具有不均匀间隔的凹槽的化学机械抛光垫

摘要

一种具有圆形抛光轨迹(124)和同心中心(116)的化学机械抛光垫(100)。所述抛光垫(100)具有抛光层(104)，该抛光层(104)具有凹槽图案，所述凹槽图案包括多个凹槽(128)，每个凹槽(128)各自延伸穿过所述抛光轨迹(124)。所述多个凹槽具有沿着围绕所述抛光垫(100)的同心中心(116)的圆周方向变化的角节距，所述晶片轨迹(124)内所有相邻凹槽(128)之间的径向节距是不相等的。

说明书

技术领域

本发明一般涉及化学机械抛光(CMP)领域。具体来说，本发明涉及具有不均匀间隔的凹槽的CMP垫。

背景技术

在集成电路和其他电子器件的制造中，在半导体晶片的表面上沉积多层导电材料、半导体材料和介电材料，或者将多层导电材料、半导体材料和介电材料从半导体晶片的表面上蚀刻除去。这些材料的薄层可通过许多种沉积技术沉积。现代晶片处理中常规的沉积技术包括物理气相沉积(PVD，也称为溅射)、化学气相沉积(CVD)、等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)和电化学镀敷(ECP)。常规的蚀刻技术包括湿法和干法的各向同性蚀刻和各向异性蚀刻等。

随着材料层按照顺序被沉积和蚀刻，晶片的表面变得不平坦。由于随后的半导体加工(例如光刻)要求该晶片具有平坦表面，所以需要对晶片周期性地进行平面化。平面化可用于除去不希望有的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面、成团材料、晶格损坏、划痕和被污染的层或材料。

化学机械平面化，即化学机械抛光(CMP)是一种用来对半导体晶片和其它工件进行平面化的常规技术。在使用双轴旋转抛光机的常规CMP中，在支架组件上安装有晶片支架或抛光头。所述抛光头固定着晶片，使晶片定位在与抛光机中抛光垫的抛光层相接触的位置。所述抛光垫的直径大于被平面化晶片的直径的两倍。在抛光过程中，抛光垫和晶片各自围绕其中心旋转，同时使晶片与抛光层相接触。所述晶片的旋转轴通常相对于抛光垫的旋转轴偏移一段大于晶片半径的距离，使得抛光垫的旋转在抛光垫的抛光层上扫出一个环形的“晶片轨迹”。当晶片仅进行旋转运动的时候，所述晶片轨迹的宽度通常等于晶片的直径。但是在一些双轴抛光机中，所述晶片在垂直于其旋转轴的平面内进行振动。在此情况下，晶片轨迹的宽度比晶片直径宽，所宽出的程度取决于振动造成的位移。所述支架组件在所述晶片和抛光垫之间提供了可控的压力。在抛光过程中，浆液或其它抛光介质流到抛光垫上，流入晶片和抛光层之间的间隙，。通过抛光层和表面上的抛光介质对晶片表面的化学作用和机械作用，晶片表面得到抛光并变平。

人们对CMP过程中抛光层、抛光介质和晶片表面之间相互作用的研究越来越多，以便使得抛光垫的设计最优化。这些年来，大部分的抛光垫开发本身是经验性的。许多抛光面或抛光层的设计将注意力集中在为这些层提供各种孔穴图案和凹槽排列，并声称这些设计能够提高浆液利用率和抛光的均匀性。这些年来，人们使用了许多种不同的凹槽和孔穴的图案和排列。现有技术的凹槽图案包括辐射形、同心圆形、笛卡尔格栅形和螺旋形图案等。现有技术的凹槽构型包括所有凹槽的宽度和深度均一的构型，以及凹槽的宽度和深度相互间发生变化的构型。

更具体来说，现有技术中大量用于旋转抛光垫的凹槽图案包括从抛光垫同心中心附近或同心中心处延伸到抛光垫外部周边处或其附近的位置的凹槽。径向凹槽和螺旋凹槽的这些图案的例子见述于Muldowney的美国专利第6783436号。在Muldowney的专利中描述的所有这些径向图案和螺旋图案在围绕各抛光垫的方向上具有固定的角节距，这样的凹槽图案通常都是这种情况。Muldowney的专利还显示了具有笛卡尔栅格图案和同心圆凹槽图案的抛光垫。这两种图案中的凹槽都具有固定的间隔，即相邻凹槽的间距是相同的。Bennrtt等人的美国专利第5984769号在一个例子中揭示了一种具有同心圆排列的凹槽的抛光垫，其中凹槽的节距随着凹槽在抛光垫上的位置而变化。在另一个例子中，Bennett等人的专利揭示了一种抛光垫，其中单螺旋凹槽的相邻弧段之间的节距随着该凹槽在抛光垫上的位置而变化。

尽管现有技术包括具有许多种凹槽图案的抛光垫，但是这些凹槽图案的效果随着图案的不同以及抛光方法的不同而变化。抛光垫设计者仍在持续地探索使抛光垫比现有的抛光垫更高效、更有用的凹槽图案。

发明内容

在本发明的一个方面，抛光垫包括：设计用来在抛光介质的存在下对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光的抛光层，所述抛光层包括抛光面，该抛光面具有同心中心，在抛光晶片的过程中在其上限定出的晶片轨迹，以及外部周边，所述晶片轨迹具有内部边界和与所述内部边界间隔开的外部边界；位于所述抛光面中的多个凹槽，所述多个凹槽中的各个凹槽延伸穿过所述晶片轨迹，从而与内部边界和外部边界相交叉，所述多个凹槽的角节距以预定的方式变化，对于晶片轨迹中所有相邻的凹槽，沿着从同心中心到外部周边的径向方向测量的凹槽之间的径向节距是不相等的；还包括位于所述晶片轨迹中的大量凹槽组，所述大量凹槽组各自由大量的凹槽形成。

在本发明的另一个方面中，抛光垫包括：设计用来在抛光介质的存在下对磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种进行抛光的抛光层，所述抛光层包括抛光面，该抛光面具有同心中心，在抛光晶片的过程中在其上形成的晶片轨迹，以及外部周边，所述晶片轨迹具有内部边界和与所述内部边界间隔开的外部边界；位于所述抛光面中的多个凹槽，所述多个凹槽中的各个凹槽延伸穿过所述晶片轨迹，从而与内部边界和外部边界相交叉，所述多个凹槽的角节距以预定的方式变化，对于晶片轨迹中所有相邻的凹槽，沿着从同心中心到外部周边的径向方向测量的凹槽之间的径向节距是不相等的；还包括位于所述晶片轨迹中的大量凹槽组，所述凹槽组中的各个组由至少三个凹槽形成，所述晶片轨迹包括至少三个凹槽组。

附图说明

图1是根据本发明制造的抛光垫的平面图。

图2是沿图1中的直线2-2得到的图1所示抛光垫的放大截面图。

图3是图1所示抛光垫的放大平面图，图中显示了抛光垫的中心部分。

图4是根据本发明制造的另一种抛光垫的平面图。

图5是图4所示抛光垫的放大平面图，图中显示了抛光垫的中心部分。

图6是根据本发明制造的另一种抛光垫的平面图。

图7是图6所示抛光垫的放大平面图，图中显示了抛光垫的中心部分。

图8是根据本发明制造的另一种抛光垫的平面图。

图9是图8所示抛光垫的放大平面图，图中显示了抛光垫的中心部分。

图10是根据本发明的抛光系统的示意图。

具体实施方式

参见附图，图1-3显示了根据本发明制造的抛光垫100，如在下文中将更详细地描述的，它可用于CMP抛光机。从图2可以看出，抛光垫100包括抛光层104，抛光层104具有抛光面108。抛光层104可以受背衬层112支承，背衬层112可以与所述抛光层整体性地形成，或者可以独立于所述抛光层而单独形成。抛光层104可以由任意适于抛光以下被抛光制品的材料制造：例如半导体晶片114(如图所示)，磁性介质制品(例如计算机硬盘)，或者光学制品(例如折射透镜、反射透镜、平面反射器或透明的平面制品等)。用于抛光层104的材料的例子包括：例如但不限于各种聚合物塑料，例如聚氨酯、聚丁二烯、聚碳酸酯和聚丙烯酸甲酯等。

从图1可以看出，抛光垫100通常为圆盘形，使得抛光面108具有同心中心116和圆形外部周边120。在使用过程中，被抛光的制品(此处为晶片，如轮廓114所示)通常但不一定是半导体晶片，其在抛光面108上扫出圆形抛光(晶片)轨迹124。抛光轨迹124是在抛光过程中与被抛光的制品相接触的抛光面部分。抛光轨迹124通常由内部边界124A和外部边界124B所限定。本领域技术人员可以很容易地理解，晶片轨迹124的内部边界124A和外部边界124B大体为圆形，但是当所述抛光机使得被抛光制品和/或抛光垫100发生轨道运动或振动的时候，晶片轨迹124可能是波动的。

参见图1-3，抛光垫包括形成于抛光层104中的多个凹槽128，以形成凹槽图案132。各凹槽128实际上可具有任意所需的截面形状和截面尺寸，以适应一组特定的设计标准。因此，如图2中具体显示的，凹槽128的矩形截面形状以及相对截面尺寸仅仅是说明性的。本领域技术人员应当理解，设计者可以为本发明的抛光垫(例如抛光垫100)的凹槽128提供宽范围的形状和尺寸。本领域技术人员应当很容易理解，凹槽128的横截面形状和尺寸可以沿凹槽的长度变化，或者在各凹槽之间变化，或者两种情况皆有。

各凹槽128延伸通过抛光轨迹124，与内部边界124A和外部边界124B相交。在所示的实施方式中，各凹槽128从同心中心116附近的点一路延伸到抛光面108的外部周边120。当然，本领域技术人员能够理解，图中显示的凹槽128相对于同心中心116和外部周边120的范围仅仅是示例性而非限制性的。例如，部分或全部的凹槽128可以一路延伸到同心中心116，部分或全部的凹槽128可以终止于快到外部周边120的位置，具体设计可以具体调整。

在这些凹槽图案中，凹槽图案132的独特之处在于，凹槽128的角节距沿着围绕抛光面108的同心中心116的方向以预定的方式变化。在本文中和所附的权利要求书中，“角节距”定义为以同心中心116为同心中心的圆140上的一对紧邻凹槽128上类似的点(例如点136A-B)之间的距离，该距离用分别将点136A-B与同心中心116相连的两条直线144A-B之间的“节距角”来测量。通过预定的方式意味着节距的变化是有意识的设计选择的结果，而不是由于例如在设计或制造抛光垫100的过程中一个或多个凹槽128的制造不精密或错位而造成的。另外，所述晶片轨迹124中所有相邻的凹槽128之间的径向节距是不相等的。“径向节距”表示凹槽128上类似的特征(例如前侧壁到前侧壁)之间沿着从同心中心116到外部周边120的径向测量的间距。尽管这个概念是非常宽泛的，包括以下的凹槽图案，例如图案中的角节距似乎随机变化的情况、或者不存在两种相同变化的情况，但是在实施的时候，角节距的变化通常(但不一定)是重复的。

例如，从图1和图3可以看出，凹槽图案132由15条凹槽128形成，这些凹槽128为螺旋形，围绕同心中心116扫过抛光垫100的整个360°范围内，凹槽128的角节距以三种不同的节距角α、β和γ循环变化。各凹槽128的螺旋形状可以依照上面背景部分中讨论的Muldowney的专利所述来排布。尽管图中显示凹槽128为螺旋形，但是凹槽可具有其它的形状，例如图6和7中显示的径向-弯曲-径向分段形式以及图8和9中显示的径向-弯曲分段形式。

在图示实施方式中，对于图中的圆140的直径，α＝13°、β＝26°，γ＝39°。由于γ显著大于α和β，所以人们的感官上倾向于将15条凹槽128分成5组148，每组3条凹槽。当以这种方式将凹槽分成组148的时候，即根据所有重复节距角中最大的节距角(或者在仅有两种节距角的时候，由较大的节距角)划分各组的时候，可变的角节距包括一种或多种组内节距角(在此情况下为两种，节距角α和β)以及组间节距角(在此情况下为节距角γ)。在图中显示的实施方式中，5个组148的类似组内节距角α、β彼此相等；类似地，5次出现的组间节距角γ也是彼此相等的。应当注意，在另外的实施方式中不一定如此。也即是说，在组148内以及任意两个相邻的组之间，节距角α、β和γ中的任意一个或多个可以变化。通常，为了保持由3个凹槽128组成的组148在视觉上明显可分辨，仅需要节距角γ充分大于各节距角γ，使得每个组中的三个凹槽看上去在一组内。增大节距角γ还增大了径向节距或相邻凹槽128之间的间距。这种径向节距或间距的增大也可用来划分组148。

图4-9显示了根据上文中关于图1-3的抛光垫100讨论的基本原理制造的另外的抛光垫200、300、400。更具体来说，图4和5显示了抛光垫200，其包括抛光面204，抛光面204具有20条凹槽208，凹槽208的角节距在节距角α’＝14°和β’＝22°之间交替变化。这种变化的节距使得人们在观察的时候觉得具有10个凹槽208的组212，每个组包括两条凹槽，这些凹槽各自被组内节距角α’隔开。因此，包括两条这样的凹槽208的各个组212被组间节距角β’隔开。与图1-3的凹槽128相类似，图4和5中的凹槽208各自为螺旋形。图中未具体显示，各凹槽208在截面形状和尺寸方面也可以与图1-3的凹槽128类似。相对于图4和5中显示的抛光垫200，应当注意该抛光垫的实际样品与使用相同材料制造、但是凹槽图案具有固定角节距和径向节距的常规IC1010^TM抛光垫(购自美国亚利桑那州，菲尼克斯，Rohm and Haas Electronic Materials CMP Technologies)相比，前者的去除速率提高14％，缺陷减少54％。

尽管如上所述，图1-5中的抛光垫100、200包括螺旋形的凹槽128、208，但是本发明的抛光垫不一定要求具有螺旋凹槽。尽管在晶片轨迹中，各凹槽128、208具有固定的角节距，但是所述角节距可以在所述晶片轨迹中变化。图6-9显示了所述许多另外的螺旋凹槽中的两种。具体来说，图6和7显示了具有围绕抛光面312均匀分布的20对(组)304凹槽308的抛光垫300。在以抛光垫中心318为同心中心的圆316的位置，各凹槽对304内凹槽308之间的组内节距角α”约为5.3°，紧邻的凹槽对中紧邻凹槽之间的组间节距角β”约为12.7°。这些节距角α”、β”绕圆316重复二十次，在20个凹槽308对304之间和之内提供均匀的间隔。

在此例子中，如图6所示，各凹槽308包括第一直径向段308A、第二直径向段308C以及通过相应的过渡点308D-E与所述各第一和第二径向段相连的螺旋段308B。各凹槽308延伸通过晶片轨迹320，穿过晶片轨迹各内部边界和外部边界320A-B。

图8和9显示了根据本说明书制造的另一种抛光垫400。抛光垫400大体上与图6和7所示抛光垫300相类似，其类似之处在于，凹槽404交替地被组内节距角α”’(图9)和组间节距角β’’’所分隔，这些节距角绕抛光垫400重复15次，从而在视觉上将其分为15对(组)408凹槽404。在此实施方式中，各凹槽404包括直径向段404A和螺旋段404B，它们通过过渡段404C连接起来，组内节距角α”’约为9°，组间节距角β”’约为15°。

图10显示了适于使用抛光垫504来抛光制品(例如晶片508)的抛光机500，所述抛光垫504可以是图1-9中的抛光垫100、200、300、400中的一种，或者是根据本发明制造的其它抛光垫。抛光机500可包括平台512，抛光垫504安装在其上。可通过平台驱动器(未显示)使所述平台绕旋转轴A1旋转。抛光机500还包括晶片支架520，该支架520可围绕旋转轴A2旋转，该旋转轴A2与平台512的旋转轴A1平行，并与之间隔开，在抛光过程中支承晶片508。晶片支架520可以具有万向连接件(未显示)，允许晶片508极轻微地不平行于抛光垫504的抛光面524，其中旋转轴A1、A2可以互相略微倾斜。晶片508包括抛光的表面528，其朝向抛光面524，在抛光过程中被平面化。晶片支架520可以由支架支承组件(未显示)支承，所述组件适于使晶片508旋转，提供向下的作用力F，将抛光的表面524压向抛光垫504，使得在抛光过程中，抛光的表面和抛光垫之间存在所需的压力。抛光机500还可包括抛光介质入口532，用来向抛光面524输送抛光介质536。

本领域技术人员能够理解，抛光机500可包括其它的部件(未显示)，例如系统控制器、抛光介质存储和分配系统、加热系统、淋洗系统、以及用来控制抛光过程各个方面的各种控制器，例如：(1)用于控制晶片508和抛光垫504转速中一种或两种的速度控制器和选择器；(2)用来改变向抛光垫输送抛光介质536的速率和位置的控制器和选择器；(3)用来控制施加在晶片和抛光垫之间的作用力大小的控制器和选择器，(4)用来控制晶片旋转轴A2相对于抛光垫旋转轴A1的位置的控制器、致动器和选择器，等等。本领域技术人员应当理解如何构建和使用这些部件，因此无需详细描述，本领域技术人员便可理解和实施本发明。

在抛光过程中，抛光垫504和晶片508围绕其各自的旋转轴A1、A2旋转，从抛光介质进口将抛光介质536分配在旋转的抛光垫上。抛光介质536在抛光面524上展开，包括铺展在晶片508和抛光垫504下的间隙内。抛光点504和晶片508通常(但不一定)在0.1-150rpm的选定速度下旋转。选定的作用力F的大小通常(但不一定)在晶片508和抛光垫504之间引发所需的0.1-15psi(6.9-103千帕)的压力。

相对于具有相同尺寸、但是凹槽等间隔的抛光垫相比，所述具有变化的角节距和沿径向间隔不相等的多个凹槽可用来提高抛光去除速率。另外，在晶片轨迹内以一系列重复的凹槽组的形式重复这些凹槽，可以促进晶片内的抛光均匀性。较佳的是，所述晶片轨迹包括至少3组凹槽，这些凹槽组中的凹槽具有变化的径向节距。