化學機械拋光之拋光墊表面溝槽形狀的研究與分析

李春宇

(國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心,河南鄭州 450000)

化學機械拋光之拋光墊表面溝槽形狀的研究與分析

李春宇

(國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心,河南鄭州 450000)

在化學機械拋光過程中,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。在分析幾種常規拋光墊表面溝槽結構形狀的特性的基礎上,介紹了新型拋光墊溝槽的研究進展,分析了幾種新型拋光墊表面溝槽對拋光效果的影響,為化學機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。

化學機械拋光 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域,使拋光均勻的進行;(2)從加工表面帶走拋光過程中的殘留物質;(3)傳遞和承載加工去除過程中所需的機械載荷。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鍵參數之一,它直接影響到拋光區域拋光液的運送及均勻分布、化學反應速率、反應產物及其濃度,材料去除速率會產生重要影響,是改變拋光墊性能的重要途徑。國內外學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機械拋光過程的影響越來越受研究者的廣泛關注。國內,廣東工業大學和大連理工大學做過相關研究;國外,美國ROHMamp;HAAS ELECTRONIC MATERIALS CMP公司、韓國株式會社SKC和JSR株式會社做過相關研究并申請了多項專利,如提高拋光液利用率的帶溝槽化學機械拋光墊、具有不均勻間隔溝槽的化學機械拋光墊、促進混合尾跡的待溝槽化學機械拋光墊等專利。本文介紹了化學機械拋光墊表面溝槽的基本形狀及其對拋光效果的影響,通過總結國內外眾多的研究成果和專利,介紹了不同復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構

拋光墊不同的溝槽表面形狀對拋光墊性能及拋光效果產生不同影響。常見的拋光墊溝槽表面的形狀有:圓環狀、柵格狀、正負螺旋對數狀、放射狀及漸開線狀。從拋光墊溝槽表面結構形狀來看,表面圓環狀的溝槽單個圓環封閉,當溝槽達到一定深度時,可以存儲大量的拋光液。漸開線狀與正、負螺旋對數狀溝槽相類似,它們均能夠延長拋光液流動路線和存留時間,當拋光墊以較低速度旋轉時,溝槽可以存儲一定的拋光液。網格狀溝槽不具有封閉結構,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,使其在拋光墊旋轉的離心力作用快速到達拋光墊周邊,以降低拋光液利用率。因此,使用漸開線狀溝槽的拋光墊進行拋光時,得到的材料去除率和工件表面拋光質量較好。

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。當在拋光墊的表面上開設溝槽時,可有效改善拋光壓力分布的均勻度,有利的了提高加工質量。隨著拋光盤轉速的不斷提高,具有溝槽表面的拋光墊在材料去除率方面的優勢更加顯著,原因是采用有溝槽拋光墊時隨著拋光盤轉速的不斷增大,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 拋光墊溝槽復合表面結構

溝槽在實際應用中往往不是單一一種基本形狀應用,而是兩種或者多種基本形狀的復合應用,或者是在基本形狀的基礎上進行改進而成,與溝槽基本形狀相互搭配,改善拋光效果,滿足設計、生產的實際要求。這種復合形狀的溝槽往往會對化學機械拋光效果帶來全新而復雜的影響。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的年代進行系統性梳理,簡要概括該技術的發展路線:(1)簡單的孔和槽相結合,出現于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層表面設置多個孔和位于拋光墊表面上設置多條槽,由于形成的槽是用于使拋光墊和薄片之間不產生負壓的,所以槽間距制成比孔間距大幾倍的形式,該結構拋光墊,可減少拋光劑用量,并能減弱拋光墊和半導體片之間的緊密密封,減小半導體片邊緣部分的超量負載。(2)具有延長槽,出現于2000年,申請人為國際商業機器公司,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。該結構拋光墊,其柔韌性好,能夠在高質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,相鄰同心圓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,各槽具有實際需要的深度、寬度和形狀。解決化學機械拋光中傳統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的平面化效果。(5)具有至少一種環狀、格狀和螺旋狀的溝或槽,出現于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側形成的、且從呈環狀、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,該部位內表面的表面粗糙度(Ra)處于20μ m以下,用于化學機械拋光。該結構的拋光墊具有可獲得平坦性優良的拋光面,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點。在傳統的拋光墊上,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,發明了一種復合形狀溝槽,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,保證拋光率的穩定性,提高晶片的平面化程度。與常規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,應用此類技術的發明如US6783436,US7131895,US7267610等。

3 結語

拋光墊的溝槽對于拋光墊的性能有很大影響。通過系統化分析化學機械拋光墊溝槽的專利申請的集中度,可以發現化學機械拋光墊溝槽形狀正在呈現形狀復雜化,功能多樣化的發展趨勢。其中,關于提高拋光液利用率的專利最多,該技術可明顯降低加工成本,應用范圍廣。拋光墊表面開溝槽可以很大程度上提高拋光墊品質,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(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綜合考慮溝槽形狀及尺寸等多因素的影響,從而達到優化拋光墊性能、改善拋光效果的目的。