專利名稱：用于半導(dǎo)體底物的拋光墊的制作方法
背景技術(shù)：
1、發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種拋光墊，用于半導(dǎo)體底物、芯片、冶金樣品、存儲盤表面、光學(xué)元件、物鏡、芯片罩等的研磨、搭接、成形及拋光。更具體地說，本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體底物化學(xué)機(jī)械拋光的拋光墊及其應(yīng)用方法。
2、相關(guān)技術(shù)的討論半導(dǎo)體芯片一般包括其上已經(jīng)形成了許多集成線路的底物，諸如砷化硅或鎵的芯片?；瘜W(xué)和物理上采用在底物某些區(qū)域和底物某些層面上繪制圖紋的方法，將集成線路組合至底物中。這些層面一般用各種具有導(dǎo)體、絕緣或半導(dǎo)體性質(zhì)的材料所構(gòu)成。為使元件收率高，關(guān)鍵在于要從平面半導(dǎo)體芯片開始，因此常常必須拋光半導(dǎo)體芯片。如果元件生產(chǎn)工藝步驟是在非平面的芯片表面上進(jìn)行的，就會產(chǎn)生各種問題，導(dǎo)致許多無法使用的元件。例如，在現(xiàn)代半導(dǎo)體集成線路的生產(chǎn)中，必須在先已形成的結(jié)構(gòu)上再構(gòu)成導(dǎo)電線路或類似結(jié)構(gòu)。但是，先已形成的表面常常留下芯片很不規(guī)則、凸起、不均隆起區(qū)、凹陷、溝槽、或其它表面不規(guī)則的類型相似的頂面圖案。這樣表面的總平面化程度必須保證在光刻法中有足夠的聚焦深度，以及消除在生產(chǎn)過程后續(xù)階段中的任何不規(guī)則性和表面殘缺處。
雖然，已有幾種方法可保證芯片表面平整度，但采用化學(xué)機(jī)械的平整工藝或拋光技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于在元件生產(chǎn)的各個階段平整芯片表面，提高收率，改善性能和增強(qiáng)可靠性。一般，化學(xué)機(jī)械拋光“CMP”涉及用常規(guī)典型化學(xué)活性的拋光漿液飽和過的拋光墊在受控向下壓力下芯片進(jìn)行圓周運動。
用于拋光場合的典型拋光墊，諸如CMP，都是采用軟和硬兩種墊材料生產(chǎn)的，并可歸為三類浸漬聚合物織品、微孔薄膜及多孔聚合物泡沫體。例如，一種含有將聚氨酯樹脂浸入聚酯無紡織品中的墊屬于第一類。這樣的墊，如

圖1及2中所示，一般生產(chǎn)方法采用制備連續(xù)卷筒或網(wǎng)的織品；聚合物浸漬織品，一般用聚氨酯；固化該聚合物；和切割、切片及打磨該墊至所需厚度及周邊尺寸。
第二類拋光墊，如圖3及4所示，由涂敷在基礎(chǔ)材料上的微孔聚氨酯薄膜所組成，該基礎(chǔ)材料通常是一種經(jīng)浸漬的第一類織品。這些孔隙薄膜是由一系列垂直取向的封閉的圓柱形孔所組成。
第三類拋光墊是閉孔聚合物泡沫體，具有全三維隨機(jī)和均一分布的大量孔隙，這種墊的實例示于圖5及6中。閉孔聚合物泡沫體的容積孔隙一般是不連續(xù)的，因此抑制大量漿液的傳遞。當(dāng)漿液傳遞是所希望的時候，對墊進(jìn)行人工構(gòu)造紋理，使之具有通道、槽痕或穿孔，以改善拋光過程中的周邊漿液傳遞。對三種主要拋光墊更為詳盡的討論，其優(yōu)缺點，參見國際公開號WO 96/15887，其專利說明書在此引以參考。拋光墊的其它代表性的實例均描述于US 4,728,552、4,841,680、4,927,432、4,954,141、5,020,283、5,197,999、5,212,910、5,297,364、5,394,655及5,489,233中，其專利說明書在此全文引入作為參考。
為使CMP及其它拋光技術(shù)達(dá)到有效平整，拋光表面上漿液的輸送及分布顯得重要。對于許多拋光過程，特別是對于那些在高速旋轉(zhuǎn)或壓力下的操作，通過拋光墊上漿液流量不適宜，會引起底物或制品拋光速率不勻及表面質(zhì)量不佳，或拋光墊受損。為此，對改善漿液輸送曾進(jìn)行過各種努力。例如，在US 5,498,233中，考克(Cook)等人公開了采用大小液流通道，使?jié){液傳送通過固體拋光墊的表面。在US 5,533,923中，沙莫廉(Shamouilian)等人公開了一種拋光墊，其上構(gòu)造了包括一些使拋光漿液流動穿過至少部分拋光墊的渠道。同樣，在US 5,554.064中，布雷沃基爾(Breivogel)等人披露一種拋光墊，內(nèi)含彼此間隔的微孔，用以分布流過該墊表面的漿液。另一方面，在US 5,562,530中，阮訥爾(Runnel)等人披露一種強(qiáng)制脈沖系統(tǒng)，通過向下作用力將芯片固定在墊襯上，以周期地循環(huán)在最小值(即漿液流入芯片與墊片間的空間)和最大值(擠出漿液以便利用墊的研磨性沖刷芯片表面)之間。專利US 5,489,233、5,533,923，、5,554,064及5,562,530在此均引入作為參考。
盡管已知拋光墊適用于其預(yù)定目的，但仍然需要整個IC底物有效平整、質(zhì)量提高了的拋光墊，尤其是對用于CMP方法中的拋光墊。此外，對拋光墊還有一種要求，提高拋光效率(即增加脫出速率)，改善漿液輸送(即對整個墊在所有方向達(dá)到高效、均勻漿液滲透率)，改善對腐蝕刻蝕劑的耐受性，并在底物上定位均勻。對拋光墊還有一要求，即能夠通過多墊調(diào)節(jié)法對拋光墊加以調(diào)節(jié)和在被迫替代之前能夠多次再調(diào)節(jié)。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種拋光墊，包括一種燒結(jié)合成樹脂顆粒的開孔孔隙性底物。此孔隙性底物的特征在于毛細(xì)路徑均勻、連續(xù)和彎曲的互連網(wǎng)絡(luò)。
本發(fā)明也涉及一種具有頂面及底面的拋光墊，它是開孔的，而且在底物表面上有一層皮層，但頂面卻沒有，其中全墊孔從頂面直至底面皮層均相互連接。
本發(fā)明也涉及一種在水、酸或堿存在下不膨脹的拋光墊，且其中可使墊頂表面易于潤濕。
此外，本發(fā)明是一種底面基本上不滲透拋光漿液的拋光墊。
本發(fā)明拋光墊廣泛用于各種拋光場合，尤其是化學(xué)機(jī)械拋光應(yīng)用，并可提供劃痕和缺陷極少的高效拋光。與傳統(tǒng)拋光墊不同，本拋光墊可應(yīng)用于各種拋光平臺，保證可控漿液流動性，并提供可定量屬性，直接影響拋光性能和控制特殊應(yīng)用的半導(dǎo)體生產(chǎn)過程。
特別是，本發(fā)明拋光墊可在IC生產(chǎn)各個階段結(jié)合傳統(tǒng)拋光漿液及設(shè)備進(jìn)行使用。這種墊提供了一種保持整個墊表面漿液流量均勻的方法。
在一個實施方案中，本發(fā)明是一種拋光墊底物。拋光墊底物包括熱塑性樹脂的燒結(jié)顆粒。此拋光墊底物具有頂面和底面皮層，而且墊頂未研磨表面的平均粗糙度高于墊皮層未研磨表面的平均粗糙度。
在另一個實施方案中，本發(fā)明為一種燒結(jié)聚氨酯樹脂的拋光墊底物，包括頂面、具有皮層的底面，其厚度30至125密爾，密度0.60至0.95克/毫升，孔容15-70％，平均頂面粗糙度4-50微米，和底面皮層平均粗糙度在20微米以下，其中底面皮層的平均表面粗糙度低于頂面的平均表面粗糙度。
還有另一實施方案，本發(fā)明為一種拋光墊。此拋光墊包括一種拋光墊底物，該底物包括熱塑性樹脂燒結(jié)顆粒。該拋光墊底物具有頂面和底面皮層，而墊頂未打磨表面的平均表面粗糙度大于墊底未打磨表面的平均表面粗糙度。該拋光墊還包括底襯板(backing sheet)和在底襯板與底面皮層間的一種粘結(jié)劑。
附圖簡要說明圖1為已有技術(shù)浸漬市售聚合物浸漬的拋光墊的頂視掃描電鏡圖(SEM)，放大100倍；圖2為已有技術(shù)浸漬市售聚合物浸漬的拋光墊的橫截面的掃描電鏡圖(SEM)，放大100倍；圖3為已有技術(shù)市售微孔薄膜型的拋光墊的頂視掃描電鏡圖(SEM)，放大100倍；圖4為已有技術(shù)市售微孔隙薄膜型的拋光墊的橫截面的掃描電鏡圖(SEM)，放大100倍；圖5為已有技術(shù)市售多孔聚合物泡沫體型的拋光墊的頂視掃描電鏡圖(SEM)，放大100倍；圖6為已有技術(shù)市售多孔聚合物泡沫體型拋光墊的橫截面掃描電鏡圖(SEM)，放大100倍；圖7為用12-14密爾聚氨酯樹脂球經(jīng)成型燒結(jié)工藝生產(chǎn)的一種燒結(jié)熱塑性樹脂拋光墊的頂視掃描電鏡圖(SEM)，放大35倍；圖8為圖7拋光墊的橫截面掃描電鏡圖(SEM)，放大35倍；圖9為本發(fā)明另一實施方案拋光墊的頂視掃描電鏡圖(SEM)，放大100倍；圖10為用粒度約200至約100目范圍的聚氨酯樹脂球，經(jīng)成型燒結(jié)工藝生產(chǎn)的一種本發(fā)明燒結(jié)拋光墊的橫截面掃描電鏡圖(SEM)。在該掃描電鏡圖的上方表示墊頂，而墊底皮層面部分是正對該SEM圖的下方。SEM圖放大60倍。
圖11用粒度范圍在200以下至50目以上的聚氨酯樹脂顆粒，經(jīng)流水線燒結(jié)工藝生產(chǎn)的一種本發(fā)明燒結(jié)聚氨酯樹脂拋光墊的橫截面掃描電鏡圖(SEM)，其中SEM圖為放大60倍。
圖12A及12B為本發(fā)明燒結(jié)聚氨酯熱塑性拋光墊的頂部側(cè)橫截面視圖，其墊頂面是打磨過的。SEM為放大150倍。圖12A及12B所示的墊，都是采用粒度在200目以下至50目以上的聚氨酯熱塑性樹脂顆粒，經(jīng)流水線燒結(jié)工藝而生產(chǎn)的。拋光墊表面是經(jīng)采用100微米的石英砂聚酯襯底的打磨帶，經(jīng)寬砂帶磨光機(jī)打磨過的。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及一種拋光墊，包括一種含合成樹脂的燒結(jié)顆粒的開孔多孔底物。此底物的微孔是以具有均勻、連續(xù)和彎曲的毛細(xì)路徑互連網(wǎng)絡(luò)為特征。所謂“連續(xù)的”，指的是這些微孔都是互相連通而遍及該墊的，但底面除外，底面在低壓燒結(jié)過程中形成了基本不滲透的底面皮層。此多孔拋光墊底物是微孔的，即這些孔隙小到只能借助顯微鏡才能看見。此外，微孔沿墊所有方向都是遍及分布的，如圖7至12所示。此外，墊頂面是易于濕潤的，而且當(dāng)用優(yōu)選聚氨酯熱塑性樹脂生產(chǎn)時，該拋光墊在水、酸或堿存在下是不膨脹的。也優(yōu)選的是，該墊是用單一材料生產(chǎn)的，從而其組成均勻，且不應(yīng)含未反應(yīng)的熱塑性前體化合物。
本發(fā)明拋光墊底物是利用一種熱塑性燒結(jié)工藝制備的，這種工藝所施加壓力最低或壓力不超過大氣壓，以使底物達(dá)到所需孔尺寸、孔隙率、密度和厚度。所謂“壓力最低或壓力不超過大氣壓”的術(shù)語，指的是低于或等于90psi，和優(yōu)選低于或等于10psi。最優(yōu)選的是，該熱塑性樹脂是在基本環(huán)境壓力的條件下進(jìn)行燒結(jié)的。盡管與所用合成樹脂的類型及型號相關(guān)，但拋光墊底物平均孔尺寸可達(dá)到1μm至1000μm之間。一般，該拋光墊底物的平均孔尺寸都會在約1至約150μm的范圍。更優(yōu)選地，平均孔尺寸會在3至50μm和最優(yōu)選在5至35μm之間。
另外，已發(fā)現(xiàn)，孔隙率，即孔容，在約15％至約70％，優(yōu)選25％至50％之間，可產(chǎn)出具備使用靈活及經(jīng)久耐用性能合格的拋光墊。
在本發(fā)明可采用寬范圍的常用熱塑性樹脂，只要利用燒結(jié)工藝可使該樹脂構(gòu)成開孔底物?？捎玫臒崴苄詷渲?，例如，聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龍、碳氟烴、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯等及其混合物。一般，該樹脂是天然親水的或是用添加表面活性劑、分散助劑或用其它適宜方法可使其具備親水性的。優(yōu)選的是，所用熱塑性樹脂基本上是由熱塑性聚氨酯所組成。優(yōu)選熱塑性聚氨酯是Texin熱塑性聚氨樹脂，由貝爾公司生產(chǎn)。優(yōu)選地是，所用Texin的熱塑性聚氨樹脂是Texin 970u及Texin 950u。
采用燒結(jié)之前具有特定尺寸(如超細(xì)、細(xì)、中粒度、粗粒度等)及形狀(不規(guī)則、球形、園形或片狀等，或其混合物及組合)的熱塑性樹脂顆粒，是改變該聚合物基質(zhì)性能的有效手段。當(dāng)熱塑性樹脂顆粒大時，可采用適宜的研磨技術(shù)，諸如機(jī)械研磨、噴射研磨、球磨、篩選、分級等，將這些顆粒研磨成粉末，使之達(dá)到所需顆粒尺寸的范圍。在采用熱塑性樹脂混料時，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都可理解的是，可調(diào)節(jié)混合物組分的比例，得到最終產(chǎn)物的所需孔結(jié)構(gòu)。例如，增加第一組分的百分?jǐn)?shù)，可用于產(chǎn)生較小孔尺寸的產(chǎn)物?？刹捎檬惺刍旌掀?、摻混器及類似設(shè)備對這些樹脂成分進(jìn)行調(diào)混。
為使拋光墊具備所需物理特性，在燒結(jié)過程中所用熱塑性樹脂顆粒尺寸應(yīng)當(dāng)在細(xì)于約50目至粗于200目的范圍，更優(yōu)選為細(xì)于80目至粗于200目之間。最優(yōu)選為，基本上所有熱塑性樹脂顆粒具有尺寸范圍在細(xì)于100目至粗于200目。所謂“基本上所有”指的是95％(重)的熱塑性樹脂顆粒處在一個范圍之內(nèi)，最優(yōu)選99％或以上的熱塑性樹脂顆粒處在該最優(yōu)選的尺寸范圍之內(nèi)。
在一組實施方案中，密度較小、硬度較低的底物是理想的，所選合成樹脂顆粒是形狀很不規(guī)則的。采用不規(guī)則形狀的顆粒，被認(rèn)為是可防止顆粒堆積緊密，而使多孔底物有高的空穴體積，例如30％或更多。在另一組實施方案中，在需要密度較高或較硬的拋光墊底物時，熱塑性樹脂顆粒就應(yīng)當(dāng)盡可能地是接近球形的。在一組優(yōu)選實施方案中，該合成樹脂顆粒整體Shore D硬度在40至90間。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在CMP過程中，用熱塑性樹脂顆粒經(jīng)燒結(jié)工藝生產(chǎn)的本發(fā)明拋光墊/底物，可達(dá)到有效漿液控制和分布、拋光速率及質(zhì)量(如較少缺陷或刮痕等)。在一組優(yōu)選實施方案中，合成樹脂顆粒是聚氨酯熱塑性樹脂顆粒，其形狀不規(guī)則或為球形，其整體Shore D硬度在45至75間。由這樣的顆粒生產(chǎn)的拋光墊底物，一般其Shore A硬度在55至約98間，優(yōu)選在85至95之間。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，該拋光墊底物具有合格的CMP拋光速率及集成電路芯片的表面質(zhì)量。
也已發(fā)現(xiàn)，在拋光墊結(jié)構(gòu)與達(dá)到穩(wěn)定及合格脫出速率同時又使誘發(fā)缺陷及刮痕最少的能力之間，有一種相互關(guān)連。垂直滲透通過的流量與保留在拋光墊上拋光液的數(shù)量對于這種相互關(guān)連是重要的，如通過動態(tài)漿液容量試驗所確定的那樣，其方法也已列于實施例1中。滲透通過的流量是根據(jù)拋光漿液流過該墊的數(shù)量而定義的，也如前述實施例1所列方法所確定的。
本發(fā)明方法的拋光墊制備，可按照本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)，采用連續(xù)帶式或密閉式成型工藝進(jìn)行。這種密閉成型的技術(shù)在US 4,708,839中有敘述，其說明書在此引以參考。采用密閉成型的燒結(jié)工藝，將熱塑性樹脂，諸如具有所需粒度(如經(jīng)篩分目數(shù)的尺寸)及優(yōu)選粒度細(xì)于80目至粗于200目的聚氨酯熱塑性樹脂，放入預(yù)成型的兩片成型模具模腔的底部，達(dá)到所需位置?？稍趽饺肽＞咧兄埃瑢⒋藷崴苄詷渲芜x與一種粉末表面活性劑混合或調(diào)混，以改善樹脂的自由流動的特性。再將此模具密封及加以振動，使樹脂均勻分散在整個模腔中。然后加熱模腔，使顆粒燒結(jié)一起。燒結(jié)顆粒的加熱周期，包括在預(yù)定時間內(nèi)加熱模具至最終預(yù)定的溫度，并使該模具保持在設(shè)定溫度下至預(yù)定的一段時間，然后，冷卻模具至室溫，再于室溫下保持預(yù)定的另一段時間。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員一般都知道，可以改變加熱周期以適應(yīng)材料及模具的變化。此外，還可用各種各樣方法加熱模具，包括利用微波、電或蒸汽加熱的熱空氣爐、加熱和冷卻臺等。在燒結(jié)之后，冷卻模具，從模具中取出燒結(jié)的拋光墊底物?？梢酝ㄟ^對加熱周期控制的變化，來改變最終拋光墊底物材料的孔結(jié)構(gòu)(尺寸及孔隙率)、燒結(jié)度及其它物理特性。
本發(fā)明生產(chǎn)燒結(jié)拋光墊底物的優(yōu)選方法，可隨所需拋光墊底物的尺寸及物性而變化。對于所述優(yōu)選的燒結(jié)條件，拋光墊底物可分為兩種尺寸“大墊”及“小墊”。所謂“大墊”指的是拋光墊底物外徑超過12英寸和高至24英寸或更高。所謂“小墊”指的是拋光墊底物外徑小于約12英寸或更低。
本發(fā)明所有墊都是采用熱塑性樹脂組合物制備的。用于生產(chǎn)本發(fā)明拋光墊底物的燒結(jié)方法描述于下，這里在燒結(jié)工藝上均采用優(yōu)選的聚氨酯熱塑性樹脂。
熱塑性塑料，諸如聚氨酯，一般均為粒狀。優(yōu)選提供的聚氨酯熱塑學(xué)樹脂，其顆粒尺寸在約1/8”至3/16”范圍。在生產(chǎn)該墊之前，研磨聚氨酯彈性體，優(yōu)選低溫研磨，使粒度細(xì)于約50目至粗于200目，優(yōu)選粒度細(xì)于80目至粗于200目。只要使聚氨酯熱塑聚合物達(dá)到了所需粒度，就可對這種顆粒進(jìn)一步通過干燥、拋光或其它本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法進(jìn)行處理。
優(yōu)選的是，在燒結(jié)生產(chǎn)大、小兩種拋光墊底物之前，將經(jīng)分級的聚氨酯樹脂顆粒加以干燥，使之濕度低于1.0％(重)，優(yōu)選將它們干燥至約0.05％(重)的濕度。對于大墊的生產(chǎn)，也優(yōu)選的是，拋光此研磨過的顆粒，除去其尖銳邊緣，以降低孔容，增加燒結(jié)拋光墊底物的密度。
如上述討論，制備本發(fā)明拋光墊底物要采用標(biāo)準(zhǔn)熱塑燒結(jié)設(shè)備。所得拋光墊的尺寸將取決于模具尺寸。典型模具為由不銹鋼或鋁制的兩片呈方形或長方形模腔的模具，其模腔尺寸長寬約6至36英寸，優(yōu)選長和寬約12英寸或24英寸。將計量過的已分級的粒狀聚氨酯彈性體放于模具中開始模具燒結(jié)過程，將模具關(guān)上，緊固一起，振動15秒至約2分鐘或更長的時間，以消除聚氨酯彈性體顆粒間所有空隙空間。模具振動時間隨模具的尺寸增加而延長。因此，預(yù)計對12英寸的模具，振動約15秒-約45秒，而對24英寸的模具要振動約60秒至約2分鐘或更長的時間。優(yōu)選振動該模具在其邊緣，以保證該模腔中的粒狀聚合物材料充分充填。
然后將此裝料并振動過的模具加熱至所需溫度，并維持一段時間，使之對拋光墊底物進(jìn)行充分燒結(jié)。應(yīng)將該模具加熱到高于該熱塑性樹脂玻璃轉(zhuǎn)變溫度至接近及可能略高于該熱塑性樹脂熔點的溫度。優(yōu)選的是，將該模具加熱至所用熱塑性樹脂的熔點上下20°F之間的溫度。最優(yōu)選的是，應(yīng)當(dāng)在燒結(jié)過程中將該模具加熱至低于所用的熱塑性樹脂熔點20°F至約等于該熔點的溫度。
所選實際溫度自然將取決于所用熱塑性樹脂。例如，對Texin970u，該模具應(yīng)當(dāng)加熱至并保持在約372°F至約412°F的溫度，優(yōu)選從約385°F至約392°F。仍然優(yōu)選的是，按照本發(fā)明生產(chǎn)的拋光墊是在環(huán)境壓力下燒結(jié)的。換句話說，不需要采用氣體或機(jī)械方法增加模腔中的壓力，以增加燒結(jié)熱塑性產(chǎn)物的密度。
該模具應(yīng)當(dāng)在水平位置上進(jìn)行加熱，以便在燒結(jié)中拋光墊底物的底面形成皮層。不應(yīng)將該模具立即加熱至所需溫度，而應(yīng)當(dāng)從開始到約3至10分鐘和更長的時間內(nèi)將其加熱達(dá)到所需溫度，優(yōu)選在4至8分鐘內(nèi)。在使該模具在目標(biāo)溫度下維持一段時間，約5至30分鐘或更長的時間，優(yōu)選在約10至20分鐘的時間。
在完成上述加熱步驟之后，在約2至10分鐘或更長的時期內(nèi)，將模具溫度平穩(wěn)地降低至約70-120°F的溫度。然后使該模具冷卻至室溫，再從該模具中取出所得的拋光燒結(jié)墊底物。
本發(fā)明燒結(jié)墊另外可通過流水線(belt line)燒結(jié)方法生產(chǎn)。在US3,835,212中有這種方法的描述，該專利說明書在此引以參考。一般，在拋光墊底物尺寸變大時，要生產(chǎn)出具有外觀均一好看的拋光墊底物，振動模具就會越加困難。因此，流水線燒結(jié)法對于本發(fā)明生產(chǎn)較大的拋光墊底物是優(yōu)選的。
在流水線燒結(jié)法中，適宜篩分及干燥過的熱塑性塑料是均勻加到加熱溫度超過該熱塑性樹脂熔點以上40°F至約80°F的光滑鋼帶上的。粉末在盤上是不定的，支撐該盤的鋼帶以設(shè)定速率經(jīng)牽引穿過對流爐，使該聚合物暴露于目標(biāo)溫度下約5至25分鐘或更長的一段時期，優(yōu)選約5分鐘至約15分鐘的時間。將所得燒結(jié)聚合物片迅速冷卻至室溫，優(yōu)選在離開加熱爐后約2分鐘至7分鐘的時間內(nèi)達(dá)到室溫。
下表1綜合了按上述燒結(jié)工藝生產(chǎn)的本發(fā)明燒結(jié)拋光墊底物的物性。
表1
*采用便攜式探針儀測定。
本發(fā)明燒結(jié)拋光墊底物具有未打磨開孔頂面和底面皮層。底面皮層為孔隙較少的，因此比未打磨的頂面光滑(不太粗糙)。優(yōu)選的是，拋光墊底面皮層表面孔隙率(即在未打磨墊頂面上燒結(jié)墊內(nèi)的開孔面積)至少低于未打磨墊頂面孔隙率25％。更優(yōu)選為，拋光墊底皮面應(yīng)當(dāng)具有至少低于拋光墊頂面孔隙率50％的表面孔隙率。最優(yōu)選的是，拋光墊底面皮層基本上無表面孔隙，即10％以下的拋光墊底皮面的面積是由延伸至拋光墊底物內(nèi)部的開孔和微孔所組成。
燒結(jié)過程中形成墊底面皮層，且發(fā)生在聚氨酯彈性體與模具底表面接觸之處。此皮層的形成很可能是由于模具底表面局部燒結(jié)溫度較高的結(jié)果及/或由于重度對燒結(jié)顆?；蚨哂绊懙慕Y(jié)果。圖10-12為本發(fā)明燒結(jié)墊橫截面的SEM圖，每個均包括一層基本封閉有孔的底表面皮層。
本發(fā)明涉及包括一層底面皮層的拋光墊底物，也涉及其中除去底面皮層的拋光墊底物。一種包括底面皮層的拋光墊底物可用于半導(dǎo)體生產(chǎn)，得出其底面基本不滲透拋光漿液的拋光墊。
本發(fā)明的拋光墊底物是通過將粘結(jié)層疊加在該墊底物的底面皮層上的方法而制作成為有效拋光墊的。該疊層優(yōu)選包括一層粘結(jié)劑和一層可脫去的背襯。在將該墊與粘結(jié)劑疊層連接一起時，墊頂面是外露的，粘結(jié)劑層與該墊底皮層相連接時，粘結(jié)劑使背襯材料與墊底面皮層互相分隔。背襯材料可以是任何類型的可用于與粘結(jié)劑疊層，包括聚合物片、紙、涂敷聚合物紙及其組合相結(jié)合的屏蔽材料。最優(yōu)選的是，該疊層由經(jīng)涂敷粘結(jié)劑層，接著用姆勒(Myler)薄膜層的背襯材料所組成，而姆勒薄膜層是用第二粘結(jié)劑層加以覆蓋的。第二粘結(jié)劑層緊靠著墊底皮層。最優(yōu)選的疊層是由3M公司生產(chǎn)的444PC或443PC。
脫去保護(hù)紙層，外露粘結(jié)劑，即可使用該拋光墊。此后將外露的粘結(jié)劑連接在拋光機(jī)桌或平臺的表面上，使拋光墊貼于拋光機(jī)上。拋光墊底面皮層阻止了拋光漿液和其它液體滲透穿過該墊和接觸到粘結(jié)劑層，從而防止破壞在拋光墊與拋光機(jī)表面間粘結(jié)結(jié)合。
本發(fā)明拋光墊可與使用子墊或不使用子墊的拋光機(jī)相結(jié)合。子墊一般用于拋光墊的結(jié)合處，以利于拋光墊與進(jìn)行CMP的集成電路芯片間的均勻接觸。如果采用了子墊，就應(yīng)將它放在拋光墊桌或平臺與拋光墊之間。
使用前，此燒結(jié)拋光墊可經(jīng)歷另外的轉(zhuǎn)換及/或調(diào)節(jié)步驟，例如包括對底物表面的一面或二面都進(jìn)行平整，嚴(yán)格清洗脫出污物、去皮、構(gòu)造紋理的處理以及其它本領(lǐng)域技術(shù)人員已知技術(shù)的處理，以完善及調(diào)節(jié)拋光墊。例如，可以對拋光墊加以改進(jìn)，使之包括至少一種肉眼可見的特性，諸如通道、孔眼、溝槽、紋理及邊緣形狀。此外，拋光墊還可包括研磨材料，如氧化鋁、氧化鈰、氧化鍺(germania)、氧化硅、氧化鈦、氧化鋯，及其混合物，以增強(qiáng)機(jī)械作用及移動。
優(yōu)選的是，小拋光墊底物包括墊頂面上通向檢驗板或其它模板的通道，其彼此距離在約1/8”至3/4”的范圍，優(yōu)選在1/4”的距離。此外，通道深度應(yīng)當(dāng)相當(dāng)于近似等于拋光墊底物的一半的深度，而寬度在約20-35密爾的范圍，優(yōu)選在約25密爾。由本發(fā)明大拋光墊底物生產(chǎn)的拋光墊，可以任選是經(jīng)用溝槽、孔眼等加以改善了的表面。
使用前，墊頂表面一般是經(jīng)過打磨(buff)的，為的是要使該墊成為對拋光漿液更好的吸收劑。該墊可用任何為本領(lǐng)域技術(shù)人員所用方法加以研磨。作為優(yōu)選研磨的方法，本發(fā)明的拋光墊是采用具有石英砂粒度約25至約100微米，優(yōu)選為約60微米的磨帶的砂帶磨光機(jī)，進(jìn)行機(jī)械打磨，以獲得表面粗糙度小于12微米的，優(yōu)選約9至12微米的拋光墊。
墊頂面的打磨，通常是在粘結(jié)劑疊加之前，在拋光墊底物上進(jìn)行的。打磨后，將拋光墊加以清潔，除去碎屑，并在墊底上疊加壓敏粘結(jié)劑層之前通過加熱、電暈等方法，進(jìn)行底部(未拋光面)處理。然后，只要不再對它們進(jìn)行修改的話，就可立即將此疊加粘結(jié)劑層的墊用于拋光機(jī)之中，或使它們進(jìn)行如上所述的開槽或繪制圖案。一旦開槽及/或繪制圖案處理完成，甚至即使此過程是在進(jìn)行之中，就可對該墊再次加以清潔，除去碎屑，并裝入清潔袋中諸如塑料袋中，并儲存待用。
在即將使用之前，一般將CMP漿液涂敷該墊上然后將該墊暴露與拋光條件之下來磨合CMP拋光墊。有效的拋光墊磨合方法，在US5,611,943及5,216,843中有所介紹，其說明書在此引作參考。
本發(fā)明也包括制品表面拋光方法，其步驟包括將至少一個本發(fā)明的拋光墊與制品的表面在有拋光漿液的存在下進(jìn)行接觸；通過將所述墊相對于所述表面進(jìn)行移動，或另外使制品平臺相對于該墊進(jìn)行移動，脫除該表面所需的部分。在IC生產(chǎn)的各個階段中，本發(fā)明的拋光墊可與常規(guī)的漿液及設(shè)備結(jié)合使用。拋光優(yōu)選按照標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行，尤其是對CMP所描述的那些技術(shù)。另外，拋光墊也可修整，以便拋光各種層面，包括金屬層、氧化物層、硬盤、陶瓷層等。
如上所述，本發(fā)明拋光墊可廣泛用于拋光場合，尤其是化學(xué)機(jī)械拋光應(yīng)用場合，以達(dá)到有效拋光，使劃痕及缺陷最少。本發(fā)明拋光墊作為另外一種常規(guī)拋光墊，可用于各種拋光平臺，保證漿液流動性可控；及提供直接影響拋光性能的定量特性，控制特殊場合的生產(chǎn)過程。
為說明及描述本發(fā)明，現(xiàn)已列出前述本發(fā)明優(yōu)選實施方案。但并非是完全的，也非對本發(fā)明公開內(nèi)容的嚴(yán)格限制，任何改進(jìn)及變異都有可能，或者可根據(jù)本發(fā)明加以實施。選擇和描述這些實施方案，都是為了說明本發(fā)明原理和其實際應(yīng)用，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠應(yīng)用本發(fā)明的各個實施方案，和為適應(yīng)所遇到的具體應(yīng)用場合進(jìn)行各種改進(jìn)。本發(fā)明的范圍及其同等條款都是通過此后所附各權(quán)利要求項所限定的。
實施例下述方法用于確定所有下述實施例的拋光墊性能。
垂直滲透流量通過拋光墊的漿液流率，采用由費歇爾公司提供的真空過濾裝置進(jìn)行測定。該裝置由上儲液罐、連接真空管線的瓶頸及收集液體即漿液的下儲液罐所組成，而在無真空下使用。上及下儲罐的直徑為約3.55”。在上儲罐底部中心處鉆有一個3/8”直徑的小孔。為測定漿液流率，將一直徑3.5”的拋光墊底物放置在上儲罐底部，并將O形環(huán)放置在墊與上儲罐壁之間。再將兩端開口的圓柱形塑料容器牢固地安放在該墊上方，以防止液體沿該墊表面滲漏。將約100克液體以25克/秒的速率在4秒鐘內(nèi)注入該圓柱形容器。稱量下儲罐所收集的液體量，收集的液體量除以時間(300秒)，來計算漿液流率。
動態(tài)漿液容量試驗拋光墊底物對拋光漿液的容量是通過動態(tài)漿液容量試驗方法測定的，該方法是將3.5”直徑的墊放置在直徑3.4”的漿液儲杯上進(jìn)行的。墊與儲杯放置于較大開口容器的中心，又將此容器放置在Hyprez II拋光機(jī)(由恩吉斯(Engis)公司生產(chǎn))平臺的頂面上。為測定留在拋光墊上的漿液，將液體分布在以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)的拋光墊頂面上，用蠕動泵使其在中心處達(dá)到不同的速率。通過測定實際滲透通過拋光墊的液體量來確定“通過的流量”?！巴ㄟ^墊的流量”即為滲漏穿過該墊的液體量，并收集于較大容器中?！傲粼谠搲|上的漿液量”是按從添加漿液后該墊的重量減去添加漿液前該墊的重量的方法計算而得。
孔尺寸測定采用直尺或用汞法孔隙儀確定孔尺寸。
硬度Shore D及Shore A測定硬度Shore D及Shore A的測定按照ASTM No D2240所規(guī)定的程序進(jìn)行。
漿液容量法漿液容量法包括，于室溫(25℃)下，將1×4英寸的墊底物樣品浸泡于CMP漿液浴中12小時。在將墊樣品放進(jìn)漿液之前，對其進(jìn)行預(yù)稱干重。12小時后取出墊樣品，抹去該墊表面上多余的漿液。再次稱重墊樣品，確定該墊濕重量。濕重量與干重量之差除以干重量即得各墊樣品的漿液容量。漿液容量值乘以100，即得百分漿液容量。
實施例1市售Texin聚氨酯材料樣品，其整體Shore D硬度值不同，尺寸不同，將其冷凍至易脆，并深冷研磨成粉末，然后加以篩分，分級為細(xì)粉(F)和中粒度(M)顆粒。此后篩分分級的粗粒度(C)顆粒的Texin聚氨酯不再進(jìn)行研磨。研磨步驟產(chǎn)生不規(guī)則的、球形的、或基本扁平形的粉末。細(xì)粉(F)特征為其粒度細(xì)于100目。中粒度的(M)顆粒限定于粒度細(xì)于50目而粗于100目，而粗粒材料特征在于其目數(shù)粗于50目。硬度Shore D70的聚氨酯是Texin 970u，和硬度Shore D 50的聚氨酯材料為Texin950u。
將經(jīng)篩分的粉末放入雙片模具的底部。對在模具底部的粉末量要求不嚴(yán)格，但要足以完全覆蓋模腔的底部。然后振動模腔，使粉末均勻分布于整個底表面，保證完全覆蓋模腔表面。再將此模具用常規(guī)燒結(jié)方法加熱，一般溫度應(yīng)高于Texin玻璃轉(zhuǎn)變溫度(約32°F)，但低于聚氨酯熔點溫度(約392°F)，進(jìn)行顆粒燒結(jié)。對每組熱塑性樹脂分別確定其實際燒結(jié)條件，因為Tg及熔點溫度各組不同。燒結(jié)之后，冷卻模具，從模具中取出孔隙底物，加以進(jìn)一步處理和轉(zhuǎn)化為拋光墊。該底物具有在模具底部形成的底面皮層，其平均孔尺寸及硬度Shore A值各異。
將此孔隙底物切割為園形拋光墊，直徑12”。其平均墊厚度為約0.061”。用市售150微米石英砂磨帶的手工打磨機(jī)打磨墊頂面，確保墊頂面與底面平行。再采用常規(guī)150石英砂Al2O3紙的軌道手工打磨機(jī)，脫去墊底面表層，改善潤濕性。將該墊底面搭接在液體儲罐的進(jìn)口處，收集通過此有3M牌號444PC粘結(jié)劑的1/8”條形墊的漿液。垂直滲透流量及保留在墊上的拋光漿液量，在各種漿液流率下，按照實施例引言中所設(shè)定的程序加以測定。試驗結(jié)果及拋光墊的其它特性列于下表2中。
表2<
>
如表2所示，各種整體硬度Shore D及粒度的合成樹脂可用于形成有效拋光墊底物。可以認(rèn)為，依據(jù)具體拋光平臺、所拋光的芯片/底物和所選用拋光漿液的類型，對拋光墊的性能可進(jìn)行調(diào)整，并均在本發(fā)明范圍內(nèi)。此外，還要承認(rèn)另外一些顯微特征，諸如孔眼、通道或紋道，都是使拋光墊達(dá)到理想滲透流量所必須的。
對采用拋光墊樣品2及3的初步拋光研究，是在Struers強(qiáng)制滾式-3臺-頂式拋光機(jī)(Struers Roto-Force 3 Table-Top Polisher)(由在俄亥俄州西湖的輻射儀公司部提供(Radiometer America Inc.，Struers Division，Wesrlake，Ohio))上完成的，以模擬真實工業(yè)拋光條件。將拋光墊固定在有雙面粘結(jié)劑的拋光機(jī)上。墊的表面用去離子水加以潤濕，開始濕調(diào)節(jié)過程，并使該墊表面達(dá)到飽和，直至該墊磨合。本發(fā)明拋光墊用于化學(xué)機(jī)械拋光在芯片上的鎢屏蔽層，利用Semi-SperseW-A355的鎢厚度約8000°A，由伊里諾斯州歐偌拉的Cabot公司生產(chǎn)的氧化鋁基拋光液。采用蠕動泵(由Masterflex公司提供，型號為7518-60)將漿液輸送至墊上，模擬實際漿液輸送，流率達(dá)100毫升/分鐘。鎢的脫去速率及其它相關(guān)性質(zhì)見表3。為進(jìn)行比較，也采用了市售的拋光墊，在同樣上述拋光條件下，對鎢層進(jìn)行拋光，除去熱氧化物。鎢脫去速率及其它相關(guān)性質(zhì)列于表3中。
表3
如表3所示，本發(fā)明拋光墊提供了一致及合格的鎢脫去速率，同時使墊的誘導(dǎo)缺陷及劃痕減至最少。此外，本發(fā)明拋光墊可以控制幾種拋光墊的與拋光性能相關(guān)的物理性質(zhì)，包括拋光墊底物的孔隙率、漿液流量、表面粗糙度、機(jī)械性能等。結(jié)果，本發(fā)明的拋光墊給出了有效的不同于市售的墊襯，提供了合格的CMP脫去速率和精制表面。
實施例2本發(fā)明拋光墊另一實施方案的進(jìn)一步代表性實施例，是利用說明書中及實施例2中所述程序制備的。按照實施例2，起始的合成樹脂顆粒具有不同的Shore D硬度及粒度。有關(guān)墊的特征及性質(zhì)是按三間隔-打磨前、打磨后及磨合后進(jìn)行測定的。墊的特征列于下表4、5、6、7及8。
表4
由其硬度Shore D為50細(xì)粉粒度的Texin 950u聚氨酯熱塑性樹脂制u備的墊。
表5
>*由其硬度Shore D為50中等粒度顆粒的Texin 950u聚氨酯熱塑性樹脂制備的墊。
表6
*由其硬度Shore D為70細(xì)粉顆粒的Texin 970u聚氨酯熱塑性樹脂制備的墊。
表7
由其硬度Shore D為70中等粒度顆粒的Texin 970u聚氨酯熱塑性樹脂制備的墊。
表8
墊A及B是由其硬度Shore D為70細(xì)粉的Texin 970u聚氨酯熱塑性樹脂制備的。
上述結(jié)果表明，經(jīng)打磨及而后磨合，拋光墊頂面的粗糙度得以改善。
實施例3
由細(xì)粉Texin 970u聚氨酯熱塑聚合物生產(chǎn)的燒結(jié)拋光墊底物是按照本發(fā)明實施例1制備樣品1所述的程序進(jìn)行制備的。該拋光墊底物的評價是用底面皮層完全為漿液容量及漿液流通率而進(jìn)行的。漿液流通率按實施例引言所述的方法測定。漿液容量法也在實施例引言中描述過。
未經(jīng)調(diào)節(jié)的墊的漿液流通率為每秒0克，漿液容量為4.7％?？梢哉J(rèn)為，漿液流通率為0是由于拋光墊底物頂面在打磨前是疏水的，而排斥含漿液的水。該墊頂面此后可按照實施例1所述的方法加以調(diào)節(jié)。打磨步驟機(jī)械地調(diào)節(jié)了頂墊的表面，并使墊頂面由疏水轉(zhuǎn)化成為親水的。為此，打磨后的墊漿液流率為0.234克/秒及漿液容量5.3％。此后，該墊底面按照前述實施例1的方法加以打磨及磨合。由此，該墊漿液流率為0.253克/秒，容量為5.7％。
這些結(jié)果表明，打磨拋光墊頂面，通過使該墊表面特性由疏水轉(zhuǎn)化為親水的，改善了漿液容量及墊的流通性。
權(quán)利要求
1.一種包括熱塑性樹脂燒結(jié)顆粒的拋光墊底物，其中所述拋光墊底物具有頂面和包括皮層的底面，其中墊頂面未打磨表面的平均粗糙度大于墊底面皮層的未打磨表面的平均粗糙度。
2.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中所述底面皮層表面孔隙率至少低于頂面表面孔隙率25％。
3.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中所述多孔底物的平均孔尺寸在約1微米至約1000微米之間。
4.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中所述多孔底物的平均孔尺寸在約1微米至約150微米之間。
5.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中所述多孔底物的平均孔尺寸在約5微米至約35微米之間。
6.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中該拋光墊的密度為0.50至0.95克/毫升。
7.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中該拋光墊的孔容為15至70％。
8.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中該拋光墊的未打磨頂表面平均粗糙度為4至50微米。
9.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中該拋光墊的壓縮模量為250至11000磅/平方英寸及峰值應(yīng)力為500至2500磅/平方英寸。
10.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中頂表面是打磨過的。
11.按照權(quán)利要求10的拋光墊底物，其中打磨后的頂表面平均粗糙度為1至15微米。
12.按照權(quán)利要求1的拋光墊，其中所述熱塑性樹脂為聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龍、碳氟烴、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯，及共聚物和其混合物。
13.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中所述熱塑性樹脂是聚氨酯樹脂。
14.按照權(quán)利要求1的拋光墊底物，其中所述墊具有至少一種選自通道、孔眼、溝槽、紋道及邊緣形狀的肉眼可見的特征。
15.一種拋光墊底物，具有基本如圖10所示的橫截面。
16.一種拋光墊底物，具有基本如圖11所示的橫截面。
17.一種燒結(jié)的聚氨酯樹脂拋光墊底物，具有頂面、包括皮層的底面，其中所述底物厚度為30-125密爾，密度0.60-0.95克/毫升，孔容15-70％、頂面平均粗糙度4-50微米、和底面皮層平均粗糙度在20微米以下，以及其中底面皮層的表面平均粗糙度低于頂面表面平均粗糙度。
18.按照權(quán)利要求17的燒結(jié)聚氨酯樹脂的拋光墊，其中底面皮層的表面孔隙率低于頂面的表面孔隙率至少25％。
19.一種燒結(jié)的聚氨酯樹脂拋光墊底物，具有頂面、包括皮層的底面，其中所述底物厚度為30-70密爾，密度0.70-0.90克/毫升，孔容25-50％、頂面平均粗糙度4-20微米和底面皮層平均粗糙度在10微米以下，以及其中底面皮層的表面平均粗糙度低于頂面表面平均粗糙度。
20.按照權(quán)利要求19的燒結(jié)聚氨酯樹脂的拋光墊，其中底面皮層的表面孔隙率低于頂面的表面孔隙率至少50％。
21.一種拋光墊包括a、還包括熱塑性樹脂燒結(jié)顆粒的拋光墊底物，其中所述拋光墊底物具有頂面和包括皮層的底面，其中該墊頂表面未打磨表面的平均粗糙度高于墊底面未打磨表面的平均粗糙度，b、一種背襯板；及c、一種位于背襯板及底面皮層間的粘結(jié)劑。
22.按照權(quán)利要求21的拋光墊，包括至少一種選自通道、孔眼、溝槽、紋道及邊緣形狀的肉眼可見的特征。
23.按照權(quán)利要求21的拋光墊底物，其中底皮面的表面孔隙率至少低于頂面表面孔隙率的25％。
24.按照權(quán)利要求21的拋光墊底物，其中該拋光墊的密度為0.50至0.95克/毫升。
25.按照權(quán)利要求21的拋光墊底物，其中該拋光墊的孔容為15至70％。
26.按照權(quán)利要求21的拋光墊底物，其中頂表面是經(jīng)打磨過的。
27.按照權(quán)利要求26的拋光墊底物，其中打磨后的頂表面的平均粗糙度為1至15微米。
28.按照權(quán)利要求21的拋光墊，其中所述熱塑性樹脂為聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龍、碳氟烴、聚碳酸酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯，及共聚物和其混合物。
29.按照權(quán)利要求21的拋光墊底物，其中所述熱塑性樹脂為聚氨酯樹脂。
30.一種拋光墊，包括a、一種燒結(jié)的聚氨酯樹脂的拋光墊底物，具有頂面、包括皮層的底面，其中所述底物厚度為30-125密爾，密度0.60-0.95克/毫升，孔容15-70％、頂面平均粗糙度4-50微米和底面皮層的平均粗糙度在20微米以下，以及其中底面皮層的表面平均粗糙度低于頂面表面的平均粗糙度。b、一種背襯板；及c、一種位于背襯板及底面皮層間的粘結(jié)劑。
全文摘要
一種用于拋光半導(dǎo)體芯片的拋光墊,包括一種含燒結(jié)樹脂顆粒的開孔多孔底物。該多孔底物屬于一種均勻、連續(xù)及彎曲的互連毛細(xì)路徑的網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號B24B41/047GK1258241SQ9880558
公開日2000年6月28日 申請日期1998年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月18日
發(fā)明者羅蘭·K·塞維拉, 弗蘭克·B·考夫曼, 斯里拉姆·P·安卓 申請人:卡伯特公司