为纳米级的磨粒的胶状液体。抛光过程中，浆料42分布在抛光垫10上。在抛光过程中，当抛光垫10旋转时，产生离心力，使供给抛光垫10上的浆料42从抛光垫周边向外甩出。为了提高抛光效率，应该有大量磨粒在抛光垫10的上表面停留所需长度的时间，使其能参与对晶片的抛光。也就是说，抛光垫10应该使浆料42在其表面停留尽可能长的时间。

为了使浆料长时间保留在抛光垫上，可以采用在抛光垫表面形成微米级(μm)球形微孔或形成通孔或沟槽的方法实现。这些微孔，通孔和沟槽能在抛光过程中起到控制连续输送浆料的流动和分布的作用。

通常，采用物理方法或化学方法在抛光垫上形成微空腔。在物理方法中，将各自具有空腔的中空微组分加入到聚合物基质中，形成微空腔(microcell)。在化学方法中，通过化学发泡方法产生气泡，形成微空腔。

将大量各自具有空腔的微组分浸入到聚合物基质中，使其在基质中均匀分布，实现将微组分加入到聚合物基质中，从而形成微空腔。聚合物基质是通过将固化剂和树脂混合制备的，树脂可以是如氨基甲酸酯，聚酯，氟化烃或它们的混合物。所用微组分主要是无机盐，糖，水溶性树胶或树脂。这样的微组分是由聚乙烯醇，果胶，聚乙烯吡咯烷酮，聚乙二醇，聚氨酯或它们的组合制成的。这些微组分的平均直径约150微米。通过高剪切混合过程，微组分均匀分布在聚合物基质中，从而形成均匀的微空腔。参见附图3，所示由空腔体形成的微空腔。然后，将按上述方式由微空腔形成的抛光垫切割成片，每片都具有制成抛光垫所要求的厚度。在每个切片中，随机分布在抛光垫中的微空腔在切片的切面上敞开，从而在切片的切面上以圆形或椭圆形截面形式露出。在每个抛光垫的抛光表面上露出的微空腔横截面的大小和位置是随机的。暴露的微空腔截面的随机大小和位置会有损要求抛光垫的均匀性。

在采用发泡法形成微孔的化学方法中，聚合物基质是通过混合固化剂和低沸点液相形成聚氨酯的液相物质制备的。发泡剂也可使用能直接参与化学反应产生气体的水或液化气体，这样能生成气泡，在聚合物基质中形成微空腔。气泡是通过高剪切混合操作引起成核而产生的。还使用表面活性剂降低表面张力，调节微空腔的大小，从而获得要求的微空腔均匀性。附图4所示是由发泡过程形成的微空腔。其中的微空腔是由发泡过程形成的，但是，问题在于微空腔太大，不能被用于CMP抛光垫，这些微空腔的分布不均匀，没有方法能调节微空腔的大小和分布。

由各自具有空腔的微组分或发泡方法形成的微空腔具有球形结构，其横截面为和圆形或椭圆形。正是由于具有这种形状，微空腔在抛光垫厚度方向具有不同的截面。为此，在抛光过程中，随着抛光垫被磨蚀，其抛光表面暴露出的微空腔截面各不相同。换句话说，随着抛光过程的进行，抛光垫的抛光表面露出的圆形或椭圆形微空腔直径逐渐缩小，最后消失。最终，在抛光垫表面下的未露出的微空腔被暴露于抛光垫的抛光面上。

因此，由于抛光过程中，抛光垫厚度发生变化，暴露于其抛光表面的每个微空腔的截面也发生改变。因此，存在的问题是抛光速度不均匀。

为了在抛光垫的抛光表面上形成通孔或沟槽，一直采用使用切割或研磨过程的机械加工方法。

参见附图5a，所示为一种用来形成沟槽的切割刀具70。切割刀具70被固定在车床上的工具模上，当抛光垫旋转时，对其进行机械加工，在其上表面形成同心圆形的沟槽，如附图5b所示。附图5c是沿附图6b中的直线A-A的截面图。参见附图6b所示为用切割刀具形成的沟槽例子。在附图6b中，沟槽由标号75标注。同心圆形沟槽的例子公开于美国专利5984769中。

参见附图6a，所示为一种卧式研磨机81，安装有切割锯82和隔板83。切割锯82构造成能沿X轴方向移动。待加工抛光垫10沿Y轴方向移动。按照这些移动，在抛光垫10的上表面沿第一方向形成沟槽85。形成沟槽85后，抛光垫10旋转90°。此时，当抛光垫10沿Y轴方向移动时，沿着与第一方向垂直的第二方向形成沟槽。这样，在抛光表面上形成如附图6b和6c所示的格状沟槽。

参见附图7a，所示为用于在抛光垫上形成通孔的穿孔销。当抛光垫沿Y轴方向移动时利用穿孔销进行穿孔操作时，在抛光垫的抛光表面上形成如附图7b所示的通孔。这种进行穿孔的一个例子披露于美国专利5853317。

在抛光垫上形成沟槽或进行穿孔的传统方法，采用了由机床或研磨机进行的切割过程，沟槽具有如同心环形或格状的固定图案。为此，很难形成能有效控制浆料流动的沟槽图案。在利用穿孔销形成通孔的方法中，通孔具有固定形状。而且，通孔是在穿孔销沿X或Y轴方向作简单运动时形成的。因此，通孔具有简单和固定的图案。很难获得CMP方法要求的有效孔图案。

在用机械方式加工抛光垫形成沟槽或通孔时，加工过程中产生的碎屑会残留在沟槽或通孔中。在CMP过程中，这些碎屑会在待抛光表面上产生刮擦。

本发明公开内容

因此，本发明试图解决利用各自具有空腔的微组分或发泡过程来形成微空腔，以及利用机械加工方法形成沟槽或通孔时产生的问题。本发明提出的方法能很容易地在抛光垫上形成具有有效和各种图案的微孔，沟槽或通孔。

本发明的一个目的是提供一种形成微孔的方法，这些微孔起到与微空腔相同的功能，同时具有受控的均匀分布和受控的均匀大小，以消除利用各自具有空腔的微组分或发泡过程的传统方法的缺点，即，微空腔尺寸和分布的不均匀导致的抛光过程中抛光速度降低或不均匀。

本发明的另一个目的是提出一种能形成具有各种形状，尺寸和图案的沟槽或通孔的方法，从而有效控制抛光过程中浆料的流动，消除传统加工方法的缺点，即，由于沟槽或通孔的固定形状或图案，而无法充分控制浆料的流动。

为了达到这些目的，本发明提出了一种根据激光加工原理，在抛光垫上形成用户要求的各种图案的微孔，沟槽或通孔的方法。

在本发明的一个实施方案中，提供一种制造化学机械抛光垫的方法，包括以下步骤：确定要在抛光垫上形成的微孔，沟槽或通孔的图案；将确定的图案输入计算机数字控制器(CNC)中；在CNC控制器基于输入图案的控制下，驱动辐射激光束的激光器，以及进行三维移动和旋转并支撑抛光垫的桌面，从激光器向桌面上的抛光垫辐射激光束，同时按照输入的图案移动桌面，从而在抛光垫上形成与确定图案对应的微孔，沟槽或通孔的图案。

附图简述：

附图1是一种典型CMP机器结构型和利用其进行抛光方法的示意图；

附图2是说明CMP方法原理示意图；

附图3是利用各自具有空腔的微组分形成的微空腔照片；

附图4是利用发泡方法形成的微空腔照片；

附图5a是用于形成沟槽的传统切割刀具的示意图；

附图5b是利用传统切割刀具形成的具有同心环形沟槽的抛光垫的示意图。

附图5c是沿附图5b中直线A-A的截面图；

附图6a是利用安装有传统切割锯和隔板的传统卧式研磨机形成格状图案沟槽的过程示意图；

附图6b是利用传统卧式研磨机形成的具有格状沟槽的抛光垫的示意图；

附图6c是利用传统卧式研磨机形成的一个格状沟槽的截面图；

附图7a是用来在抛光垫上形成通孔的穿孔销的透视图；

附图7b是利用传统穿孔销形成通孔过程的平面图；

附图7c是利用传统穿孔销形成的具有通孔的抛光垫的截面图；

附图8是用于本发明机械加工方法中的激光系统的示意图；

附图9a是按照本发明一个实施方案，利用激光形成的微孔截面结构的照片；

附图9b是按照本发明实施方案，利用激光形成的微孔平面结构照片；

附图10是如本发明一个实施方案，利用激光形成的具有微孔的抛光垫示意图；

附图11是如本发明另一个实施方案，利用激光形成的具有通孔的抛光垫示意图；和

附图12是如本发明另一个实施方案，利用激光形成的具有沟槽的抛光垫示意图。

实施本发明的最佳方式

以下参考附图，详细说明本发明的具体构成和功能。

本发明采用激光加工原理，在抛光垫上形成微孔，沟槽或通孔。激光加工方法的特点是能减小经受热形变的层的面积。而且，激光加工方法是按非接触方式进行的，因此不会对工具造成磨损。激光加工方法还能对具有复杂形状的制品进行精确加工，消除了噪声和振动的产生，并保持清洁的工作环境。当激光束辐射到抛光垫的抛光表面上时，迅速升高其表面温度。结果在辐射了激光束的抛光垫表面，材料熔化并蒸发。当抛光垫材料在激光辐射区以上述方式被除去后，完成了微孔，沟槽或通孔的加工。

参见附图8，所示为一种用于本发明激光加工方法的激光加工系统。如附图8所示，激光加工系统包括用来辐射出激光束的激光器100，进行旋转和三维移动的桌面104和用来操纵激光器100和桌面104的计算机数字控制器(CNC)102。待抛光的抛光垫10被固定在桌面104上。

操作者可以自由确定要在抛光垫上形成的微孔，沟槽或通孔的图案，即，那些微孔，沟槽或通孔的大小，深度和间隔。

以下说明内容参照形成微孔为例。当然，形成沟槽或通孔的方式与形成微孔的方式相似。

操作者可以从各种不同形状中选择要求的微孔形状，比如环形，椭圆形，三角形和矩形或方形。而且，操作者可以自由确定微孔的直径，宽度或深度。操作者还可以确定微孔相对于抛光表面的倾斜度和微孔的排列。

将操作者确定的微孔图案输入CNC控制器102中。输入图案可以通过扫描方法，CAD或其他方式完成。CNC控制器102能识别输入的图案，并操纵激光器100和桌面104。

在CNC控制器102控制下，驱动激光器100和桌面104时，激光束辐射到安装在桌面104上的抛光垫10上，从而形成对应于输入CNC控制器102中图案相应的微孔图案。

即，CNC控制器102控制下，激光器100在抛光垫10上形成微孔，这些微孔具有分别对应于已输入CNC控制器102的图案的形状，大小和间隔。各微孔的形状，比如环形，椭圆形，三角形，矩形或方形，可以通过调节聚焦在抛光垫10上的激光点形状而确定。而且，通过调节激光点的大小，能够控制在抛光垫10上形成的每个微孔的直径或宽度。例如，当将激光点的大小调节成10到150微米时，可以形成直径为10到150微米的微孔。而且，当将激光点的大小调节成1到100微米时，可以形成直径为1到100微米的微孔。通过控制激光束的连续/间断辐射时间，还能够调节每个微孔的长度和沿激光束运动方向排列的相邻微孔间的间距。控制激光束功率能调节每个微孔的深度。

同时，固定抛光垫10的桌面104能沿X，Y和Z轴的三维方向作移动，同时沿R轴旋转。在CNC控制器102基于输入微孔图案的控制下，桌面104沿X，Y和Z轴方向的三维平动和旋转，通过向抛光垫10辐射激光束，形成要求的微孔图案。微孔可以与抛光表面形成要求的夹角。通过控制桌面104的平动和旋转速度，还能够调节微孔的密度和排列。

因此，通过结合控制激光器100和桌面104，能够在抛光垫上形成各种选定图案的微孔。采用如形成微孔相同的方法，能够形成沟槽或通孔。在抛光垫10上，能够选择性地形成这些微孔，沟槽和通孔。或者也可以形成由它们组合的图案。在后一种情况下，微孔，沟槽和通孔可以在后续步骤中形成，或同时形成。

附图9a和9b分别是本发明形成的微孔照片。

如附图9a和9b所示，本发明形成的微孔具有均匀的直径和均匀的分布，同时具有光滑的表面。但是，利用各自具有空腔的微组分或发泡过程等传统方法制成的附图3和附图4的微空腔，其分布不均匀且大小不均匀。因此，随抛光过程的进行而暴露出的微空腔具有不均匀的截面。本发明的微孔具有与传统微空腔相同的功能，它们能提供磨粒，同时收集抛光过程中产生的碎屑，并在重新配置抛光垫时除去收集的碎屑。另外，本发明的微孔具有均匀的分布和均匀的大小。因此，本发明的微孔相比传统微孔，具有相当优越的效果。本发明能按要求自由控制微孔的分布，密度和大小。

附图3所示照片右下方的斜区域代表了采用传统穿孔销在抛光垫上形成的通孔。如附图3中所示，该通孔表面粗糙，使碎屑残留在通孔中。这些碎屑会在CMP过程中在待抛光表面形成刮伤。但是，采用本发明方法形成的通孔或沟槽不会引起这类问题，因为激光加工过程能形成具有平整表面的通孔或沟槽。在本发明中，能按要求自由形成各种图案的通孔或沟槽。

附图10，11和12分别是本发明形成的微孔，通孔和沟槽说明性实施方案的示意图。

附图10是排列有本发明形成微孔的抛光垫示意图。附图10所示抛光垫在不同径向区域具有不同的微孔密度。在每个径向区域中，微孔具有均匀的密度和均匀的大小。

附图11是排列有本发明形成通孔的抛光垫示意图。附图12是排列有本发明形成沟槽的抛光垫示意图。如附图11或12所示的情况，通过使桌面沿X和Y轴方向移动，并同时旋转而进行加工过程。虽然传统机械加工方法仅形成如附图5b，6b或7b所示固定的沟槽或通孔图案，但根据本发明，使用CNC控制器和激光能自由形成不固定的，各种图案的微孔，沟槽或通孔。

在本发明中，抛光垫可以具有各种图案的微孔，通孔或沟槽，并不限于附图10，11和12中所示的图案。而且，抛光垫可以具有微孔，通孔和沟槽的组合图案。比如，抛光垫可以具有微孔和通孔，微孔和沟槽，通孔和沟槽，或微孔，通孔和沟槽的组合图案。

工业应用

上述可清楚知道，本发明提供了一种利用激光，方便地形成具有各种图案的微孔，沟槽或通孔的方法。在本发明中，利用激光在抛光垫上形成均匀分布和均匀大小的微孔，从而，与具有不均匀微孔的传统抛光垫相比，尽可能提高抛光垫的抛光效率。本发明还提高了加工效率，并降低了制造成本。本发明能形成具有精确和不同图案的通孔和沟槽。因此能有效控制抛光垫上浆料的流动。

本发明在给定抛光条件下，利用短时间的激光，在抛光垫上精确和高效地形成具有各种形状，大小和深度的微孔，通孔和沟槽图案，以及它们的组合图案。因此，本发明能提高制造效率和降低制造成本。

为了进行说明，公开了本发明的优选实施例和利用激光加工过程，以及在抛光垫上形成微孔，通孔或沟槽的方法，本领域技术人员能够作出不超越本发明权利要求规定的范围和原理的修改，增加和代替。

Claims (5)

1、一种制造化学机械抛光垫的方法，包括以下步骤：

确定要在抛光垫上形成的微孔和/或沟槽的图案；

将确定的图案输入计算机数字控制器CNC；

以及进行三维移动和旋转同时支撑抛光垫的桌面，在CNC控制器基于输入图案的控制下，驱动辐射激光束的激光器从激光器向桌面上的抛光垫辐射激光束，同时根据输入的图案移动桌面，从而在抛光垫上形成对应于确定图案的微孔和/或沟槽的图案。

2、如权利要求1所述方法，其特征在于，通过调节激光束点的大小，调整在抛光垫上形成的微孔或沟槽的直径或宽度。

3、如权利要求1所述方法，其特征在于，通过控制激光束的连续和间断辐射时间来调节抛光垫上形成的微孔或沟槽的长度，以及在激光束运动方向上，相邻排列的微孔或沟槽之间的间隔。

4、如权利要求1所述方法，其特征在于，通过控制激光束的功率，调节抛光垫上形成的微孔或沟槽的深度。

5、如权利要求1所述方法，其特征在于，通过桌面沿X，Y和Z轴方向的运动，调节抛光垫上形成的微孔或沟槽相对于抛光垫抛光表面的夹角。

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