CN1258241A - 用于半导体底物的抛光垫 - Google Patents

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Abstract

一种用于抛光半导体芯片的抛光垫,包括一种含烧结树脂颗粒的开孔多孔底物。该多孔底物属于一种均匀、连续及弯曲的互连毛细路径的网络。

Description

用于半导体底物的抛光垫
发明背景
1、发明领域
本发明涉及一种抛光垫，用于半导体底物、芯片、冶金样品、存储盘表面、光学元件、物镜、芯片罩等的研磨、搭接、成形及抛光。更具体地说，本发明涉及用于半导体底物化学机械抛光的抛光垫及其应用方法。
2、相关技术的讨论
半导体芯片一般包括其上已经形成了许多集成线路的底物，诸如砷化硅或镓的芯片。化学和物理上采用在底物某些区域和底物某些层面上绘制图纹的方法，将集成线路组合至底物中。这些层面一般用各种具有导体、绝缘或半导体性质的材料所构成。为使元件收率高，关键在于要从平面半导体芯片开始，因此常常必须抛光半导体芯片。如果元件生产工艺步骤是在非平面的芯片表面上进行的，就会产生各种问题，导致许多无法使用的元件。例如，在现代半导体集成线路的生产中，必须在先已形成的结构上再构成导电线路或类似结构。但是，先已形成的表面常常留下芯片很不规则、凸起、不均隆起区、凹陷、沟槽、或其它表面不规则的类型相似的顶面图案。这样表面的总平面化程度必须保证在光刻法中有足够的聚焦深度，以及消除在生产过程后续阶段中的任何不规则性和表面残缺处。
虽然，已有几种方法可保证芯片表面平整度，但采用化学机械的平整工艺或抛光技术，已广泛应用于在元件生产的各个阶段平整芯片表面，提高收率，改善性能和增强可靠性。一般，化学机械抛光“CMP”涉及用常规典型化学活性的抛光浆液饱和过的抛光垫在受控向下压力下芯片进行圆周运动。
用于抛光场合的典型抛光垫，诸如CMP，都是采用软和硬两种垫材料生产的，并可归为三类：浸渍聚合物织品、微孔薄膜及多孔聚合物泡沫体。例如，一种含有将聚氨酯树脂浸入聚酯无纺织品中的垫属于第一类。这样的垫，如图1及2中所示，一般生产方法采用制备连续卷筒或网的织品；聚合物浸渍织品，一般用聚氨酯；固化该聚合物；和切割、切片及打磨该垫至所需厚度及周边尺寸。
第二类抛光垫，如图3及4所示，由涂敷在基础材料上的微孔聚氨酯薄膜所组成，该基础材料通常是一种经浸渍的第一类织品。这些孔隙薄膜是由一系列垂直取向的封闭的圆柱形孔所组成。
第三类抛光垫是闭孔聚合物泡沫体，具有全三维随机和均一分布的大量孔隙，这种垫的实例示于图5及6中。闭孔聚合物泡沫体的容积孔隙一般是不连续的，因此抑制大量浆液的传递。当浆液传递是所希望的时候，对垫进行人工构造纹理，使之具有通道、槽痕或穿孔，以改善抛光过程中的周边浆液传递。对三种主要抛光垫更为详尽的讨论，其优缺点，参见国际公开号WO 96/15887，其专利说明书在此引以参考。抛光垫的其它代表性的实例均描述于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，其专利说明书在此全文引入作为参考。
为使CMP及其它抛光技术达到有效平整，抛光表面上浆液的输送及分布显得重要。对于许多抛光过程，特别是对于那些在高速旋转或压力下的操作，通过抛光垫上浆液流量不适宜，会引起底物或制品抛光速率不匀及表面质量不佳，或抛光垫受损。为此，对改善浆液输送曾进行过各种努力。例如，在US 5,498,233中，考克(Cook)等人公开了采用大小液流通道，使浆液传送通过固体抛光垫的表面。在US 5,533,923中，沙莫廉(Shamouilian)等人公开了一种抛光垫，其上构造了包括一些使抛光浆液流动穿过至少部分抛光垫的渠道。同样，在US 5,554.064中，布雷沃基尔(Breivogel)等人披露一种抛光垫，内含彼此间隔的微孔，用以分布流过该垫表面的浆液。另一方面，在US 5,562,530中，阮讷尔(Runnel)等人披露一种强制脉冲系统，通过向下作用力将芯片固定在垫衬上，以周期地循环在最小值(即浆液流入芯片与垫片间的空间)和最大值(挤出浆液以便利用垫的研磨性冲刷芯片表面)之间。专利US 5,489,233、5,533,923，、5,554,064及5,562,530在此均引入作为参考。
尽管已知抛光垫适用于其预定目的，但仍然需要整个IC底物有效平整、质量提高了的抛光垫，尤其是对用于CMP方法中的抛光垫。此外，对抛光垫还有一种要求，提高抛光效率(即增加脱出速率)，改善浆液输送(即对整个垫在所有方向达到高效、均匀浆液渗透率)，改善对腐蚀刻蚀剂的耐受性，并在底物上定位均匀。对抛光垫还有一要求，即能够通过多垫调节法对抛光垫加以调节和在被迫替代之前能够多次再调节。
发明概述
本发明涉及一种抛光垫，包括一种烧结合成树脂颗粒的开孔孔隙性底物。此孔隙性底物的特征在于毛细路径均匀、连续和弯曲的互连网络。
本发明也涉及一种具有顶面及底面的抛光垫，它是开孔的，而且在底物表面上有一层皮层，但顶面却没有，其中全垫孔从顶面直至底面皮层均相互连接。
本发明也涉及一种在水、酸或碱存在下不膨胀的抛光垫，且其中可使垫顶表面易于润湿。
此外，本发明是一种底面基本上不渗透抛光浆液的抛光垫。
本发明抛光垫广泛用于各种抛光场合，尤其是化学机械抛光应用，并可提供划痕和缺陷极少的高效抛光。与传统抛光垫不同，本抛光垫可应用于各种抛光平台，保证可控浆液流动性，并提供可定量属性，直接影响抛光性能和控制特殊应用的半导体生产过程。
特别是，本发明抛光垫可在IC生产各个阶段结合传统抛光浆液及设备进行使用。这种垫提供了一种保持整个垫表面浆液流量均匀的方法。
在一个实施方案中，本发明是一种抛光垫底物。抛光垫底物包括热塑性树脂的烧结颗粒。此抛光垫底物具有顶面和底面皮层，而且垫顶未研磨表面的平均粗糙度高于垫皮层未研磨表面的平均粗糙度。
在另一个实施方案中，本发明为一种烧结聚氨酯树脂的抛光垫底物，包括顶面、具有皮层的底面，其厚度30至125密尔，密度0.60至0.95克/毫升，孔容15-70％，平均顶面粗糙度4-50微米，和底面皮层平均粗糙度在20微米以下，其中底面皮层的平均表面粗糙度低于顶面的平均表面粗糙度。
还有另一实施方案，本发明为一种抛光垫。此抛光垫包括一种抛光垫底物，该底物包括热塑性树脂烧结颗粒。该抛光垫底物具有顶面和底面皮层，而垫顶未打磨表面的平均表面粗糙度大于垫底未打磨表面的平均表面粗糙度。该抛光垫还包括底衬板(backing sheet)和在底衬板与底面皮层间的一种粘结剂。
附图简要说明
图1为已有技术浸渍市售聚合物浸渍的抛光垫的顶视扫描电镜图(SEM)，放大100倍；
图2为已有技术浸渍市售聚合物浸渍的抛光垫的横截面的扫描电镜图(SEM)，放大100倍；
图3为已有技术市售微孔薄膜型的抛光垫的顶视扫描电镜图(SEM)，放大100倍；
图4为已有技术市售微孔隙薄膜型的抛光垫的横截面的扫描电镜图(SEM)，放大100倍；
图5为已有技术市售多孔聚合物泡沫体型的抛光垫的顶视扫描电镜图(SEM)，放大100倍；
图6为已有技术市售多孔聚合物泡沫体型抛光垫的横截面扫描电镜图(SEM)，放大100倍；
图7为用12-14密尔聚氨酯树脂球经成型烧结工艺生产的一种烧结热塑性树脂抛光垫的顶视扫描电镜图(SEM)，放大35倍；
图8为图7抛光垫的横截面扫描电镜图(SEM)，放大35倍；
图9为本发明另一实施方案抛光垫的顶视扫描电镜图(SEM)，放大100倍；
图10为用粒度约200至约100目范围的聚氨酯树脂球，经成型烧结工艺生产的一种本发明烧结抛光垫的横截面扫描电镜图(SEM)。在该扫描电镜图的上方表示垫顶，而垫底皮层面部分是正对该SEM图的下方。SEM图放大60倍。
图11用粒度范围在200以下至50目以上的聚氨酯树脂颗粒，经流水线烧结工艺生产的一种本发明烧结聚氨酯树脂抛光垫的横截面扫描电镜图(SEM)，其中SEM图为放大60倍。
图12A及12B为本发明烧结聚氨酯热塑性抛光垫的顶部侧横截面视图，其垫顶面是打磨过的。SEM为放大150倍。图12A及12B所示的垫，都是采用粒度在200目以下至50目以上的聚氨酯热塑性树脂颗粒，经流水线烧结工艺而生产的。抛光垫表面是经采用100微米的石英砂聚酯衬底的打磨带，经宽砂带磨光机打磨过的。
发明详述
本发明涉及一种抛光垫，包括一种含合成树脂的烧结颗粒的开孔多孔底物。此底物的微孔是以具有均匀、连续和弯曲的毛细路径互连网络为特征。所谓“连续的”，指的是这些微孔都是互相连通而遍及该垫的，但底面除外，底面在低压烧结过程中形成了基本不渗透的底面皮层。此多孔抛光垫底物是微孔的，即这些孔隙小到只能借助显微镜才能看见。此外，微孔沿垫所有方向都是遍及分布的，如图7至12所示。此外，垫顶面是易于湿润的，而且当用优选聚氨酯热塑性树脂生产时，该抛光垫在水、酸或碱存在下是不膨胀的。也优选的是，该垫是用单一材料生产的，从而其组成均匀，且不应含未反应的热塑性前体化合物。
本发明抛光垫底物是利用一种热塑性烧结工艺制备的，这种工艺所施加压力最低或压力不超过大气压，以使底物达到所需孔尺寸、孔隙率、密度和厚度。所谓“压力最低或压力不超过大气压”的术语，指的是低于或等于90psi，和优选低于或等于10psi。最优选的是，该热塑性树脂是在基本环境压力的条件下进行烧结的。尽管与所用合成树脂的类型及型号相关，但抛光垫底物平均孔尺寸可达到1μm至1000μm之间。一般，该抛光垫底物的平均孔尺寸都会在约1至约150μm的范围。更优选地，平均孔尺寸会在3至50μm和最优选在5至35μm之间。  另外，已发现，孔隙率，即孔容，在约15％至约70％，优选25％至50％之间，可产出具备使用灵活及经久耐用性能合格的抛光垫。
在本发明可采用宽范围的常用热塑性树脂，只要利用烧结工艺可使该树脂构成开孔底物。可用的热塑性树脂包括，例如，聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龙、碳氟烃、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，该树脂是天然亲水的或是用添加表面活性剂、分散助剂或用其它适宜方法可使其具备亲水性的。优选的是，所用热塑性树脂基本上是由热塑性聚氨酯所组成。优选热塑性聚氨酯是Texin热塑性聚氨树脂，由贝尔公司生产。优选地是，所用Texin的热塑性聚氨树脂是Texin 970u及Texin 950u。
采用烧结之前具有特定尺寸(如超细、细、中粒度、粗粒度等)及形状(不规则、球形、园形或片状等，或其混合物及组合)的热塑性树脂颗粒，是改变该聚合物基质性能的有效手段。当热塑性树脂颗粒大时，可采用适宜的研磨技术，诸如机械研磨、喷射研磨、球磨、筛选、分级等，将这些颗粒研磨成粉末，使之达到所需颗粒尺寸的范围。在采用热塑性树脂混料时，对于本领域技术人员都可理解的是，可调节混合物组分的比例，得到最终产物的所需孔结构。例如，增加第一组分的百分数，可用于产生较小孔尺寸的产物。可采用市售混合器、掺混器及类似设备对这些树脂成分进行调混。
为使抛光垫具备所需物理特性，在烧结过程中所用热塑性树脂颗粒尺寸应当在细于约50目至粗于200目的范围，更优选为细于80目至粗于200目之间。最优选为，基本上所有热塑性树脂颗粒具有尺寸范围在细于100目至粗于200目。所谓“基本上所有”指的是95％(重)的热塑性树脂颗粒处在一个范围之内，最优选99％或以上的热塑性树脂颗粒处在该最优选的尺寸范围之内。
在一组实施方案中，密度较小、硬度较低的底物是理想的，所选合成树脂颗粒是形状很不规则的。采用不规则形状的颗粒，被认为是可防止颗粒堆积紧密，而使多孔底物有高的空穴体积，例如30％或更多。在另一组实施方案中，在需要密度较高或较硬的抛光垫底物时，热塑性树脂颗粒就应当尽可能地是接近球形的。在一组优选实施方案中，该合成树脂颗粒整体Shore D硬度在40至90间。
现已发现，在CMP过程中，用热塑性树脂颗粒经烧结工艺生产的本发明抛光垫/底物，可达到有效浆液控制和分布、抛光速率及质量(如较少缺陷或刮痕等)。在一组优选实施方案中，合成树脂颗粒是聚氨酯热塑性树脂颗粒，其形状不规则或为球形，其整体Shore D硬度在45至75间。由这样的颗粒生产的抛光垫底物，一般其Shore A硬度在55至约98间，优选在85至95之间。业已发现，该抛光垫底物具有合格的CMP抛光速率及集成电路芯片的表面质量。
也已发现，在抛光垫结构与达到稳定及合格脱出速率同时又使诱发缺陷及刮痕最少的能力之间，有一种相互关连。垂直渗透通过的流量与保留在抛光垫上抛光液的数量对于这种相互关连是重要的，如通过动态浆液容量试验所确定的那样，其方法也已列于实施例1中。渗透通过的流量是根据抛光浆液流过该垫的数量而定义的，也如前述实施例1所列方法所确定的。
本发明方法的抛光垫制备，可按照本领域技术人员所已知的传统烧结技术，采用连续带式或密闭式成型工艺进行。这种密闭成型的技术在US 4,708,839中有叙述，其说明书在此引以参考。采用密闭成型的烧结工艺，将热塑性树脂，诸如具有所需粒度(如经筛分目数的尺寸)及优选粒度细于80目至粗于200目的聚氨酯热塑性树脂，放入预成型的两片成型模具模腔的底部，达到所需位置。可在掺入模具中之前，将此热塑性树脂任选与一种粉末表面活性剂混合或调混，以改善树脂的自由流动的特性。再将此模具密封及加以振动，使树脂均匀分散在整个模腔中。然后加热模腔，使颗粒烧结一起。烧结颗粒的加热周期，包括在预定时间内加热模具至最终预定的温度，并使该模具保持在设定温度下至预定的一段时间，然后，冷却模具至室温，再于室温下保持预定的另一段时间。对于本领域技术人员一般都知道，可以改变加热周期以适应材料及模具的变化。此外，还可用各种各样方法加热模具，包括利用微波、电或蒸汽加热的热空气炉、加热和冷却台等。在烧结之后，冷却模具，从模具中取出烧结的抛光垫底物。可以通过对加热周期控制的变化，来改变最终抛光垫底物材料的孔结构(尺寸及孔隙率)、烧结度及其它物理特性。
本发明生产烧结抛光垫底物的优选方法，可随所需抛光垫底物的尺寸及物性而变化。对于所述优选的烧结条件，抛光垫底物可分为两种尺寸：“大垫”及“小垫”。所谓“大垫”指的是抛光垫底物外径超过12英寸和高至24英寸或更高。所谓“小垫”指的是抛光垫底物外径小于约12英寸或更低。
本发明所有垫都是采用热塑性树脂组合物制备的。用于生产本发明抛光垫底物的烧结方法描述于下，这里在烧结工艺上均采用优选的聚氨酯热塑性树脂。
热塑性塑料，诸如聚氨酯，一般均为粒状。优选提供的聚氨酯热塑学树脂，其颗粒尺寸在约1/8”至3/16”范围。在生产该垫之前，研磨聚氨酯弹性体，优选低温研磨，使粒度细于约50目至粗于200目，优选粒度细于80目至粗于200目。只要使聚氨酯热塑聚合物达到了所需粒度，就可对这种颗粒进一步通过干燥、抛光或其它本领域技术人员已知的方法进行处理。
优选的是，在烧结生产大、小两种抛光垫底物之前，将经分级的聚氨酯树脂颗粒加以干燥，使之湿度低于1.0％(重)，优选将它们干燥至约0.05％(重)的湿度。对于大垫的生产，也优选的是，抛光此研磨过的颗粒，除去其尖锐边缘，以降低孔容，增加烧结抛光垫底物的密度。
如上述讨论，制备本发明抛光垫底物要采用标准热塑烧结设备。所得抛光垫的尺寸将取决于模具尺寸。典型模具为由不锈钢或铝制的两片呈方形或长方形模腔的模具，其模腔尺寸长宽约6至36英寸，优选长和宽约12英寸或24英寸。将计量过的已分级的粒状聚氨酯弹性体放于模具中开始模具烧结过程，将模具关上，紧固一起，振动15秒至约2分钟或更长的时间，以消除聚氨酯弹性体颗粒间所有空隙空间。模具振动时间随模具的尺寸增加而延长。因此，预计对12英寸的模具，振动约15秒-约45秒，而对24英寸的模具要振动约60秒至约2分钟或更长的时间。优选振动该模具在其边缘，以保证该模腔中的粒状聚合物材料充分充填。
然后将此装料并振动过的模具加热至所需温度，并维持一段时间，使之对抛光垫底物进行充分烧结。应将该模具加热到高于该热塑性树脂玻璃转变温度至接近及可能略高于该热塑性树脂熔点的温度。优选的是，将该模具加热至所用热塑性树脂的熔点上下20°F之间的温度。最优选的是，应当在烧结过程中将该模具加热至低于所用的热塑性树脂熔点20°F至约等于该熔点的温度。
所选实际温度自然将取决于所用热塑性树脂。例如，对Texin970u，该模具应当加热至并保持在约372°F至约412°F的温度，优选从约385°F至约392°F。仍然优选的是，按照本发明生产的抛光垫是在环境压力下烧结的。换句话说，不需要采用气体或机械方法增加模腔中的压力，以增加烧结热塑性产物的密度。
该模具应当在水平位置上进行加热，以便在烧结中抛光垫底物的底面形成皮层。不应将该模具立即加热至所需温度，而应当从开始到约3至10分钟和更长的时间内将其加热达到所需温度，优选在4至8分钟内。在使该模具在目标温度下维持一段时间，约5至30分钟或更长的时间，优选在约10至20分钟的时间。
在完成上述加热步骤之后，在约2至10分钟或更长的时期内，将模具温度平稳地降低至约70-120°F的温度。然后使该模具冷却至室温，再从该模具中取出所得的抛光烧结垫底物。
本发明烧结垫另外可通过流水线(belt line)烧结方法生产。在US3,835,212中有这种方法的描述，该专利说明书在此引以参考。一般，在抛光垫底物尺寸变大时，要生产出具有外观均一好看的抛光垫底物，振动模具就会越加困难。因此，流水线烧结法对于本发明生产较大的抛光垫底物是优选的。
在流水线烧结法中，适宜筛分及干燥过的热塑性塑料是均匀加到加热温度超过该热塑性树脂熔点以上40°F至约80°F的光滑钢带上的。粉末在盘上是不定的，支撑该盘的钢带以设定速率经牵引穿过对流炉，使该聚合物暴露于目标温度下约5至25分钟或更长的一段时期，优选约5分钟至约15分钟的时间。将所得烧结聚合物片迅速冷却至室温，优选在离开加热炉后约2分钟至7分钟的时间内达到室温。
下表1综合了按上述烧结工艺生产的本发明烧结抛光垫底物的物性。
                        表1
    物性   适当烧结   最佳烧结
厚度，密尔     30-125     35-70
密度，gm/cc     0.5-0.95     0.70-0.90
孔容％，Hg法-孔隙仪     15-70     25-59
平均孔径(μ)，Hg法-孔隙仪     1-1000     5-150
硬度，Shore A     55-98     85-95
断裂伸长率，％(12”底物)     40-300     45-70
断裂伸长率，％(24”底物)     50-300     60-150
泰伯磨蚀(损失毫克/1000周期)    低于500    低于200
压缩模量，psi     250-11000    7000-11000
峰值应力，psi     500-2500     750-2000
空气渗透率，英寸3/h     100-800     100-300
压缩率，％     0-10     0-10
回弹率，％     25-100     50-85
顶面平均粗糙度*(μm)，(未打磨)     3-5-     4-20
顶面平均粗糙度*(μm)，(打磨后)     4-50     1-15
底皮平均粗糙度*(μm)     小于10     5-7
*采用便携式探针仪测定。
本发明烧结抛光垫底物具有未打磨开孔顶面和底面皮层。底面皮层为孔隙较少的，因此比未打磨的顶面光滑(不太粗糙)。优选的是，抛光垫底面皮层表面孔隙率(即在未打磨垫顶面上烧结垫内的开孔面积)至少低于未打磨垫顶面孔隙率25％。更优选为，抛光垫底皮面应当具有至少低于抛光垫顶面孔隙率50％的表面孔隙率。最优选的是，抛光垫底面皮层基本上无表面孔隙，即10％以下的抛光垫底皮面的面积是由延伸至抛光垫底物内部的开孔和微孔所组成。
烧结过程中形成垫底面皮层，且发生在聚氨酯弹性体与模具底表面接触之处。此皮层的形成很可能是由于模具底表面局部烧结温度较高的结果及/或由于重度对烧结颗粒或二者影响的结果。图10-12为本发明烧结垫横截面的SEM图，每个均包括一层基本封闭有孔的底表面皮层。
本发明涉及包括一层底面皮层的抛光垫底物，也涉及其中除去底面皮层的抛光垫底物。一种包括底面皮层的抛光垫底物可用于半导体生产，得出其底面基本不渗透抛光浆液的抛光垫。
本发明的抛光垫底物是通过将粘结层叠加在该垫底物的底面皮层上的方法而制作成为有效抛光垫的。该叠层优选包括一层粘结剂和一层可脱去的背衬。在将该垫与粘结剂叠层连接一起时，垫顶面是外露的，粘结剂层与该垫底皮层相连接时，粘结剂使背衬材料与垫底面皮层互相分隔。背衬材料可以是任何类型的可用于与粘结剂叠层，包括聚合物片、纸、涂敷聚合物纸及其组合相结合的屏蔽材料。最优选的是，该叠层由经涂敷粘结剂层，接着用姆勒(Myler)薄膜层的背衬材料所组成，而姆勒薄膜层是用第二粘结剂层加以覆盖的。第二粘结剂层紧靠着垫底皮层。最优选的叠层是由3M公司生产的444PC或443PC。
脱去保护纸层，外露粘结剂，即可使用该抛光垫。此后将外露的粘结剂连接在抛光机桌或平台的表面上，使抛光垫贴于抛光机上。抛光垫底面皮层阻止了抛光浆液和其它液体渗透穿过该垫和接触到粘结剂层，从而防止破坏在抛光垫与抛光机表面间粘结结合。
本发明抛光垫可与使用子垫或不使用子垫的抛光机相结合。子垫一般用于抛光垫的结合处，以利于抛光垫与进行CMP的集成电路芯片间的均匀接触。如果采用了子垫，就应将它放在抛光垫桌或平台与抛光垫之间。
使用前，此烧结抛光垫可经历另外的转换及/或调节步骤，例如包括对底物表面的一面或二面都进行平整，严格清洗脱出污物、去皮、构造纹理的处理以及其它本领域技术人员已知技术的处理，以完善及调节抛光垫。例如，可以对抛光垫加以改进，使之包括至少一种肉眼可见的特性，诸如通道、孔眼、沟槽、纹理及边缘形状。此外，抛光垫还可包括研磨材料，如氧化铝、氧化铈、氧化锗(germania)、氧化硅、氧化钛、氧化锆，及其混合物，以增强机械作用及移动。
优选的是，小抛光垫底物包括垫顶面上通向检验板或其它模板的通道，其彼此距离在约1/8”至3/4”的范围，优选在1/4”的距离。此外，通道深度应当相当于近似等于抛光垫底物的一半的深度，而宽度在约20-35密尔的范围，优选在约25密尔。由本发明大抛光垫底物生产的抛光垫，可以任选是经用沟槽、孔眼等加以改善了的表面。
使用前，垫顶表面一般是经过打磨(buff)的，为的是要使该垫成为对抛光浆液更好的吸收剂。该垫可用任何为本领域技术人员所用方法加以研磨。作为优选研磨的方法，本发明的抛光垫是采用具有石英砂粒度约25至约100微米，优选为约60微米的磨带的砂带磨光机，进行机械打磨，以获得表面粗糙度小于12微米的，优选约9至12微米的抛光垫。
垫顶面的打磨，通常是在粘结剂叠加之前，在抛光垫底物上进行的。打磨后，将抛光垫加以清洁，除去碎屑，并在垫底上叠加压敏粘结剂层之前通过加热、电晕等方法，进行底部(未抛光面)处理。然后，只要不再对它们进行修改的话，就可立即将此叠加粘结剂层的垫用于抛光机之中，或使它们进行如上所述的开槽或绘制图案。一旦开槽及/或绘制图案处理完成，甚至即使此过程是在进行之中，就可对该垫再次加以清洁，除去碎屑，并装入清洁袋中诸如塑料袋中，并储存待用。
在即将使用之前，一般将CMP浆液涂敷该垫上然后将该垫暴露与抛光条件之下来磨合CMP抛光垫。有效的抛光垫磨合方法，在US5,611,943及5,216,843中有所介绍，其说明书在此引作参考。
本发明也包括制品表面抛光方法，其步骤包括将至少一个本发明的抛光垫与制品的表面在有抛光浆液的存在下进行接触；通过将所述垫相对于所述表面进行移动，或另外使制品平台相对于该垫进行移动，脱除该表面所需的部分。在IC生产的各个阶段中，本发明的抛光垫可与常规的浆液及设备结合使用。抛光优选按照标准技术进行，尤其是对CMP所描述的那些技术。另外，抛光垫也可修整，以便抛光各种层面，包括金属层、氧化物层、硬盘、陶瓷层等。
如上所述，本发明抛光垫可广泛用于抛光场合，尤其是化学机械抛光应用场合，以达到有效抛光，使划痕及缺陷最少。本发明抛光垫作为另外一种常规抛光垫，可用于各种抛光平台，保证浆液流动性可控；及提供直接影响抛光性能的定量特性，控制特殊场合的生产过程。
为说明及描述本发明，现已列出前述本发明优选实施方案。但并非是完全的，也非对本发明公开内容的严格限制，任何改进及变异都有可能，或者可根据本发明加以实施。选择和描述这些实施方案，都是为了说明本发明原理和其实际应用，以使本领域技术人员能够应用本发明的各个实施方案，和为适应所遇到的具体应用场合进行各种改进。本发明的范围及其同等条款都是通过此后所附各权利要求项所限定的。
实施例
下述方法用于确定所有下述实施例的抛光垫性能。
垂直渗透流量：通过抛光垫的浆液流率，采用由费歇尔公司提供的真空过滤装置进行测定。该装置由上储液罐、连接真空管线的瓶颈及收集液体即浆液的下储液罐所组成，而在无真空下使用。上及下储罐的直径为约3.55”。在上储罐底部中心处钻有一个3/8”直径的小孔。为测定浆液流率，将一直径3.5”的抛光垫底物放置在上储罐底部，并将O形环放置在垫与上储罐壁之间。再将两端开口的圆柱形塑料容器牢固地安放在该垫上方，以防止液体沿该垫表面渗漏。将约100克液体以25克/秒的速率在4秒钟内注入该圆柱形容器。称量下储罐所收集的液体量，收集的液体量除以时间(300秒)，来计算浆液流率。
动态浆液容量试验：抛光垫底物对抛光浆液的容量是通过动态浆液容量试验方法测定的，该方法是将3.5”直径的垫放置在直径3.4”的浆液储杯上进行的。垫与储杯放置于较大开口容器的中心，又将此容器放置在Hyprez II抛光机(由恩吉斯(Engis)公司生产)平台的顶面上。为测定留在抛光垫上的浆液，将液体分布在以预定速度旋转的抛光垫顶面上，用蠕动泵使其在中心处达到不同的速率。通过测定实际渗透通过抛光垫的液体量来确定“通过的流量”。“通过垫的流量”即为渗漏穿过该垫的液体量，并收集于较大容器中。“留在该垫上的浆液量”是按从添加浆液后该垫的重量减去添加浆液前该垫的重量的方法计算而得。
孔尺寸测定：采用直尺或用汞法孔隙仪确定孔尺寸。
硬度Shore D及Shore A测定：硬度Shore D及Shore A的测定按照ASTM No D2240所规定的程序进行。
浆液容量法：浆液容量法包括，于室温(25℃)下，将1×4英寸的垫底物样品浸泡于CMP浆液浴中12小时。在将垫样品放进浆液之前，对其进行预称干重。12小时后取出垫样品，抹去该垫表面上多余的浆液。再次称重垫样品，确定该垫湿重量。湿重量与干重量之差除以干重量即得各垫样品的浆液容量。浆液容量值乘以100，即得百分浆液容量。
实施例1
市售Texin聚氨酯材料样品，其整体Shore D硬度值不同，尺寸不同，将其冷冻至易脆，并深冷研磨成粉末，然后加以筛分，分级为细粉(F)和中粒度(M)颗粒。此后筛分分级的粗粒度(C)颗粒的Texin聚氨酯不再进行研磨。研磨步骤产生不规则的、球形的、或基本扁平形的粉末。细粉(F)特征为其粒度细于100目。中粒度的(M)颗粒限定于粒度细于50目而粗于100目，而粗粒材料特征在于其目数粗于50目。硬度Shore D70的聚氨酯是Texin 970u，和硬度Shore D 50的聚氨酯材料为Texin950u。
将经筛分的粉末放入双片模具的底部。对在模具底部的粉末量要求不严格，但要足以完全覆盖模腔的底部。然后振动模腔，使粉末均匀分布于整个底表面，保证完全覆盖模腔表面。再将此模具用常规烧结方法加热，一般温度应高于Texin玻璃转变温度(约32°F)，但低于聚氨酯熔点温度(约392°F)，进行颗粒烧结。对每组热塑性树脂分别确定其实际烧结条件，因为Tg及熔点温度各组不同。烧结之后，冷却模具，从模具中取出孔隙底物，加以进一步处理和转化为抛光垫。该底物具有在模具底部形成的底面皮层，其平均孔尺寸及硬度Shore A值各异。
将此孔隙底物切割为园形抛光垫，直径12”。其平均垫厚度为约0.061”。用市售150微米石英砂磨带的手工打磨机打磨垫顶面，确保垫顶面与底面平行。再采用常规150石英砂Al2O3纸的轨道手工打磨机，脱去垫底面表层，改善润湿性。将该垫底面搭接在液体储罐的进口处，收集通过此有3M牌号444PC粘结剂的1/8”条形垫的浆液。垂直渗透流量及保留在垫上的抛光浆液量，在各种浆液流率下，按照实施例引言中所设定的程序加以测定。试验结果及抛光垫的其它特性列于下表2中。
                        表2
样品 合成树脂颗粒硬度Shore D 颗粒尺寸* 平均孔尺寸 浆液流率(ft/min) 垂直渗透率 垫上浆液保留率
  1     70     F     50     1.8     5.6     18.6
  1     70     F     50     3.8     11.7     16.8
  1     70     F     50     7.3     9.9     15.4
  1     70     F     50     14.6     0.2     4.0
  2     50     F     100     1.8     0     15.4
  2     50     F     100     3.8     0     9.0
  2     50     F     100     7.3     0     7.3
  2     50     F     100     14.6     0     1.0
  3     50     M     250     1.8     112.8     1.7
  3     50     M     250     3.8     114.8     0.6
  3     50     M     250     7.3     112.4     1.7
  3     50     M     250     14.6     37.4     2.2
  4     70     C   300-350     1.8     103.2     1.6
  4     70     C   300-350     3.8     67.3     4.3
  4     70     C   300-350     7.3     16.7     5.4
  4     70     C   300-350     14.6     6.1     1.8
如表2所示，各种整体硬度Shore D及粒度的合成树脂可用于形成有效抛光垫底物。可以认为，依据具体抛光平台、所抛光的芯片/底物和所选用抛光浆液的类型，对抛光垫的性能可进行调整，并均在本发明范围内。此外，还要承认另外一些显微特征，诸如孔眼、通道或纹道，都是使抛光垫达到理想渗透流量所必须的。
对采用抛光垫样品2及3的初步抛光研究，是在Struers强制滚式-3台-顶式抛光机(Struers Roto-Force 3 Table-Top Polisher)(由在俄亥俄州西湖的辐射仪公司部提供(Radiometer America Inc.，Struers Division，Wesrlake，Ohio))上完成的，以模拟真实工业抛光条件。将抛光垫固定在有双面粘结剂的抛光机上。垫的表面用去离子水加以润湿，开始湿调节过程，并使该垫表面达到饱和，直至该垫磨合。本发明抛光垫用于化学机械抛光在芯片上的钨屏蔽层，利用Semi-SperseW-A355的钨厚度约8000°A，由伊里诺斯州欧偌拉的Cabot公司生产的氧化铝基抛光液。采用蠕动泵(由Masterflex公司提供，型号为7518-60)将浆液输送至垫上，模拟实际浆液输送，流率达100毫升/分钟。钨的脱去速率及其它相关性质见表3。为进行比较，也采用了市售的抛光垫，在同样上述抛光条件下，对钨层进行抛光，除去热氧化物。钨脱去速率及其它相关性质列于表3中。
                               表3
    抛光垫 脱去钨的速率，A/分
    样品2     5694
    样品3     4862
    对照垫-Thomas West P777     6805
    对照垫-Freudenberg Pan W     3292
    对照垫-Rodel suba TM 500(未经模压)     1224
    对照垫-Rodel Politex R(未经模压)     4559
如表3所示，本发明抛光垫提供了一致及合格的钨脱去速率，同时使垫的诱导缺陷及划痕减至最少。此外，本发明抛光垫可以控制几种抛光垫的与抛光性能相关的物理性质，包括抛光垫底物的孔隙率、浆液流量、表面粗糙度、机械性能等。结果，本发明的抛光垫给出了有效的不同于市售的垫衬，提供了合格的CMP脱去速率和精制表面。
实施例2
本发明抛光垫另一实施方案的进一步代表性实施例，是利用说明书中及实施例2中所述程序制备的。按照实施例2，起始的合成树脂颗粒具有不同的Shore D硬度及粒度。有关垫的特征及性质是按三间隔-打磨前、打磨后及磨合后进行测定的。垫的特征列于下表4、5、6、7及8。
                              表4
    垫性质*    打磨前条件     打磨后条件     磨合后
    厚度，英寸     0.050±0.002     0.049±0.002     0.0553±0.0026
    硬度Shore A     90±1.04     89±1.09     90±3.01
    密度(克/毫升)     0.78±0.042     0.76±0.04     0.69±0.033
    压缩率，％     4.7±1.7     2.7±0.89     4.1±0.71
    回弹率，％     54±15.7     54.8±16.64     39±7.97
    COF k     0.40±0.02     0.44±0.009     0.58±0.015
  顶面平均粗糙度(μm)     15.6±1.3     16.1±1.8     6.8±0.82
    孔尺寸，(微米)     32.65±1.71
    孔容(％)     34.4±3.12
  空气渗透率(英尺3/小时)     216.67±49.67
    断裂伸长率(％)     93.5
    峰值应力(psi)     991.5
*由其硬度Shore D为50细粉粒度的Texin 950u聚氨酯热塑性树脂制u备的垫。
                                表5
    垫性质*     打磨前条件     打磨后条件     磨合后
    厚度，英寸     0.073±0.002      0.070±0.007      0.072±0.0007
    硬度Shore A     76±2.3      77±2.9      84.2±1.2
    密度(克/毫升)     0.61±0.040      0.63±0.74      0.61±0.006
    压缩率，％     7.0±3.8      3.5±0.74      2.4±0.69
    回弹率，％     73±29.4      67.4±7.74      59±14.54
    COF k     0.47±0.02      0.63±0.01      0.53±0.003
顶面平均粗糙度(μm)   29.3±4.6   33.6±3.64   23.5±2.3
    孔尺寸，(微米)   83.5±4.59
    孔容(％)   46.7±1.85
空气渗透率(英尺3/小时)   748.37±27.1
    断裂伸长率(％)     28.2
    峰值应力(psi)     187.4
*由其硬度Shore D为50中等粒度颗粒的Texin 950u聚氨酯热塑性树脂制备的垫。
                            表6
    垫性质*   打磨前条件 机磨后条件   磨合后
    厚度，英寸   0.042±0.003    0.041±0.003   0.040±0.0027
    硬度Shore A   93±0.84    87±0.74   94.6±0.69
    密度(克/毫升)   0.86±0.60    0.87±0.06   0.89±0.059
    压缩率，％   3.4±0.79    3.2±1.5   6.5±1.5
    回弹率，％   77±8.3    46±20.3   35±8.67
    COF k   0.26±0.01    0.46±0.009   0.71±0.09
顶面平均粗糙度(μm)   13.0±1.7    11±0.0   4.0±0.69
    孔尺寸，(微米)   22.05±2.47
    孔容(％)   40.76±2.14
空气渗透率(英尺3/小时)   233.3±57.85
    断裂伸长率(％)     77.8
    峰值应力(psi)     503.4
*由其硬度Shore D为70细粉颗粒的Texin 970u聚氨酯热塑性树脂制备的垫。
                           表7
    垫性质* 打磨前条件 打磨后条件     磨合后
    厚度，英寸   0.063±0.002    0.058±0.004  0.058±0.0017
    硬度Shore A     81±1.5     88±0.54     92±0.77
    密度(克/毫升)   0.74±0.02    079±0.02  0.78±0.023
    压缩率，％     6.5±2.3     2.9±0.05     3.5±2.2
    回弹率，％   77±12.7     65±14.0   65±26.52
    COF k   0.61±0.03     0.46±0.02   0.61±0.55
    平均顶面粗糙度(μm)   38.7±7.4     31±4.4   15.7±2.8
    孔尺寸，(微米)   61.73±5.13
    孔容(％)   33.56±1.85
    空气渗透率(英尺3/小时)   518.3±174.2
    断裂伸长率(％)   50.5
    峰值应力(psi)   572.1
*由其硬度Shore D为70中等粒度颗粒的Texin 970u聚氨酯热塑性树脂制备的垫。
                          表8
    垫性质(平均值)   打磨前条件垫A*   机磨后条件垫A*   磨合前条件垫B*   磨合后条件垫B*
    厚度，英寸   0.0531±0.0003   0.0525±0.004   0.0535±0.004   0.0523±0.0003
    密度(克/毫升)   0.7753±0.0037   07887±0.006   0.7857±0.0061   0.7909±0.0045
表面粗糙度(Ra)(微米)   11.3±1.3614   7.8±0.9381   11.3±1.473   7.05±0.8062
    硬度ShoreA   92±0.000   92±0.0000   93±0.5774   92±0.0000
    孔尺寸，(微米)   29.8   29.8
    孔容(％)   35.8   35.8
    峰值应力(psi)   942.59   855.390   937.35   945.851
    撕裂拉伸率(％)   71.2   63.2   68.1   68.1
    压缩模数，psi   9198±55.3   9219.4±73.234   9243±63.54   9057±157.7
    弯曲刚度(psi)   291.901   235.078   241.698   224.221
    泰伯磨损指数(损失重量，克)   0.1681   0.1807   0.1917   0.1534
*垫A及B是由其硬度Shore D为70细粉的Texin 970u聚氨酯热塑性树脂制备的。
上述结果表明，经打磨及而后磨合，抛光垫顶面的粗糙度得以改善。
实施例3
由细粉Texin 970u聚氨酯热塑聚合物生产的烧结抛光垫底物是按照本发明实施例1制备样品1所述的程序进行制备的。该抛光垫底物的评价是用底面皮层完全为浆液容量及浆液流通率而进行的。浆液流通率按实施例引言所述的方法测定。浆液容量法也在实施例引言中描述过。
未经调节的垫的浆液流通率为每秒0克，浆液容量为4.7％。可以认为，浆液流通率为0是由于抛光垫底物顶面在打磨前是疏水的，而排斥含浆液的水。该垫顶面此后可按照实施例1所述的方法加以调节。打磨步骤机械地调节了顶垫的表面，并使垫顶面由疏水转化成为亲水的。为此，打磨后的垫浆液流率为0.234克/秒及浆液容量5.3％。此后，该垫底面按照前述实施例1的方法加以打磨及磨合。由此，该垫浆液流率为0.253克/秒，容量为5.7％。
这些结果表明，打磨抛光垫顶面，通过使该垫表面特性由疏水转化为亲水的，改善了浆液容量及垫的流通性。

Claims (30)

1、一种包括热塑性树脂烧结颗粒的抛光垫底物，其中所述抛光垫底物具有顶面和包括皮层的底面，其中垫顶面未打磨表面的平均粗糙度大于垫底面皮层的未打磨表面的平均粗糙度。
2、按照权利要求1的抛光垫底物，其中所述底面皮层表面孔隙率至少低于顶面表面孔隙率25％。
3、按照权利要求1的抛光垫底物，其中所述多孔底物的平均孔尺寸在约1微米至约1000微米之间。
4、按照权利要求1的抛光垫底物，其中所述多孔底物的平均孔尺寸在约1微米至约150微米之间。
5、按照权利要求1的抛光垫底物，其中所述多孔底物的平均孔尺寸在约5微米至约35微米之间。
6、按照权利要求1的抛光垫底物，其中该抛光垫的密度为0.50至0.95克/毫升。
7、按照权利要求1的抛光垫底物，其中该抛光垫的孔容为15至70％。
8、按照权利要求1的抛光垫底物，其中该抛光垫的未打磨顶表面平均粗糙度为4至50微米。
9、按照权利要求1的抛光垫底物，其中该抛光垫的压缩模量为250至11000磅/平方英寸及峰值应力为500至2500磅/平方英寸。
10、按照权利要求1的抛光垫底物，其中顶表面是打磨过的。
11、按照权利要求10的抛光垫底物，其中打磨后的顶表面平均粗糙度为1至15微米。
12、按照权利要求1的抛光垫，其中所述热塑性树脂为聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龙、碳氟烃、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、按照权利要求1的抛光垫底物，其中所述热塑性树脂是聚氨酯树脂。
14、按照权利要求1的抛光垫底物，其中所述垫具有至少一种选自通道、孔眼、沟槽、纹道及边缘形状的肉眼可见的特征。
15、一种抛光垫底物，具有基本如图10所示的横截面。
16、一种抛光垫底物，具有基本如图11所示的横截面。
17、一种烧结的聚氨酯树脂抛光垫底物，具有顶面、包括皮层的底面，其中所述底物厚度为30-125密尔，密度0.60-0.95克/毫升，孔容15-70％、顶面平均粗糙度4-50微米、和底面皮层平均粗糙度在20微米以下，以及其中底面皮层的表面平均粗糙度低于顶面表面平均粗糙度。
18、按照权利要求17的烧结聚氨酯树脂的抛光垫，其中底面皮层的表面孔隙率低于顶面的表面孔隙率至少25％。
19、一种烧结的聚氨酯树脂抛光垫底物，具有顶面、包括皮层的底面，其中所述底物厚度为30-70密尔，密度0.70-0.90克/毫升，孔容25-50％、顶面平均粗糙度4-20微米和底面皮层平均粗糙度在10微米以下，以及其中底面皮层的表面平均粗糙度低于顶面表面平均粗糙度。
20、按照权利要求19的烧结聚氨酯树脂的抛光垫，其中底面皮层的表面孔隙率低于顶面的表面孔隙率至少50％。
21、一种抛光垫包括：
a、还包括热塑性树脂烧结颗粒的抛光垫底物，其中所述抛光垫底物具有顶面和包括皮层的底面，其中该垫顶表面未打磨表面的平均粗糙度高于垫底面未打磨表面的平均粗糙度，
b、一种背衬板；及
c、一种位于背衬板及底面皮层间的粘结剂。
22、按照权利要求21的抛光垫，包括至少一种选自通道、孔眼、沟槽、纹道及边缘形状的肉眼可见的特征。
23、按照权利要求21的抛光垫底物，其中底皮面的表面孔隙率至少低于顶面表面孔隙率的25％。
24、按照权利要求21的抛光垫底物，其中该抛光垫的密度为0.50至0.95克/毫升。
25、按照权利要求21的抛光垫底物，其中该抛光垫的孔容为15至70％。
26、按照权利要求21的抛光垫底物，其中顶表面是经打磨过的。
27、按照权利要求26的抛光垫底物，其中打磨后的顶表面的平均粗糙度为1至15微米。
28、按照权利要求21的抛光垫，其中所述热塑性树脂为聚氯乙烯、聚氟乙烯、尼龙、碳氟烃、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、按照权利要求21的抛光垫底物，其中所述热塑性树脂为聚氨酯树脂。
30、一种抛光垫，包括：
a、一种烧结的聚氨酯树脂的抛光垫底物，具有顶面、包括皮层的底面，其中所述底物厚度为30-125密尔，密度0.60-0.95克/毫升，孔容15-70％、顶面平均粗糙度4-50微米和底面皮层的平均粗糙度在20微米以下，以及其中底面皮层的表面平均粗糙度低于顶面表面的平均粗糙度。
b、一种背衬板；及
c、一种位于背衬板及底面皮层间的粘结剂。
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