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      印刷式化學(xué)機械研磨墊的制作方法

      文檔序號:7038060閱讀:143來源:國知局
      印刷式化學(xué)機械研磨墊的制作方法
      【專利摘要】一種制造研磨墊的研磨層的方法,包括使用3D印刷機相繼地沉積多個層,藉由從噴頭噴出墊材料前驅(qū)物、并固化該墊材料前驅(qū)物以形成固化的墊材料的方式來沉積該多個研磨層的每一層。
      【專利說明】印刷式化學(xué)機械研磨墊

      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001 ] 本發(fā)明關(guān)于化學(xué)機械研磨期間所使用的研磨墊。
      [0002]背景
      [0003]通常藉由在硅晶圓上循序沉積導(dǎo)體層、半導(dǎo)體層或絕緣層而在基板上形成集成電路。許多不同制造工藝皆需要對基板上的層進行平坦化。舉例言之,就某些應(yīng)用而言,例如欲研磨金屬材料以在圖案化層的溝槽中形成通孔、插銷和線路時,會對上層進行平坦化直到暴露出圖案化層的頂表面。在其它應(yīng)用上,例如介電層平坦化以用于光微影技術(shù)中,則會研磨上層,直到在下層上保留期望厚度的上層。
      [0004]化學(xué)機械研磨(CMP)是公認的平坦化方法之一。此平坦化方法通常要求將基板安裝在承載頭上。通常使基板的暴露表面抵靠著旋轉(zhuǎn)中的研磨墊放置。承載頭在基板上提供可控制的負載(load)以推擠基板使該基板抵靠著研磨墊。通常會供應(yīng)研磨液(例如,含有研磨粒的衆(zhòng)料)至研磨墊的表面。
      [0005]化學(xué)機械研磨工藝的一個目標是使研磨均勻一致。若以不同速率研磨基板的不同區(qū)域,則基板的某些區(qū)域可能被去除過多材料(“過度研磨”)或去除太少材料(“研磨不足”)。
      [0006]習(xí)知的研磨墊包括“標準”墊和固定研磨粒墊。標準墊具有聚胺甲酸乙酯(polyurethane)研磨層,且該聚胺甲酸乙酯研磨層具有耐磨的粗糙表面,且該標準墊亦可包含可壓縮背托層(compressible backing layer)。相較之下,固定研磨粒墊具有固定在固定介質(zhì)(containment media)中的研磨粒,且該固定研磨粒墊通??芍卧诓豢蓧嚎s背托層(incompressible backing layer)上。
      [0007]—般利用模塑(molding)、燒鑄(casting)或燒結(jié)(sintering)聚胺甲酸乙酯材料制成研磨墊。對于模塑的情形,例如利用射出成形法一次可生產(chǎn)一個研磨墊。在澆鑄法的例子中,使液體前驅(qū)物注模并硬化成塊,隨后將該硬塊切割成個別墊片。隨后此等墊片可加工至最終厚度??稍谘心ケ砻嬷屑庸ば纬蓽喜?,或作為射出成形工藝的一部分在研磨表面中形成溝槽。
      [0008]除了平坦化之外,研磨墊亦可用于完成作業(yè),例如用于拋光。
      [0009]概要
      [0010]為提供研磨的均勻一致性,研磨墊需與正進行研磨的基板形成均勻接觸,從而能夠在整個基板表面上施加均勻的壓力。墊的厚度差異可能在整個基板表面上產(chǎn)生不均勻的壓力。即使是厚度上的小差異也會導(dǎo)致所施加壓力的變化,且從而造成不均勻的去除作用以及較多的缺陷,例如在基板表面上造成微細刮痕。此種效應(yīng)對于硬研磨墊而言更加嚴重,并且在低壓力研磨制程中亦較為嚴重。盡管軟研磨墊可容適較大的厚度差異,但在墊中形成溝槽的工藝對于軟研磨墊而言更容易產(chǎn)生不均勻性。
      [0011]能改善厚度均勻性的研磨墊制造技術(shù)是使用3D印刷工藝。在3D印刷工藝中,以漸進方式沉積墊前驅(qū)物(例如,粉末)的薄層,并使墊前驅(qū)物薄層融合(fused)成完整的三維(3D)研磨墊。
      [0012]在一方面中,制造研磨墊的研磨層的方法包括使用三維(3D)印刷機相繼地沉積多個層,藉由從噴嘴噴出墊材料前驅(qū)物、且固化該墊材料前驅(qū)物以形成固化的墊材料的方式來沉積該多個研磨層的每一層。
      [0013]本發(fā)明的實施方案可包括以下特征的其中一個或多個特征。該多個層的每一層的厚度可小于研磨墊的總厚度的50%。該多個層的每一層的厚度可小于研磨墊的總厚度的1%??山逵稍谟嬎銠C上執(zhí)行的三維(3D)繪圖程序控制墊材料前驅(qū)物的射出以在該多個層的至少一些層中形成圖案而在該研磨層中形成凹槽。該等凹槽可為研磨墊的總水平表面積的10%至75%。介于該等凹槽之間的臺地部分(plateaus)可具有0.1毫米(mm)至2.5毫米的橫向尺寸。該等凹槽可具有0.25毫米至1.5毫米的深度。該等凹槽可具有0.1毫米至2毫米的最寬橫向(lateral)尺寸。該等凹槽的形狀可塑造成圓柱形、平頭角錐形或棱柱形中的一者或多者。該等凹槽可以是溝槽。固化(solidifying)該墊材料前驅(qū)物的步驟可包括硬化(curing)該墊材料前驅(qū)物。硬化該墊材料前驅(qū)物的步驟可包括紫外線(UV)硬化。墊材料前驅(qū)物可包括胺甲酸乙酯單體(urethane monomer)。該固化的墊材料可包括聚胺甲酸乙酯(polyurethane)。可于該固化的墊材料內(nèi)提供研磨粒。研磨??蔀榻饘傺趸镱w粒。可使用3D印刷機相繼地沉積多個層以形成研磨墊的背托層。形成背托層的步驟可包括硬化該背托層的多個層,且用于硬化該背托層的該多個層的硬化量與硬化該研磨層的該多個層的硬化量不同。形成該背托層的步驟可包括噴出與該墊前驅(qū)物材料不同的材料。該固化的研磨材料所具有的硬度可介于約40蕭氏D型硬度(Shore D)至80蕭氏D型硬度之間。該墊材料前驅(qū)物可為熔化的墊材料,且固化該墊材料前驅(qū)物的步驟可包括冷卻該熔化的墊材料。
      [0014]本發(fā)明的潛在優(yōu)點可包括下述一或多項優(yōu)點。所制造的研磨墊可具有極高的公差(tolerance),即具有良好的厚度均勻性。可在研磨墊中形成溝槽而不會使厚度均勻性產(chǎn)生畸變。改善整個基板上的研磨均勻性,尤其是改善于低壓力(例如,低于0.Spsi,或甚至低于0.5psi或0.3psi)下整個基板上的研磨均勻性。本發(fā)明的墊制造工藝適用于不同的研磨墊構(gòu)造和溝槽圖案。可更快且更便宜地制造研磨墊。
      [0015]附圖及以下內(nèi)容陳述一或多個實施方案的細節(jié)。由本案說明書、附圖及權(quán)利要求范圍將可理解其它特征、目標和優(yōu)點。
      [0016]附圖描述
      [0017]圖1A是示例性研磨墊的概要側(cè)視剖面圖。
      [0018]圖1B是另一示例性研磨墊的概要側(cè)視剖面圖。
      [0019]圖1C是又另一示例性研磨墊的概要側(cè)視剖面圖。
      [0020]圖2是化學(xué)機械研磨站的概要側(cè)視局部剖面圖。
      [0021]圖3是圖示基板與圖1A的研磨墊接觸的概要側(cè)視剖面圖。
      [0022]圖中以相同組件符號代表各圖中的相同組件。
      [0023]詳細描述
      [0024]參閱圖1A?1C,研磨墊18包含研磨層22。如圖1A所示,研磨墊可以是由研磨層22所組成的單層式墊,或如圖1C所示般,研磨墊可為包含研磨層22和至少一背托層20的多層式墊。
      [0025]研磨層22可以是在研磨工藝中呈惰性的材料。研磨層22的材料可為塑料,例如聚胺甲酸乙酯(polyurethane)。在某些實施方案中,研磨層22為相對耐用且硬的材料。例如,以蕭氏D型硬度等級而言,研磨層22所具有的硬度可為約40蕭氏D型硬度至80蕭氏D型硬度,例如55蕭氏D型硬度至65蕭氏D型硬度。
      [0026]如圖1A所示,研磨層22可為由均質(zhì)組成物所形成的層,或如圖1B所示,研磨層22可含有固定在由塑料材料(例如,聚胺甲酸乙酯)所形成的基質(zhì)29中的研磨粒28。研磨粒28比基質(zhì)29的材料更硬。研磨粒28可占該研磨層的0.05重量%至75重量%。例如,研磨粒28可能少于該研磨層22的I重量%,例如少于0.1重量%。或者,研磨粒28可多于該研磨層22的10重量%,例如多于50重量%。研磨粒的材料可為金屬氧化物,例如氧化鋪(ceria)、氧化招(alumina)、氧化娃(silica)或上述金屬氧化物的組合物。
      [0027]在某些實施方案中,該研磨層可包含孔洞,例如小孔隙。該等孔洞可寬達50微米至100微米。
      [0028]研磨層18所具有的厚度Dl可為80密耳(mils)或更薄,例如可為50密耳或更薄,例如25密耳或更薄。由于調(diào)整(condit1ning)工藝通常將表層(cover layer)磨除,因此可選擇該研磨層22的厚度,以為該研磨墊18提供可用的壽命,例如3000次的研磨和調(diào)整循環(huán)。
      [0029]在微觀尺度上,研磨層22的研磨表面24可具有粗糙的表面紋理,例如2微米至4微米的表面均方根(rms)粗糙度。例如,可使研磨層22經(jīng)過研磨或調(diào)整工藝以產(chǎn)生粗糙的表面紋理。此外,3D印刷可提供小且均勻一致的特征,例如小至200微米的特征。
      [0030]盡管研磨表面24在微觀尺度上可能是粗糙的,但在研磨墊本身的宏觀尺度上,研磨層22可具有良好的厚度均勻性(此均勻性是指相對于研磨層底表面而言,研磨表面24在高度上的整體變化,而不是指刻意在該研磨層中形成的任何宏觀上的溝槽或孔洞)。例如,厚度的不均勻性可小于I密耳。
      [0031]可任選地,該研磨表面24的至少一部分中可形成有多個溝槽26以用于輸送漿料。該等溝槽26可幾乎是任何圖案,例如同心圓、直線狀、格紋狀、螺旋狀及諸如此類的形狀。假若具有溝槽,則介于該等溝槽26之間的研磨表面24( S卩,臺地部分)可例如約占研磨墊22的總水平表面積的25%至90%。因此,該等溝槽26可占該研磨墊18的總水平表面積的10%至75%。介于該等溝槽26之間的臺地部分可具有約0.1毫米至約2.5毫米的橫向?qū)挾取?br> [0032]在某些實施方案中,例如,若具有背托層20時,該等溝槽26可延伸貫穿整個研磨層22。在某些實施方案中,該等溝槽26可延伸穿透該研磨層22的厚度的約20%至80%,例如40%。該等溝槽26的深度可為0.25毫米至I毫米。例如,在具有厚度為50密耳的研磨層22的研磨墊18中,該等溝槽26的深度D2可為約20密耳。
      [0033]背托層20可比研磨層22柔軟且更加可壓縮。以蕭氏A型硬度等級而言,背托層20可具有80或更小的硬度,例如可具有約60蕭氏A型硬度。背托層20可比研磨層22厚、比研磨層22薄或與研磨層22具有相同厚度。
      [0034]例如,該背托層可為開放孔型泡棉(open-cel I foam)或封閉孔型泡棉(closed-cell foam),例如含有孔隙的聚胺甲酸乙酯或聚娃氧(polysilicone),使得當(dāng)處于壓力下時,該等孔崩塌且該背托層壓縮。背托層的合適材料為購自羅杰斯公司(RogersCoroperat1n,位于美國康乃迪克州羅杰斯市)的P0R0N 4701-30或購自羅門哈斯公司(Rohm & Haas)的SUBA-1V??山逵蛇x擇該層的材料和孔隙度而調(diào)整背托層的硬度?;蛘?,可使用與該研磨層相同的前驅(qū)物和相同孔隙度形成該背托層20,但使該背托層20具有不同的硬化程度從而具有不同硬度。
      [0035]現(xiàn)回到圖2,可于CMP設(shè)備的研磨站10處研磨一或多個基板14。在美國專利第5,738,574號中可找到對于適當(dāng)研磨設(shè)備的描述,且該案內(nèi)容以引用方式全文并入本案。
      [0036]研磨站10可包含旋轉(zhuǎn)臺(platen) 16,且研磨墊18放置在旋轉(zhuǎn)臺16上。研磨步驟期間,可利用衆(zhòng)料供應(yīng)端口或復(fù)合式衆(zhòng)料/清洗臂(combined slurry/rinse arm) 32供應(yīng)研磨液30(例如,研磨漿料)至研磨墊18的表面。研磨液30可含有研磨粒、酸堿度調(diào)整劑或化學(xué)活性成分。
      [0037]利用承載頭34固持基板14并使基板14抵靠著研磨墊18。承載頭34懸掛在支撐結(jié)構(gòu)(例如,旋轉(zhuǎn)架)上,并且利用承載件驅(qū)動軸36連接該承載頭34與承載頭旋轉(zhuǎn)馬達,使得該承載頭可繞著軸38旋轉(zhuǎn)。在研磨液30存在的情況下研磨墊18與基板14的相對運動導(dǎo)致研磨該基板14。
      [0038]參閱圖3,使用3D印刷工藝制造至少該研磨墊18的研磨層22。制造工藝期間,以漸進方式沉積和融合(fused)薄材料層。例如,可從液滴噴出式印刷機55的噴嘴54噴出墊前驅(qū)物材料的液滴52以形成層50。液滴噴出式印刷機55類似于噴墨印刷機,但使用墊前驅(qū)物材料,而非使用墨水。噴嘴54(如箭頭A所示地)平移而橫越支座51。
      [0039]就所沉積的第一層50a而言,噴嘴54可噴射在支座51上。就后續(xù)沉積層50b而言,噴嘴54可噴射在已固化的材料56上。待每一層50固化之后,接著在先前沉積的層上沉積新的層,直到完整的三維(3D)研磨層22制造完成。利用噴嘴54依據(jù)計算機60上執(zhí)行的3D繪圖計算機程序中所儲存的圖案噴涂每一層。每一層50皆小于研磨層22的總厚度的50%,例如小于10%,例如小于5%,例如小于1%。
      [0040]支座51可為剛性底座或為撓性膜,例如,聚四氟乙烯層(polytetrafluoroethylene,PTFE)。若支座51為膜,則該支座51可成為研磨墊18的一部分。例如,支座51可為背托層20或為介于背托層20和研磨層22之間的層?;蛘?,可從支座51上卸除研磨層22。
      [0041]可利用聚合反應(yīng)達成固化作用。例如,墊前驅(qū)物材料層50可為單體,并可利用紫外線(UV)硬化法使該單體于原位上進行聚合反應(yīng)。該墊前驅(qū)物材料可一旦沉積,便立即使該墊前驅(qū)物材料有效硬化,或可先沉積整個墊前驅(qū)物材料層50,且隨后使整個墊前驅(qū)物材料層50同時硬化。
      [0042]然而,有數(shù)種不同技術(shù)可達成3D印刷。例如,液滴52可為熔化的聚合物,并當(dāng)冷卻時該聚合物會固化?;蛘撸撚∷C通過噴涂粉末層并將黏合劑材料液滴噴在該粉末層上來構(gòu)造該研磨層22。在此情況下,該粉末可含有添加劑,例如含有研磨粒22。
      [0043]3D印刷方法消除對于制造昂貴且耗時的模具的需求。3D印刷方法亦免于使用數(shù)個習(xí)知的墊制造步驟(例如,模塑、澆鑄及機械加工)。此外,由于逐層印刷的方式能夠達成緊密公差(tight tolerance)。此外,藉由簡單改變儲存在3D繪圖計算機程序中的圖案,便可使用一個印刷系統(tǒng)(包含印刷機55和計算機60)制造各種不同研磨墊。
      [0044]在某些實施方案中,亦可使用3D印刷工藝制造該背托層20。例如,可利用印刷機55以不間斷的操作方式制造背托層20和研磨層22。藉由使用不同的硬化量(例如不同的UV輻射強度)可為背托層20提供與研磨層22的硬度不同的硬度。
      [0045]在其它實施方案中,使用習(xí)知工藝制造該背托層20,且隨后將該背托層固定于研磨層22。例如,可利用薄黏著層28 (例如,壓敏式黏著劑)將研磨層22固定于背托層20。
      [0046]現(xiàn)已描述諸多實施方案。然而,應(yīng)理解尚可做出各種修改。例如,研磨墊或承載頭或兩者皆能移動以提供研磨表面和基板之間的相對運動。研磨墊可為圓形或某些其它形狀??捎谘心|的底表面上施用黏著層以將該墊固定于轉(zhuǎn)盤上,并且將該研磨墊放置于該轉(zhuǎn)盤上之前,可利用可去除的襯層覆蓋該黏著層。此外,盡管文中使用諸多垂直定位用語,但需理解,該研磨表面和基板可在垂直方向或某些其它方向上顛倒設(shè)置。
      [0047]因此,其它實施方案亦落入所附權(quán)利要求的范圍中。
      【權(quán)利要求】
      1.一種制造研磨墊的研磨層的方法,所述方法包括以下步驟: 使用3D印刷機相繼地沉積多個層,藉由從噴嘴噴出墊材料前驅(qū)物、且固化所述墊材料前驅(qū)物以形成固化的墊材料的方式來沉積多個研磨層的每一層。
      2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述多個層的每一層的厚度小于所述研磨層的總厚度的50%。
      3.如權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于,所述多個層的每一層的厚度小于所述研磨層的總厚度的1%。
      4.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,包括藉由在計算機上執(zhí)行的3D繪圖程序控制所述墊材料前驅(qū)物的射出以在所述多個層的至少一些層中形成圖案的方式來在所述研磨層中形成凹槽。
      5.如權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于,所述凹槽的形狀塑造成圓柱形、平頭角錐形或棱柱形中的一者或多者。
      6.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,固化所述墊材料前驅(qū)物的步驟包括硬化所述墊材料前驅(qū)物。
      7.如權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,硬化所述墊材料前驅(qū)物的步驟包括紫外線(UV)硬化。
      8.如權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,所述墊材料前驅(qū)物包括胺甲酸乙酯單體。
      9.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,包括于所述固化的墊材料內(nèi)提供研磨粒。
      10.如權(quán)利要求9所述的方法,其特征在于,所述研磨粒包括金屬氧化物顆粒。
      11.如權(quán)利要求9所述的方法,其特征在于,所述研磨粒包括氧化硅、氧化鋁、氧化鈰或上述各項的組合物。
      12.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,包括通過使用所述3D印刷機相繼地沉積多個層以形成所述研磨墊的背托層。
      13.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于,形成所述背托層的步驟包括硬化所述背托層的所述多個層,且用于硬化所述背托層的所述多個層的硬化量與硬化所述研磨層的所述多個層的硬化量不同。
      14.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于,形成所述背托層的步驟包括噴出與所述墊前驅(qū)物材料不同的材料。
      15.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述墊材料前驅(qū)物包括熔化的墊材料,以及固化所述墊材料前驅(qū)物的步驟包括冷卻所述熔化的墊材料。
      【文檔編號】H01L21/304GK104285281SQ201380023299
      【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年4月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月25日
      【發(fā)明者】R·巴賈杰, B·L·欽, T·Y·李 申請人:應(yīng)用材料公司
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