化學(xué)機(jī)械拋光之拋光墊表面溝槽形狀的研究與分析

李春宇

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心,河南鄭州 450000)

化學(xué)機(jī)械拋光之拋光墊表面溝槽形狀的研究與分析

李春宇

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心,河南鄭州 450000)

在化學(xué)機(jī)械拋光過程中,拋光墊表面溝槽形狀是決定拋光墊性能的重要影響因素之一,它會直接影響拋光效果。在分析幾種常規(guī)拋光墊表面溝槽結(jié)構(gòu)形狀的特性的基礎(chǔ)上,介紹了新型拋光墊溝槽的研究進(jìn)展,分析了幾種新型拋光墊表面溝槽對拋光效果的影響,為化學(xué)機(jī)械拋光用的拋光墊表面溝槽特性的深入研究與分析提供參考。

化學(xué)機(jī)械拋光 拋光墊 表面溝槽

在CMP過程中,拋光墊具有以下作用:(1)能儲存拋光液,并把它輸送到工件的整個加工區(qū)域,使拋光均勻的進(jìn)行;(2)從加工表面帶走拋光過程中的殘留物質(zhì);(3)傳遞和承載加工去除過程中所需的機(jī)械載荷。這些影響因素中,拋光墊的表面溝槽形狀及尺寸是拋光墊性能的關(guān)鍵參數(shù)之一,它直接影響到拋光區(qū)域拋光液的運(yùn)送及均勻分布、化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)產(chǎn)物及其濃度,材料去除速率會產(chǎn)生重要影響,是改變拋光墊性能的重要途徑。國內(nèi)外學(xué)者對拋光墊的性能及其影響因素開展了大量研究,近年來,拋光墊表面特性對化學(xué)機(jī)械拋光過程的影響越來越受研究者的廣泛關(guān)注。國內(nèi),廣東工業(yè)大學(xué)和大連理工大學(xué)做過相關(guān)研究;國外,美國ROHMamp;HAAS ELECTRONIC MATERIALS CMP公司、韓國株式會社SKC和JSR株式會社做過相關(guān)研究并申請了多項(xiàng)專利,如提高拋光液利用率的帶溝槽化學(xué)機(jī)械拋光墊、具有不均勻間隔溝槽的化學(xué)機(jī)械拋光墊、促進(jìn)混合尾跡的待溝槽化學(xué)機(jī)械拋光墊等專利。本文介紹了化學(xué)機(jī)械拋光墊表面溝槽的基本形狀及其對拋光效果的影響,通過總結(jié)國內(nèi)外眾多的研究成果和專利,介紹了不同復(fù)合形狀的表面溝槽及其對拋光效果的影響。

1 幾種常見的拋光墊表面溝槽的結(jié)構(gòu)

拋光墊不同的溝槽表面形狀對拋光墊性能及拋光效果產(chǎn)生不同影響。常見的拋光墊溝槽表面的形狀有:圓環(huán)狀、柵格狀、正負(fù)螺旋對數(shù)狀、放射狀及漸開線狀。從拋光墊溝槽表面結(jié)構(gòu)形狀來看,表面圓環(huán)狀的溝槽單個圓環(huán)封閉,當(dāng)溝槽達(dá)到一定深度時,可以存儲大量的拋光液。漸開線狀與正、負(fù)螺旋對數(shù)狀溝槽相類似,它們均能夠延長拋光液流動路線和存留時間,當(dāng)拋光墊以較低速度旋轉(zhuǎn)時,溝槽可以存儲一定的拋光液。網(wǎng)格狀溝槽不具有封閉結(jié)構(gòu),拋光液以各種長度路線從拋光墊上流出,存儲的拋光液較少。放射線狀溝槽為拋光液的外流提供了最短的路徑,使其在拋光墊旋轉(zhuǎn)的離心力作用快速到達(dá)拋光墊周邊,以降低拋光液利用率。因此,使用漸開線狀溝槽的拋光墊進(jìn)行拋光時,得到的材料去除率和工件表面拋光質(zhì)量較好。

2 拋光墊表面開溝槽對拋光效果的影響

2.1 溝槽對拋光效果的影響

在CMP中,由于拋光墊和工件表面屬于粗糙表面,兩者不可能完全接觸,因此存在一定的間隙,具有形成動壓液膜所必須的楔形間隙。當(dāng)在拋光墊的表面上開設(shè)溝槽時,可有效改善拋光壓力分布的均勻度,有利的了提高加工質(zhì)量。隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的不斷提高,具有溝槽表面的拋光墊在材料去除率方面的優(yōu)勢更加顯著,原因是采用有溝槽拋光墊時隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的不斷增大,在晶片與拋光墊之間更容易形成流體膜,存儲和輸送拋光液的能力得到提高,從而使得拋光效率的提高。

2.2 拋光墊溝槽復(fù)合表面結(jié)構(gòu)

溝槽在實(shí)際應(yīng)用中往往不是單一一種基本形狀應(yīng)用,而是兩種或者多種基本形狀的復(fù)合應(yīng)用,或者是在基本形狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而成,與溝槽基本形狀相互搭配,改善拋光效果,滿足設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的實(shí)際要求。這種復(fù)合形狀的溝槽往往會對化學(xué)機(jī)械拋光效果帶來全新而復(fù)雜的影響。為了便于研究與分析,主要針對不同表面溝槽拋光墊重要專利出現(xiàn)的年代進(jìn)行系統(tǒng)性梳理,簡要概括該技術(shù)的發(fā)展路線:(1)簡單的孔和槽相結(jié)合,出現(xiàn)于1995年,申請人為日本電氣株式會社,代表專利為JPH09117855,在用于拋光薄片的拋光墊的硬質(zhì)層表面設(shè)置多個孔和位于拋光墊表面上設(shè)置多條槽,由于形成的槽是用于使拋光墊和薄片之間不產(chǎn)生負(fù)壓的,所以槽間距制成比孔間距大幾倍的形式,該結(jié)構(gòu)拋光墊,可減少拋光劑用量,并能減弱拋光墊和半導(dǎo)體片之間的緊密密封,減小半導(dǎo)體片邊緣部分的超量負(fù)載。(2)具有延長槽,出現(xiàn)于2000年,申請人為國際商業(yè)機(jī)器公司,代表專利為US6656019,拋光墊具有拋光表面和位于拋光表面的一個開槽部分中的延長的槽。該結(jié)構(gòu)拋光墊,其柔韌性好,能夠在高質(zhì)量晶片上確保形成均勻拋光的表面。(3)多個同心圓排列的孔、槽或它們的組合,出現(xiàn)于2001年,申請人為株式會社SKC,代表專利為KR100646702,拋光墊的表面具有多個同心圓排列的孔、槽或它們的組合,各同心圓彼此非均勻地間隔開,相鄰?fù)膱A的間距從拋光墊的中心到邊緣逐漸減小。(4)具有多個不同直徑的波形同心槽,出現(xiàn)于2001年,申請人為株式會社SKC,代表專利為KR20030015567,拋光墊的表面上具有多個不同直徑的波形同心槽,各槽具有實(shí)際需要的深度、寬度和形狀。解決化學(xué)機(jī)械拋光中傳統(tǒng)的拋光墊不能有效控制膏劑的流動和分布,造成中心與周緣部分之間的拋光率差相差很大的問題,提供一種拋光墊,可使拋光晶片得到改進(jìn)的平面化效果。(5)具有至少一種環(huán)狀、格狀和螺旋狀的溝或槽,出現(xiàn)于2003年,申請人為JSR株式會社,代表專利為KR20030094084,該拋光墊具有在拋光面?zhèn)刃纬傻?、且從呈環(huán)狀、格狀和螺旋狀中選出至少一種形狀的溝(a)、凹部(b)和貫穿拋光墊表里的通孔(c)中的至少一個部位,該部位內(nèi)表面的表面粗糙度(Ra)處于20μ m以下,用于化學(xué)機(jī)械拋光。該結(jié)構(gòu)的拋光墊具有可獲得平坦性優(yōu)良的拋光面,拋光效率高,可充分保持漿液,拋光速度大,拋光墊不易變形等優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)的拋光墊上,溝槽的間隔往往是均勻的,無法控制上述兩種因素的影響,使得晶片中心處拋光率下降,降低了晶片的平面化程度。為了解決這一問題韓國株式會社SKC于2001年申請了KR 20030015567專利,發(fā)明了一種復(fù)合形狀溝槽,其在拋光過程中能有效控制拋光液流動,使拋光液均勻分布,保證拋光率的穩(wěn)定性,提高晶片的平面化程度。與常規(guī)的同心圓狀表面溝槽相比,該波形狀溝槽延長了拋光液在拋光過程中的流動路線,減小了拋光液的排出速率,并有效的控制了拋光液的流動性,將拋光液均勻地分布在拋光墊上,從而保證了硅片的平面化程度。目前,應(yīng)用此類技術(shù)的發(fā)明如US6783436,US7131895,US7267610等。

3 結(jié)語

拋光墊的溝槽對于拋光墊的性能有很大影響。通過系統(tǒng)化分析化學(xué)機(jī)械拋光墊溝槽的專利申請的集中度,可以發(fā)現(xiàn)化學(xué)機(jī)械拋光墊溝槽形狀正在呈現(xiàn)形狀復(fù)雜化,功能多樣化的發(fā)展趨勢。其中,關(guān)于提高拋光液利用率的專利最多,該技術(shù)可明顯降低加工成本,應(yīng)用范圍廣。拋光墊表面開溝槽可以很大程度上提高拋光墊品質(zhì),改善拋光墊的拋光效果。而漸開線溝槽作為一種新型的溝槽改善了傳統(tǒng)溝槽的性能,取得了更好的拋光效果。因此,拋光墊表面溝槽的參數(shù)(包括形狀、尺寸和螺旋方向等)與拋光工藝條件的綜合作用,均會對拋光效果有較大影響。因此,在拋光墊的制備、選用及修整過程中應(yīng)綜合考慮溝槽形狀及尺寸等多因素的影響,從而達(dá)到優(yōu)化拋光墊性能、改善拋光效果的目的。