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TW201819110A - 用於使化學機械拋光墊表面成形之裝置 - Google Patents

用於使化學機械拋光墊表面成形之裝置 Download PDF

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TW201819110A
TW201819110A TW106132145A TW106132145A TW201819110A TW 201819110 A TW201819110 A TW 201819110A TW 106132145 A TW106132145 A TW 106132145A TW 106132145 A TW106132145 A TW 106132145A TW 201819110 A TW201819110 A TW 201819110A
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TW106132145A
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傑弗瑞 詹姆士 漢卓恩
傑弗瑞 羅伯特 史塔克
Original Assignee
美商羅門哈斯電子材料Ｃｍｐ控股公司
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Abstract

本發明提供用於對聚合物(較佳為多孔聚合物)化學機械(CMP)拋光墊或層進行預調理且拋光基板之裝置，所述裝置包括：具有轉子之旋轉式研磨機總成，所述轉子具有多孔研磨材料之研磨表面；平台式壓板，其用於固持所述CMP拋光墊或層就位，以便將所述旋轉式研磨機之研磨表面安置於所述平台式壓板之表面上方且平行於所述平台式壓板之表面，從而形成所述CMP拋光層之表面與所述多孔研磨材料之表面的界面；以及基板固持器，其定位於所述平台式壓板之頂表面上方且平行於所述平台式壓板之頂表面以及CMP基板所附著者，藉此在所述基板之表面與所述CMP拋光層之表面之間產生拋光界面，其中所述基板固持器獨立於所述旋轉式研磨機總成以及所述平台式壓板而旋轉。

Description

用於使化學機械拋光墊表面成形之裝置
本發明係關於一種用於向拋光墊(諸如聚合物墊)提供墊表面微紋理結構之裝置，所述拋光墊用於基板(諸如半導體基板、磁性基板以及光學基板)之化學機械平坦化(CMP)；以及使用所述裝置之方法。更具體地說，本發明係關於一種用於研磨CMP拋光層表面之裝置，所述裝置包括：旋轉式研磨機，所述研磨機具有多孔研磨材料之研磨表面以形成CMP拋光層表面與多孔研磨材料表面的界面；以及用於固持CMP拋光層就位之平台式壓板。
化學機械平坦化所用之拋光墊的製造已知包含使發泡體或多孔聚合物在具有最終拋光墊(諸如聚胺基甲酸酯)之期望直徑的模具中成型以及固化、隨後使固化聚合物脫模且在平行於模具頂表面之方向上切割(例如藉由切削)固化聚合物以形成具有期望厚度的層，以及接著使所得層成形，例如藉由研磨、選路或將最終表面設計壓印入拋光墊頂部。先前，使此類層成形為拋光墊之已知方法包含層注塑成型、層擠出、用固定研磨帶對層進行磨光與/或將層端面車削成期望的厚度以及平坦度。此等方法實現一致之墊表面微紋 理結構的能力有限，所述一致之墊表面微紋理結構為降低拋光基板中的缺陷度以及從基板均勻移除材料所必需的。事實上，所述方法通常產生了可見設計，諸如具有指定寬度以及深度之凹槽以及可見但不一致之紋理。舉例而言，由於模具剛度隨著模具厚度而變且切削刀片連續磨損，因此切削過程因墊表面成形而不可靠。由於連續的工具磨損以及車床定位精度，因此單點端面車削技術已不能夠產生一致之墊表面微紋理結構。注塑成型製程所製得的墊由於穿過模具的材料流動不一致而缺乏均勻性；另外，由於具有固化性之成型材料以及成型材料之剩餘部分在注射到圍束區域中期間、尤其在高溫下可以依不同的速率流動，因此當墊固定且固化時，成型物傾向於變形。
亦已使用磨光方法使具有較硬表面之化學機械拋光墊光滑。在磨光方法之一個實例中，West等人的美國專利第7,118,461號揭示用於化學機械平坦化的光滑墊以及所述墊之製造方法，所述方法包括用研磨帶磨光或拋光墊表面以自墊表面移除材料。在一個實例中，磨光之後使用較小研磨帶進行後續磨光步驟。所述方法之產品相較於未經修光之相同墊產品展現改良的平坦化能力。遺憾的是，雖然West等人的方法可以使墊光滑，但是其未能提供一致之墊表面微紋理結構且無法用於處理較軟墊(墊或墊聚合物基質之根據ASTM D2240-15(2015)的肖氏D硬度為40或小於40)。另外，West等人的方法移除之材料如此得多，以致所得拋光墊之使用壽命可能受到不利的影響。仍期望提供一種具有一致之表面微紋理結構而不限制墊使用壽命的化學機械拋光墊。
化學機械拋光墊之調理類似於磨光，其中所述墊在使用時通常用具有類似於細砂紙之表面的旋轉式磨輪進行調理。進行‘磨合’期(在此期間，不使用墊進行拋光)之後，此類調理使得平坦化效率提高。仍期望消除磨合期且提供可以立即用於拋光之預調理墊。
本發明人已致力於發現製造預調理型CMP墊之裝置，所述預調理型CMP墊具有一致之墊表面微紋理結構，同時保持其原始表面構形。
1.根據本發明，提供具有有效用於拋光之墊表面微紋理結構之預調理型聚合物(較佳為多孔聚合物)聚胺基甲酸酯或聚胺基甲酸酯發泡體化學機械(CMP)拋光墊或層的裝置包括：具有轉輪或轉子之旋轉式研磨機總成，所述轉輪或轉子具有多孔研磨材料之研磨表面；以及用於將CMP拋光層固持就位(諸如藉由壓敏黏合劑或較佳為真空)的平台式壓板，所述旋轉式研磨機之研磨表面安置於平台式壓板的表面上方且平行於或基本上平行於平台式壓板的表面以形成CMP拋光層表面與多孔研磨材料表面的界面。
2.根據如上文第1項所述之本發明裝置，其中所述CMP拋光層具有從其中心點延伸到其外周緣之半徑且所述旋轉式研磨機總成之轉輪或轉子之研磨表面的直徑等於或大於CMP拋光層之半徑，較佳等於CMP拋光層之半徑。
3.根據如上文第2項所述之本發明裝置，其中所述旋轉式研磨機總成之轉輪或轉子的定位使得在研磨期間，其研磨表面之外周緣直接擱置在CMP拋光層的中心上。
4.根據如上文第1、2或3項中任一項所述之本發明裝置，其中所述旋轉式研磨機總成之轉輪或轉子以及CMP拋光層以及平台式壓板各自在CMP拋光層研磨期間旋轉。較佳地，平台式壓板之旋轉方向與旋轉式研磨機總成相反。
5.根據如上文第4項中所述之本發明裝置，其中所述旋轉式研磨機總成之轉輪或轉子是以50到500rpm或較佳150到300rpm的速率旋轉，且所述平台式壓板是以6到45rpm或較佳8到20rpm的速率旋轉。
6.根據如上文第1、2、3、4或5項中任一項所述之本發明裝置，其中所述旋轉式研磨機總成之轉輪或轉子在研磨期間定位於CMP拋光層以及平台式壓板上方，且所述旋轉式研磨機從剛好高於CMP拋光層表面的點以0.1到15微米/轉或較佳0.2到10微米/轉的速率向下饋送，亦即，使CMP拋光層表面與多孔研磨材料表面的界面收縮。
7.根據如上文第1、2、3、4、5或6項中任一項所述之本發明裝置，其中所述旋轉式研磨機總成包括包含馬達或旋轉式致動器(諸如電動或伺服馬達)之驅動外殼，以及與馬達或旋轉式致動器連接且由馬達或旋轉式致動器驅動之垂直安置式輪軸(諸如藉由齒輪或驅動帶)，所述輪軸延伸到驅動外殼內且在其下端藉由機械聯動裝置(諸如齒輪或驅動帶)連接到轉輪或轉子，以使得其依期望的轉數/分鐘(rpm)速率旋轉。
8.根據如上文第7項所述之本發明裝置，其中在驅動外殼中，所述垂直安置式輪軸包括滾珠螺桿或二級伺服 馬達，所述滾珠螺桿或二級伺服馬達位於所述輪軸與馬達或旋轉式致動器的連接處、輪軸與轉輪或轉子的機械連接處，或這兩個位置，藉此可以使旋轉式研磨機總成的轉輪或轉子依設定的遞增速率向下饋送。
9.根據如上文第8項所述之本發明裝置，其中所述轉輪或轉子包括一個或多個偏心機構、氣動驅動器(諸如氣缸)、電子致動器或馬達致動器，諸如伺服馬達，較佳圍繞轉輪或轉子依徑向陣列佈置之三個到八個此類致動器，藉此可以使轉輪或轉子傾斜，以便其研磨表面基本上平行於平台式壓板之頂表面，從而允許研磨產生中心厚或中心薄之CMP拋光層或墊。
10.根據本發明之裝置，其中所述旋轉式研磨機總成之轉輪或轉子具有較佳承載於單墊圈上的多孔研磨材料研磨介質，所述研磨介質附著於其周緣下表面，諸如藉由夾子、扣件之徑向陣列或側向彈簧負載式卡扣環，所述卡扣環位於旋轉式研磨機總成的下表面上、與多孔研磨材料環的周緣緊貼配合。
11.根據如上文第11項所述之本發明裝置，其中所述多孔研磨材料研磨介質佈置於多個區段中，所述區段圍繞旋轉式研磨機總成之周緣的下表面延伸且所述區段之間具有間隙。
12.根據如上文第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11中任一項所述之本發明裝置，其中所述多孔研磨材料為多孔連續相之複合物，所述多孔連續相已分散於其細粉狀無孔研磨顆粒中，諸如氮化硼或較佳為金剛石顆粒。
13.根據如上文第12項所述之本發明裝置，其中所述多孔研磨材料之多孔連續相具有3到240μm或較佳10到80μm的平均孔徑。
14.根據如上文第8或9項中任一項所述之本發明裝置，其中所述多孔研磨材料之多孔連續相包括陶瓷，較佳為燒結陶瓷，諸如氧化鋁或二氧化鈰。
15.根據如上文第1到14項中任一項所述之本發明裝置，其中所述平台式壓板含有貫穿壓板而與真空連通之多個小孔，例如直徑0.5到5mm的小孔。所述孔可以藉由在研磨期間保持CMP拋光層基板就位的任何適合方式佈置，諸如沿著從平台式壓板中心點向外延伸之一系列輪輻佈置或佈置於一系列同心環中。
16.根據如上文第1到15項中任一項所述之本發明裝置，進一步包括導管、軟管、噴嘴或閥門，其用於間歇或較佳為連續地鼓吹壓縮的惰性氣體或空氣，且定位成將惰性氣體或空氣吹入CMP拋光層材料表面與多孔研磨材料表面的界面，以便在研磨期間衝擊多孔研磨材料，較佳為從平台式壓板上之CMP拋光層之中心點鄰近的點吹遍CMP拋光層與多孔研磨材料的界面，或更佳地，所述導管、軟管、噴嘴或閥門定位成將惰性氣體或空氣從平台式壓板上之CMP拋光層之中心點鄰近的點吹遍CMP拋光層與多孔研磨材料的界面，以便衝擊多孔研磨材料；且單獨地包括第二導管、軟管或閥門，用於從剛好低於旋轉式研磨機總成之周緣之點向上鼓吹壓縮的惰性氣體或空氣，以便在研磨期間衝擊多孔研磨材料，例如在CMP拋光層之周緣以及旋轉式研磨機之周緣會 合的情況下。
17.根據如上文第1到16項中任一項所述之本發明裝置，所述裝置進一步包括基板固持器，所述基板固持器定位於平台式壓板之頂表面上方且平行於平台式壓板之頂表面，以便與旋轉式研磨機總成所安置之區域以及CMP基板(諸如半導體基板或晶圓、磁性基板或光學基板)所附著(例如夾持)之區域不重疊，藉此在基板表面與CMP拋光層表面之間產生拋光的界面，其中所述基板固持器獨立於旋轉式研磨機總成以及平台式壓板而旋轉，例如依1到200rpm或較佳10到100rpm的個別速度旋轉。
18.根據如上文第17項所述之本發明裝置，其中所述基板固持器之直徑小於平台式壓板上所固持之CMP拋光層或墊的半徑，且另外其中，所述基板固持器以機械方式連接到或安裝於第一致動器，諸如伺服馬達，以便使研磨機圍繞中心軸旋轉；以及第二致動器，諸如第二伺服馬達或Z軸滾珠螺桿，以便將基板固持器抵壓著CMP拋光層或墊。
19.根據如上文第1到18項中任一項所述之本發明裝置，其中整個裝置封閉於氣密式罩殼內部，諸如其中相對濕度(RH)範圍可以是5到100%(例如5到50%)的罩殼。
除非另有說明，否則溫度以及壓力條件為環境溫度以及標準壓力。所述的全部範圍具有包含性以及可組合性。
除非另有說明，否則含有圓括號的任何術語均可替代地指完整術語(如同圓括號不存在以及術語沒有它們一般)以及每個替代形式之組合。因此，術語「(聚)異氰酸酯」是指異氰酸酯、聚異氰酸酯或其混合物。
全部範圍具有包含性以及可組合性。舉例而言，術語「範圍50到3000cps，或100cps或大於100cps」將包含50到100cps、50到3000cps以及100到3000cps中的每一個。
如本文所用，術語「ASTM」是指賓夕法尼亞州西康舍霍肯ASTM國際組織(ASTM International,West Conshohocken,PA)之出版物。
如本文所用，術語「厚度變化」意謂根據CMP拋光墊厚度之最大變化所測定的值。
如本文所用，術語「基本上平行」是指旋轉式研磨機之研磨表面與CMP拋光層之頂表面所形成的角度，或更具體地說，由平行於旋轉式研磨機之研磨表面延伸且終止於CMP拋光層中心點上方之點的第一線段與從第一線段之末端平行於平台式壓板之頂表面延伸且終止於平台式壓板之外周緣之第二線段的交叉點限定之角度為178°到182°，或較佳為179°到181°，其中所述第一以及第二線段處於與平台式壓板正交之平面內，所述平面通過CMP拋光層之中心點以及旋轉式研磨機之研磨表面周緣上之位置距CMP拋光層中心點最遠的點。
如本文所用，術語「Sq.」當用於定義表面粗糙度時意謂在所給定CMP拋光層之表面上之指定點處所測量之指定數目個表面粗糙度值的均方根。
如本文所用，術語「表面粗糙度」意謂藉由在所給定CMP拋光層之頂表面上之任何給定點處測量表面相對於最佳配合平面之高度所測定的值，所述最佳配合平面代表了 平行於以及位於所給定CMP拋光層之頂表面的水平表面。可接受之表面粗糙度範圍為0.01μm到25μm Sq，或較佳為1μm到15μm Sq。
如本文所用，術語「wt.%」表示重量百分比。
1‧‧‧平台式壓板
2‧‧‧CMP拋光層或墊
3‧‧‧窗
4‧‧‧旋轉式研磨機總成/轉子
5‧‧‧多孔研磨材料
6‧‧‧基板固持器
7‧‧‧晶圓
圖1描繪了根據本發明之旋轉式研磨機裝置且展現了平台式壓板以及含有透明窗的CMP拋光層。
圖2描繪了經本發明裝置處理之CMP拋光層，所述CMP拋光層之表面上具有由相交弧線界定之一致的槽溝微紋理結構，其中每一個弧線的曲率半徑等於或稍微大於CMP拋光層的半徑。
圖3描繪了根據本發明之具有基板固持器的旋轉式研磨機以及拋光裝置，所述基板固持器經調適以平坦化或拋光基板，諸如半導體。
根據本發明，研磨裝置改良了CMP拋光層(包含CMP拋光墊以及拋光層的頂表面)的表面微紋理結構。所述裝置產生了一致之表面微紋理結構，所述微紋理結構的特徵在於，CMP拋光層表面中具有曲率半徑與旋轉式研磨機之研磨表面之外周緣所界定的圓相同的一系列相交弧線；且CMP拋光層之上表面的表面粗糙度為0.01到25μm Sq。本發明人已發現，經根據本發明之旋轉式研磨機處理的CMP拋光層效能良好，調理較少或無需調理，亦即其是預調理型。另外，旋轉式研磨機處理之CMP拋光層的墊表面微紋理結構增 強了基板拋光。本發明的裝置有助於避免墊形態出現因切削所致的不規整，切削可能引起化學機械拋光墊中出現表面缺陷，諸如鑿孔，以及比CMP拋光層的其餘部分更軟的窗材料發生鼓泡。另外，本發明的裝置有助於使墊堆疊期間(其中使兩個或更多個墊層通過相隔固定距離的輥隙組)因拋光層變形所致的負面影響最小化。對於軟的且可壓縮的CMP拋光層而言，這尤其重要。另外，本發明的裝置以及處理過的墊，其提供了能夠優化的表面微紋理結構，降低了缺陷度且改良了整個基板表面(例如半導體或晶圓表面)上的材料均勻移除。
本發明人已發現，用多孔研磨材料研磨CMP拋光層能夠在研磨介質不積垢的情況下且在對CMP拋光層基板無損傷的情況下完成研磨。多孔研磨材料中的孔隙大足以存儲從CMP拋光層基板中移除的微粒；且多孔研磨材料的孔隙度足以存儲在研磨期間所移除的材料主體。較佳地，將壓縮空氣吹遍多孔研磨材料與CMP拋光層基板的界面進一步有助於移除研磨物質且防止研磨設備積垢。
在使用本發明裝置的任何方法中，亦可在研磨之前或之後鼓吹壓縮氣體或空氣。
本發明的裝置可以包括旋轉式研磨機以及平台式壓板。旋轉式研磨機是依設定的速率或饋送速率下降到擱置在平台式壓板上的CMP拋光層上。
如圖1所示，本發明的裝置研磨定位於平台式壓板(1)表面上的CMP拋光層表面，所述平台式壓板裝備有未圖示的真空孔口。將CMP拋光層或墊(2)放在平台式壓 板(1)上，使得平台式壓板(1)的中心點與CMP拋光層(2)的中心點對齊。圖1中的平台式壓板(1)具有真空排氣口(圖中未示)以固持CMP拋光層(2)就位。在圖1中，CMP拋光層(2)具有一個窗(3)。本發明的研磨機構包括旋轉式研磨機(轉輪)總成(4)或轉子，其周緣的下表面處附著有包括多孔研磨材料(5)的研磨介質，如圖所示，所述研磨介質佈置於圍繞轉子(4)周緣下表面延伸的多個區段中。區段之間具有較小間隙。在圖1中，旋轉式研磨機總成(4)視需要定位成其周緣剛好位於CMP拋光層(2)的中心點上方；另外，旋轉式研磨機總成(4)具有所期望的尺寸，以使得其直徑大致等於CMP拋光層(2)的半徑。
本發明的裝置可以較佳地包括研磨機/調理機以及拋光裝置，其中將CMP拋光墊安裝於平台式壓板上且將旋轉式研磨機總成以及基板固持器獨立地下降到CMP拋光墊上以在其中的每一個與CMP拋光層頂部之間形成界面。基板固持器以機械方式連接到或安裝於第一致動器，諸如伺服馬達，以便使基板固持器圍繞中心軸旋轉；以及第二致動器，諸如第二伺服馬達或Z軸滾珠螺桿，以便將基板固持器抵壓著CMP拋光墊。
如圖3中所示，本發明的裝置在研磨定位於平台式壓板(1)表面上之CMP拋光層之表面的同時拋光基板。將CMP拋光層或墊(2)放在平台式壓板(1)上，使得平台式壓板(1)的中心點與CMP拋光層(2)的中心點對齊。圖3中的平台式壓板(1)具有真空排氣口(圖中未示)以固持CMP拋光層(2)就位。在圖3中，CMP拋光層(2)具有一 個窗(3)。本發明的研磨機構包括旋轉式研磨機(轉輪)總成(4)或轉子，其周緣的下表面處附著有包括多孔研磨材料(5)的研磨介質，如圖所示，所述研磨介質佈置於圍繞轉子(4)周緣下表面延伸的多個區段中。另外，相對於旋轉式研磨機總成(4)偏移的基板固持器(6)或晶圓載具在其下表面上固持300mm晶圓(7)。
研磨以及拋光裝置如下操作：將基板(例如半導體晶圓)固持於基板固持器的下表面上，且抵壓著平台式壓板之上表面上的CMP拋光墊。平台式壓板以及基板固持器彼此間相對旋轉，藉此使得基板的下表面與拋光墊實現滑動接觸。此時，研磨液噴嘴(圖中未示)向拋光墊供應研磨液，諸如水性二氧化矽或研磨氧化物、碳化物或氮化物顆粒漿液。基板的下表面藉由研磨液中之研磨顆粒與CMP拋光層表面之機械拋光作用的組合來拋光。
本發明的旋轉式研磨機包括圓形旋轉式研磨機總成或轉子，所述研磨機總成或轉子在其周緣處附著有多孔研磨材料，較佳呈鋸齒狀或包括圍繞旋轉式研磨機周緣之不連續點或間隙的多孔研磨材料。多孔研磨材料的下表面為旋轉式研磨機的研磨表面。多孔研磨材料可以呈裝入或附著到旋轉式研磨機總成之下表面的環或環區段形式。多孔研磨材料可以包括向下端面車削區段之徑向陣列，通常為10到40個其間具有間隙的多孔研磨材料區段；或由多孔研磨材料製成之其中具有週期性穿孔的穿孔環。間隙或穿孔允許在研磨之前、期間或之後將壓縮氣體或空氣吹入CMP拋光層之表面與多孔研磨材料之表面的界面，以移除研磨物質以及清潔多 孔研磨材料。另外，多孔研磨材料中之缺口或間隙有助於在研磨期間冷卻多孔研磨材料以及CMP拋光層基板的表面。
本發明的裝置可以定位成補償不期望的CMP基板輪廓磨損，如在CMP製程導致輪廓磨損不一致的情況下，諸如基板邊緣處出現的移除太少或太多。這繼而可以延長墊壽命。處於此類位置時，旋轉式研磨機總成的研磨表面可以調節成使得其基本上平行於、但非精確地平行於平台式壓板或CMP拋光層的頂表面。舉例而言，可以調節旋轉式研磨機的研磨表面以產生中心厚(旋轉式研磨機與平台式壓板半徑之間的角度超過180°，所述角度所處的平面與平台式壓板正交且通過CMP拋光層的中心點以及旋轉式研磨機之研磨表面之周緣上的位置距CMP拋光層中心點最遠的點)或中心薄(角度小於180°)。
本發明的裝置能夠在濕潤環境中使用，諸如聯合水或研磨水性漿液，諸如二氧化矽或二氧化鈰漿液。
由於旋轉式研磨機元件的尺寸可以改變，因此本發明的裝置能依比例調節以便配合各種尺寸的CMP拋光層。根據本發明的裝置，平台式壓板應該大於CMP拋光層或較佳具有半徑等於CMP拋光層半徑或半徑在比CMP拋光層半徑長10cm內的尺寸。裝置由此能依比例調節以處理半徑為100mm到610mm的CMP拋光層。
各種旋轉式研磨機總成可以配合根據本發明的裝置使用，一次使用一個。旋轉式研磨機總成經選擇以使得其直徑匹配或稍微大於所研磨之CMP拋光層的半徑。或者，旋轉式研磨機總成被調適成允許各種直徑的多孔研磨材料研 磨介質環或盤片(較佳為單墊圈)附著在其周緣的下表面。
各種基板固持器可以配合根據本發明的裝置使用，一次使用一個。基板固持器經選擇以使得其直徑小於拋光所用之CMP拋光層的半徑且大於所拋光之基板的直徑。
本發明的裝置能夠提供不會出現窗鼓脹以及切削所致缺陷的CMP拋光層或墊。因此，根據一種使用本發明裝置的方法，CMP拋光層可以如下形成：使聚合物成型以形成具有所期望直徑或半徑的多孔成型物，所述直徑或半徑將是由其製成之墊的尺寸，接著將所述成型物切削到所期望的厚度，所述厚度將是根據本發明製造之墊的目標厚度，隨後研磨所述墊或CMP拋光層以在墊拋光表面上提供所期望的墊表面微紋理結構。
在使用本發明裝置的方法中，可以對單個層或單個墊以及對具有子墊層的堆疊墊進行研磨。較佳地，在堆疊墊的情況下，所述方法包括在堆疊墊之後研磨CMP拋光層，以便研磨可以有助於消除堆疊墊的變形。
適合的CMP拋光墊可以如下形成：使聚合物成型且切削成型聚合物以形成用作墊的CMP拋光層，或較佳如下形成：使聚合物成型且切削成型聚合物以形成CMP拋光層，隨後將CMP拋光層堆疊在直徑與CMP拋光層相同之子墊或底層的頂部以形成CMP拋光墊。
在使用本發明裝置的方法中，可以包括形成CMP拋光墊、在所述墊中形成凹槽(諸如藉由車削所述墊)，以及接著用旋轉式研磨機研磨CMP拋光墊以形成墊表面微紋理結構，包含位於拋光表面上且曲率半徑等於或大於(較佳等於) 拋光層半徑的一系列可見相交弧線，同時用CMP拋光墊平坦化基板。在此類方法中，CMP拋光墊在使用時被調理且發生表面重構。
在使用本發明裝置的方法中，可以包括形成CMP拋光墊、用旋轉式研磨機研磨CMP拋光墊以形成墊表面微紋理結構，包含位於拋光表面上且曲率半徑等於或大於(較佳等於)拋光層半徑的一系列可見相交弧線，同時用CMP拋光墊平坦化基板，以及接著在所述墊中形成凹槽，諸如藉由車削所述墊來形成凹槽。
另外，本發明的裝置可以用作CMP拋光或平坦化工具，亦即研磨以及拋光裝置。
在另一方面中，本發明提供使用本發明之研磨以及拋光裝置的方法。根據使用本發明之研磨以及拋光裝置的方法，將CMP拋光墊附著到平台式壓板的上表面且將基板(諸如待拋光的半導體晶圓)夾到基板固持器上，以便所述基板固持器的下表面可以下降到位於平台式壓板上的CMP拋光墊上，隨後使所有的平台式壓板、旋轉式研磨機總成以及基板固持器旋轉。
在使用本發明之研磨以及拋光裝置的方法中，將含有研磨顆粒(諸如二氧化矽、二氧化鈰或氧化鋁或其混合物)的研磨液供應到拋光墊上且滯留於其上。在操作期間，基板固持器向平台式壓板施加2到69kPa、較佳3到48kPa的所期望向下壓力，且因此在基板固持器以及平台式壓板旋轉的同時，使抵著CMP拋光墊所固持之基板的表面平坦化。
較佳地，在將根據本發明之基板拋光的方法中， 基板固持器以及平台式壓板是向相同方向旋轉。
適合根據本發明裝置使用方法使用的CMP拋光層包括聚合物或較佳包括多孔聚合物、聚合物發泡體或含有填料的多孔聚合物材料，根據ASTM D2240-15(2015)，其具有20到80或例如40或小於40的肖氏D硬度。
較佳地，本發明的方法可以針對任何CMP拋光墊進行，包含由相對較軟之聚合物製成的CMP拋光墊，且尤其用於處理肖氏D硬度為40或小於40的軟墊。
適合根據本發明裝置使用方法使用的CMP拋光層可以進一步包括一個或多個無孔透明窗截面，諸如包括玻璃轉移溫度(DSC)為75到105℃之無孔聚胺基甲酸酯的窗截面，諸如未延伸越過CMP拋光層中心點的窗截面。在此類CMP拋光層中，一個或多個窗截面具有頂表面，所述頂表面根據50μm或小於50μm之窗厚度變化相對於所述窗之最大維度(諸如圓形窗的直徑，或矩形窗之長度或寬度中的較大者)來界定。
另外，適合配合本發明裝置使用方法使用的CMP拋光層可以包括平均粒度為10到60μm的多個孔隙或微元件，較佳為聚合物微球體。較佳地，這種CMP拋光層具有從CMP拋光層中心點向外延伸到其外周緣之較高密度以及較低密度交替的環形帶。舉例而言，較高密度環形帶的密度比較低密度環形帶高0.01到0.2g/cm3。
相應地，根據本發明裝置使用方法製成的化學機械(CMP)拋光墊包括具有一定半徑的多孔聚合物CMP拋光層，所述CMP拋光層具有至少0.01μm到25μm Sq或較佳1 μm到15μm Sq的表面粗糙度，且具有位於拋光層表面上的一系列可見相交弧線，所述相交弧線的曲率半徑等於或大於(較佳)拋光層曲率半徑的一半。較佳地，所述系列的可見相交弧線圍繞拋光層的中心點、依徑向對稱性延伸遍及拋光層的表面。
根據本發明裝置使用方法製成的CMP拋光墊具有中心點以及半徑。此類拋光墊可以具有據以使墊傾斜的厚度，以致愈接近其中心點，所述厚度變得愈大，或傾斜成距離其中心點愈遠，厚度變得愈大。
實例：在以下實例中，除非另有說明，否則所有壓力單位為標準壓力(~101kPa)且所有溫度單位為室溫(21-23℃)。
實例1：使用具有330mm(13")半徑之VP5000TM CMP拋光層或墊的兩種形式(陶氏化學(Dow Chemical)，密歇根州米德蘭(Midland,MI)(陶氏))進行試驗。所述墊無窗。在實例1-1中，CMP拋光層包括具有2.03mm(80密耳)厚度的單一多孔聚胺基甲酸酯墊，且其中聚胺基甲酸酯的肖氏D硬度為64.9。在實例1-2中，CMP拋光層包括使用壓敏黏合劑將實例1-1的相同聚胺基甲酸酯墊堆疊到由聚酯氈(陶氏)製成的SUBA IV TM子墊上而得到的堆疊墊。
實例1-A以及1-B中的比較物為分別與實例1-1以及1-2相同的墊，但是未根據本發明的方法加以處理：所述堆疊墊具有SIV子墊。
所有墊具有1010個凹槽(具有0.0768cm(0.030")深度×0.0511cm(0.020")寬度×0.307cm(0.120") 間距的同心圓凹槽圖案)，且無窗。
多孔研磨材料為具有151μm平均研磨尺寸的玻璃化多孔金剛石研磨劑。為了研磨基板，旋轉式研磨機總成平行於平台式壓板的頂部定位且依284rpm逆時針旋轉且平台式鋁壓板依8rpm順時針旋轉。從多孔研磨材料剛好開始觸碰CMP拋光層基板的點開始，旋轉式研磨機總成依每3次墊轉數5.8μm(0.0002")增量的速率向下饋送到平台式壓板。在此期間，將壓縮的乾燥空氣(CDA)從2個噴嘴吹入多孔研磨材料之表面與CMP拋光層之表面的界面，所述噴嘴一個剛好位於CMP拋光層中心點的上方且另一個位於多孔研磨材料之後側之距墊中心約210mm(8.25")處。研磨持續約5分鐘。
在拋光測試中如下評估得自實例1之墊的移除速率、非均勻性以及顫痕(缺陷度)：
移除速率：在200mm尺寸的四乙氧基矽酸鹽(TEOS)基板上，藉由使用指定的墊以及200ml/min流速之ILD3225TM煙霧狀二氧化矽水性漿液(陶氏)平坦化基板來測定。使用MirraTM拋光工具(加利福尼亞州聖克拉拉市應用材料公司(Applied Materials,Santa Clara,CA)，在93/87壓板/基板載具處，拋光壓力為0.11、0.21以及0.32kg/cm2(1.5、3.0、4.5psi)下壓力不等。測試之前，使用SAESOLTM 8031C1盤(燒結的金剛石粉塵表面，10.16cm直徑，韓國塞索爾金剛石有限公司(Saesol Diamond Ind.Co.,Ltd.,Korea))作為調理機，在3.2kg(7磅)下調理所有拋光墊40分鐘。在測試期間，繼續對所述墊進行相同調理。每個墊測試總共18個 晶圓且獲得平均值。
非均勻性：針對在移除速率測試中平坦化的相同TEOS基板且依移除速率測試中所揭示的方式進行測定，其例外之處是藉由觀察晶圓內厚度變化來獲得數據。每個墊測試總共18個晶圓且獲得平均值。
顫痕或缺陷計數：針對在移除速率測試中平坦化的相同TEOS基板且依移除速率測試中所揭示的方式進行測定，其例外之處是藉由觀察CMP缺陷總數來獲得數據。每個墊測試總共18個晶圓且獲得平均值。
所得墊具有墊表面微紋理結構，所述墊表面微紋理結構包括曲率半徑等於旋轉式研磨機總成之周緣之曲率半徑的相交弧線。另外，如下表1所示，本發明實例1-1以及1-2的墊在基板上產生的平坦化速率與實例1-A(單個)以及1-B(堆疊)的比較墊相同；同時，相較於未經歷本發明研磨方法之比較實例1-A以及1-B的墊，本發明實例1-1以及1-2的墊在基板中產生的缺陷度顯著降低且顫振標記顯著減少。
實例2：使用具有61.0肖氏D硬度的419mm (16.5")半徑IC1000 TM單層聚胺基甲酸酯墊(陶氏)進行試驗，其中依上述實例1的方式處理實例2的墊，其例外之處是將旋轉式研磨機總成依每8次墊轉數20.3μm(0.0007")增量的速率向下饋送到平台式壓板且持續研磨5.5分鐘。比較實例2-A的墊為未根據本發明方法處理之與實例2相同的墊。
對14個墊進行試驗且報導厚度變化的平均結果，所述厚度變化如下測試：
厚度變化：使用座標測量機在拋光墊的整個表面上測定。每個墊收集從墊中心到邊緣的總共9個離散測量位置。藉由從最厚測量值減去最薄測量值來計算厚度變化。結果顯示在下表2中。
所得本發明的墊具有特徵性墊表面微紋理結構。本發明實例2的墊具有較小的平均厚度變化且因此其形狀比比較實例2-A的墊更一致。
實例3：相較於可市購的IC1000TM墊(陶氏)，測量上述實例2之墊的表面粗糙度。比較實例2的墊為與實例2-A相同的墊，但未根據本發明的方法處理。
在2個墊中的每一個上，從墊中心到邊緣在5個等間距的點處測量表面粗糙度且表面粗糙度的平均結果報導於下表3中。
如上表3所示，實例3中的本發明CMP拋光層具有所定義的墊表面微紋理結構以及以減小的谷深度為特徵的確定表面粗糙度。

Claims (11)

  1. 一種提供具有墊表面微紋理結構之預調理型聚合物化學機械(CMP)拋光墊或層以及拋光基板的裝置，所述裝置包括：具有轉輪或轉子的旋轉式研磨機總成，所述轉輪或轉子具有多孔研磨材料的研磨表面；用於固持所述CMP拋光層就位的平台式壓板，所述旋轉式研磨機的所述研磨表面安置於所述平台式壓板的表面上方且平行於或基本上平行於所述平台式壓板的所述表面以形成所述CMP拋光層之表面與所述多孔研磨材料之表面的界面；以及基板固持器，所述基板固持器定位於所述平台式壓板的頂表面上方且平行於所述平台式壓板的所述頂表面以便與所述旋轉式研磨機總成所安置的區域以及CMP基板所附著的區域不發生重疊，藉此在所述基板的表面與所述CMP拋光層的所述表面之間產生拋光界面，其中所述基板固持器獨立於所述旋轉式研磨機總成以及所述平台式壓板而旋轉。
  2. 如申請專利範圍第1項之本發明裝置，其中所述平台式壓板藉由真空來固持所述CMP拋光層就位。
  3. 如申請專利範圍第1項之本發明裝置，其中所述CMP拋光層具有從其中心點延伸到其外周緣之半徑且所述旋轉式研磨機總成之所述轉輪或轉子的所述研磨表面具有等於或大於所述CMP拋光層之所述半徑的直徑。
  4. 如申請專利範圍第3項之本發明裝置，其中所述旋轉式研磨機總成的所述直徑等於所述CMP拋光層的所述半徑。
  5. 如申請專利範圍第1項之本發明裝置，其中所述旋轉式研 磨機總成的所述轉輪或轉子定位成使得在研磨期間，其研磨表面的所述外周緣直接擱置在所述CMP拋光層的所述中心上。
  6. 如申請專利範圍第1項之本發明裝置，其中所述旋轉式研磨機總成的所述轉輪或轉子以及所述CMP拋光層以及平台式壓板在所述CMP拋光層的研磨期間各自旋轉。
  7. 如申請專利範圍第1項之本發明裝置，其中所述旋轉式研磨機總成包括包含馬達或旋轉式致動器的驅動外殼以及與所述馬達或旋轉式致動器連接且由所述馬達或旋轉式致動器驅動的垂直安置式輪軸，所述輪軸延伸到驅動外殼中且在其下端藉由機械聯動裝置連接到所述轉輪或轉子，使得其依所期望的轉數/分鐘速率(rpm)旋轉。
  8. 如申請專利範圍第1項之本發明裝置，其中在所述驅動外殼中，所述垂直安置式輪軸包括滾珠螺桿或二級伺服馬達，所述滾珠螺桿或二級伺服馬達位於所述輪軸與所述馬達或旋轉式致動器的連接處、所述輪軸與所述轉輪或轉子的機械連接處，或這兩個位置，藉此可以使所述旋轉式研磨機總成的所述轉輪或轉子依設定的遞增速率向下饋送。
  9. 如申請專利範圍第1項之本發明裝置，進一步包括導管、軟管、噴嘴或閥門，其用於間歇或連續地鼓吹壓縮的惰性氣體或空氣且定位成將所述惰性氣體或空氣吹入所述CMP拋光層材料之所述表面與所述多孔研磨材料之所述表面的所述界面中以便在研磨期間衝擊所述多孔研磨材料；且單獨地包括第二導管、軟管或閥門，用於從剛好低於所述旋轉式研磨機總成之周緣的點向上鼓吹壓縮的惰 性氣體或空氣以便在研磨期間衝擊所述多孔研磨材料。
  10. 如申請專利範圍第1項之本發明裝置，其中所述基板固持器的直徑比所述平台式壓板上所固持之所述CMP拋光層或墊的所述半徑小，且另外其中，所述基板固持器以機械方式連接到或安裝於第一致動器以便使所述研磨機圍繞中心軸旋轉；以及第二致動器以便使所述基板固持器抵壓著所述CMP拋光層或墊。
  11. 如申請專利範圍第1項之本發明裝置，其中所述整個裝置封閉於氣密式罩殼內部。
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