化学机械抛光之抛光垫表面沟槽形状的研究与分析

李春宇

(国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心,河南郑州 450000)

化学机械抛光之抛光垫表面沟槽形状的研究与分析

李春宇

(国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心,河南郑州 450000)

在化学机械抛光过程中,抛光垫表面沟槽形状是决定抛光垫性能的重要影响因素之一,它会直接影响抛光效果。在分析几种常规抛光垫表面沟槽结构形状的特性的基础上,介绍了新型抛光垫沟槽的研究进展,分析了几种新型抛光垫表面沟槽对抛光效果的影响,为化学机械抛光用的抛光垫表面沟槽特性的深入研究与分析提供参考。

化学机械抛光 抛光垫 表面沟槽

在CMP过程中,抛光垫具有以下作用:(1)能储存抛光液,并把它输送到工件的整个加工区域,使抛光均匀的进行;(2)从加工表面带走抛光过程中的残留物质;(3)传递和承载加工去除过程中所需的机械载荷。这些影响因素中,抛光垫的表面沟槽形状及尺寸是抛光垫性能的关键参数之一,它直接影响到抛光区域抛光液的运送及均匀分布、化学反应速率、反应产物及其浓度,材料去除速率会产生重要影响,是改变抛光垫性能的重要途径。国内外学者对抛光垫的性能及其影响因素开展了大量研究,近年来,抛光垫表面特性对化学机械抛光过程的影响越来越受研究者的广泛关注。国内,广东工业大学和大连理工大学做过相关研究;国外,美国ROHMamp;HAAS ELECTRONIC MATERIALS CMP公司、韩国株式会社SKC和JSR株式会社做过相关研究并申请了多项专利,如提高抛光液利用率的带沟槽化学机械抛光垫、具有不均匀间隔沟槽的化学机械抛光垫、促进混合尾迹的待沟槽化学机械抛光垫等专利。本文介绍了化学机械抛光垫表面沟槽的基本形状及其对抛光效果的影响,通过总结国内外众多的研究成果和专利,介绍了不同复合形状的表面沟槽及其对抛光效果的影响。

1 几种常见的抛光垫表面沟槽的结构

抛光垫不同的沟槽表面形状对抛光垫性能及抛光效果产生不同影响。常见的抛光垫沟槽表面的形状有:圆环状、栅格状、正负螺旋对数状、放射状及渐开线状。从抛光垫沟槽表面结构形状来看,表面圆环状的沟槽单个圆环封闭,当沟槽达到一定深度时,可以存储大量的抛光液。渐开线状与正、负螺旋对数状沟槽相类似,它们均能够延长抛光液流动路线和存留时间,当抛光垫以较低速度旋转时,沟槽可以存储一定的抛光液。网格状沟槽不具有封闭结构,抛光液以各种长度路线从抛光垫上流出,存储的抛光液较少。放射线状沟槽为抛光液的外流提供了最短的路径,使其在抛光垫旋转的离心力作用快速到达抛光垫周边,以降低抛光液利用率。因此,使用渐开线状沟槽的抛光垫进行抛光时,得到的材料去除率和工件表面抛光质量较好。

2 抛光垫表面开沟槽对抛光效果的影响

2.1 沟槽对抛光效果的影响

在CMP中,由于抛光垫和工件表面属于粗糙表面,两者不可能完全接触,因此存在一定的间隙,具有形成动压液膜所必须的楔形间隙。当在抛光垫的表面上开设沟槽时,可有效改善抛光压力分布的均匀度,有利的了提高加工质量。随着抛光盘转速的不断提高,具有沟槽表面的抛光垫在材料去除率方面的优势更加显著,原因是采用有沟槽抛光垫时随着抛光盘转速的不断增大,在晶片与抛光垫之间更容易形成流体膜,存储和输送抛光液的能力得到提高,从而使得抛光效率的提高。

2.2 抛光垫沟槽复合表面结构

沟槽在实际应用中往往不是单一一种基本形状应用,而是两种或者多种基本形状的复合应用,或者是在基本形状的基础上进行改进而成,与沟槽基本形状相互搭配,改善抛光效果,满足设计、生产的实际要求。这种复合形状的沟槽往往会对化学机械抛光效果带来全新而复杂的影响。为了便于研究与分析,主要针对不同表面沟槽抛光垫重要专利出现的年代进行系统性梳理,简要概括该技术的发展路线:(1)简单的孔和槽相结合,出现于1995年,申请人为日本电气株式会社,代表专利为JPH09117855,在用于抛光薄片的抛光垫的硬质层表面设置多个孔和位于抛光垫表面上设置多条槽,由于形成的槽是用于使抛光垫和薄片之间不产生负压的,所以槽间距制成比孔间距大几倍的形式,该结构抛光垫,可减少抛光剂用量,并能减弱抛光垫和半导体片之间的紧密密封,减小半导体片边缘部分的超量负载。(2)具有延长槽,出现于2000年,申请人为国际商业机器公司,代表专利为US6656019,抛光垫具有抛光表面和位于抛光表面的一个开槽部分中的延长的槽。该结构抛光垫,其柔韧性好,能够在高质量晶片上确保形成均匀抛光的表面。(3)多个同心圆排列的孔、槽或它们的组合,出现于2001年,申请人为株式会社SKC,代表专利为KR100646702,抛光垫的表面具有多个同心圆排列的孔、槽或它们的组合,各同心圆彼此非均匀地间隔开,相邻同心圆的间距从抛光垫的中心到边缘逐渐减小。(4)具有多个不同直径的波形同心槽,出现于2001年,申请人为株式会社SKC,代表专利为KR20030015567,抛光垫的表面上具有多个不同直径的波形同心槽,各槽具有实际需要的深度、宽度和形状。解决化学机械抛光中传统的抛光垫不能有效控制膏剂的流动和分布,造成中心与周缘部分之间的抛光率差相差很大的问题,提供一种抛光垫,可使抛光晶片得到改进的平面化效果。(5)具有至少一种环状、格状和螺旋状的沟或槽,出现于2003年,申请人为JSR株式会社,代表专利为KR20030094084,该抛光垫具有在抛光面侧形成的、且从呈环状、格状和螺旋状中选出至少一种形状的沟(a)、凹部(b)和贯穿抛光垫表里的通孔(c)中的至少一个部位,该部位内表面的表面粗糙度(Ra)处于20μ m以下,用于化学机械抛光。该结构的抛光垫具有可获得平坦性优良的抛光面,抛光效率高,可充分保持浆液,抛光速度大,抛光垫不易变形等优点。在传统的抛光垫上,沟槽的间隔往往是均匀的,无法控制上述两种因素的影响,使得晶片中心处抛光率下降,降低了晶片的平面化程度。为了解决这一问题韩国株式会社SKC于2001年申请了KR 20030015567专利,发明了一种复合形状沟槽,其在抛光过程中能有效控制抛光液流动,使抛光液均匀分布,保证抛光率的稳定性,提高晶片的平面化程度。与常规的同心圆状表面沟槽相比,该波形状沟槽延长了抛光液在抛光过程中的流动路线,减小了抛光液的排出速率,并有效的控制了抛光液的流动性,将抛光液均匀地分布在抛光垫上,从而保证了硅片的平面化程度。目前,应用此类技术的发明如US6783436,US7131895,US7267610等。

3 结语

抛光垫的沟槽对于抛光垫的性能有很大影响。通过系统化分析化学机械抛光垫沟槽的专利申请的集中度,可以发现化学机械抛光垫沟槽形状正在呈现形状复杂化,功能多样化的发展趋势。其中,关于提高抛光液利用率的专利最多,该技术可明显降低加工成本,应用范围广。抛光垫表面开沟槽可以很大程度上提高抛光垫品质,改善抛光垫的抛光效果。而渐开线沟槽作为一种新型的沟槽改善了传统沟槽的性能,取得了更好的抛光效果。因此,抛光垫表面沟槽的参数(包括形状、尺寸和螺旋方向等)与抛光工艺条件的综合作用,均会对抛光效果有较大影响。因此,在抛光垫的制备、选用及修整过程中应综合考虑沟槽形状及尺寸等多因素的影响,从而达到优化抛光垫性能、改善抛光效果的目的。