具有窗口的軟性且可修整的化學機械拋光墊的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及化學機械拋光墊及其制備和使用方法。更具體來說，本發(fā)明涉及一 種化學機械拋光墊，所述化學機械拋光墊包括拋光層和結合至所述拋光層的終點檢測窗 口，所述拋光層具有以下性質：密度大于〇.6g/cm3;肖氏D硬度為5-40;斷裂伸長率為 100-450%;切割速率為25-150微米/小時；其中所述拋光層具有適合用來對基材進行拋光 的拋光表面。
[0002] 在集成電路和其它電子器件的制造中，需要在半導體晶片的表面上沉積多層的導 電材料、半導體材料和介電材料，以及將這些材料層從半導體晶片的表面除去?？梢允褂?許多種沉積技術沉積導電材料、半導體材料和介電材料的薄層?，F(xiàn)代晶片加工中常規(guī)的沉 積技術包括物理氣相沉積（PVD)(也稱為濺射）、化學氣相沉積（CVD)、等離子促進的化學氣 相沉積（PECVD)和電化學鍍覆等?，F(xiàn)代去除技術包括濕法和干法各向同性和各向異性蝕刻 等。
[0003] 當材料層被依次沉積和除去時，晶片的最上層表面變得不平。因為隨后的半導體 加工（例如金屬化）需要晶片具有平坦的表面，所以需要對晶片進行平面化。平面化可用 來除去不希望出現(xiàn)的表面形貌和表面缺陷，例如粗糙表面，團聚材料，晶格破壞，劃痕和污 染的層或材料。
[0004] 化學機械平面化，即化學機械拋光（CMP)是一種用來對半導體晶片之類的工件進 行平面化或拋光的常規(guī)技術。在常規(guī)的CMP中，將晶片支架或拋光頭安裝在支架組件上。 所述拋光頭固定著所述晶片，將所述晶片置于與拋光墊的拋光層接觸的位置，所述拋光墊 安裝在CMP設備中的臺子或臺面上。所述支架組件在晶片和拋光墊之間提供可以控制的壓 力。同時，將拋光介質（例如漿液）分配在拋光墊上，并引入晶片和拋光層之間的間隙內。 為了進行拋光，所述拋光墊和晶片通常相對彼此發(fā)生旋轉。當拋光墊在晶片下面旋轉的同 時，所述晶片掃出一個通常為環(huán)形的拋光痕跡（polishing track)，或拋光區(qū)域，其中所述 晶片的表面直接面對所述拋光層。通過拋光層和拋光介質在晶片表面上的化學和機械作 用，晶片表面被拋光并且變得平坦。
[0005] 拋光墊表面的"修整（conditioning) "或"打磨（dressing) "對于獲得穩(wěn)定的拋 光性能所需的穩(wěn)定拋光表面來說是很重要的。隨著時間的流逝，拋光墊的拋光表面被磨損， 磨平了拋光表面的微型構造（microtexture)，這是被稱為"磨鈍（glazing)"的現(xiàn)象。拋光 墊修整通常是通過使用修整盤對拋光表面進行機械研磨而完成的。所述修整盤具有粗糙的 修整表面，該粗糙修整表面通常包括嵌入的金剛石顆粒點。在CMP工藝中，當拋光暫停時， 在間歇的間斷時間段內使修整盤與拋光表面接觸（"外部"），或者在CMP工藝進行過程中 使修整盤與拋光表面接觸（"原位"）。通常所述修整盤在相對于拋光墊旋轉軸固定的位置 旋轉，隨著拋光墊的旋轉掃出一個環(huán)形的修整區(qū)域。所述的修整工藝在拋光墊表面內切割 出微型的溝道，對拋光墊的材料進行研磨和刨刮，重新恢復拋光墊的織構結構。
[0006] 半導體器件正變得越來越復雜，具有更精細的特征以及較多的金屬化層。為了保 持平面性以及限制拋光缺陷，這種趨勢要求從拋光耗材具有改進的性能。拋光缺陷可形成 導線的電學破壞或電短路，這將使半導體器件無功能。眾所周知，一種減少拋光缺陷（例如 微-劃傷或震痕）的方法是使用較軟的拋光墊。
[0007] 美國專利第7, 074, 115號中James等人公開了一類軟聚氨醋拋光層。James等 人公開了一種拋光墊，其包含異氰酸酯封端的氨基甲酸酯預聚物與芳族二胺或多胺固化劑 的反應產(chǎn)物，其中所述反應產(chǎn)物具有的孔隙率為至少0. 1體積％，在40°C和1弧度/秒的 條件下的KEL能量損失因子為385-7501/Pa，在40°C和1弧度/秒的條件下的模量E'為 100-400MPa〇
[0008] 如上所述，為了最佳拋光性能，必需對化學機械拋光墊的表面進行金剛石修整，以 形成良好的微觀構造。但是，在常規(guī)拋光層材料（例如James等人所述的那些材料）中很 難形成此類構造，這是因為這些材料具有高延性，如拉伸斷裂伸長率值所測得。因此，當使 用金剛石修整盤對這些材料進行修整時，不是在墊的表面內切割出溝道，修整盤中的金剛 石只是將墊材料推開，而沒有進行切割。因此，使用金剛石修整盤進行修整只能在這些常規(guī) 材料的表面中形成極少量的構造。
[0009] 另一個與這些常規(guī)化學機械拋光墊材料相關的問題出現(xiàn)在在墊表面中形成宏觀 凹槽圖案的加工過程中。常規(guī)化學機械拋光墊通常具有在其拋光表面內切割的凹槽圖案以 促進漿液流動并從墊-晶片界面除去拋光碎肩。通常使用車床或通過CNC銑機在拋光墊的 拋光表面內切割出此類凹槽。但是對于軟墊材料，會出現(xiàn)與金剛石修整所發(fā)生的問題類似 的問題，使得在鉆頭通過后，墊材料只是簡單回彈，形成的凹槽本身很緊密。因此，凹槽品質 較差，更難以成功地制造商業(yè)上可接受的具有此類軟材料的墊。這個問題隨著墊材料硬度 下降而更加惡化。
[0010] 化學機械拋光中存在的另一個問題是，如何確定何時已經(jīng)將基材拋光至所需的程 度。人們已經(jīng)開發(fā)出用于檢測拋光終點的原位方法。原位光學終點檢測技術可分為兩個基 本的類別：（1)監(jiān)測在單一波長下的反射的光學信號或者（2)監(jiān)測來自多個波長的反射的 光學信號。用于光學終點的常規(guī)波長包括以下范圍內的波長：可見光譜（例如400-700納 米）、紫外光譜（315-400納米）和紅外光譜（700-1000納米）。在美國專利第5, 433, 651 號中，Lustig等人公開了使用單一波長的聚合物終點檢測方法，其中來自激光源的光在晶 片表面?zhèn)鞑?，并檢測反射的信號。當晶片表面處的組成從一種金屬變?yōu)榱硪环N金屬時，反 射率會發(fā)生變化。然后用反射率的變化來檢測拋光終點。在美國專利第6, 106, 662號中， Bibby等人揭示了使用分光計來獲得可見光譜范圍內的反射光的強度譜。在金屬CMP應用 中，Bibby等人教導使用全譜來檢測拋光終點。
[0011] 為了適應這些光學終點技術，人們開發(fā)了具有窗口的化學機械拋光墊。例如，在美 國專利第5, 605, 760號中，Roberts公開了其中墊的至少一部分在一定波長范圍內對激光 是透明的拋光墊。在一些公開的實施方式中，Roberts教導了一種拋光墊，該拋光墊在原本 不透明墊中包括透明的窗口片。該窗口片可以是在模塑的拋光墊中的透明聚合物的桿或塞 嵌件。可以將所述桿或塞嵌件插入模塑在拋光墊之內（即"整體性窗口"），或者可以在模 塑操作后將所述桿或塞嵌件安裝在拋光墊中的開孔（cut out)中（即，"塞入性窗口"）。
[0012] 例如美國專利第6, 984, 163號中所述的脂族異氰酸酯基聚氨酯材料在寬闊的光 譜內提供了改進的透光率。不幸的是，這些脂族聚氨酯窗等傾向于缺乏高要求的拋光應用 所需的嚴格的耐久性。
[0013] 基于常規(guī)聚合物的終點檢測窗口通常在暴露于波長330-425納米的光時發(fā)生不 希望的降解。但是，在半導體拋光應用中為了促進較薄的材料層以及較小的器件尺寸，使用 較短波長的光用于終點檢測目的的壓力逐漸增大。
[0014] 此外，半導體器件正變得越來越復雜，具有較精細的特征以及較多的金屬化層。為 了保持平面性以及限制拋光缺陷，這種趨勢要求拋光耗材具有改進性能。拋光缺陷可形成 導線的電學破壞或電短路，這將使半導體器件無功能。眾所周知，一種減少拋光缺陷（例如 微-劃傷或震痕）的方法是使用較軟的拋層材料。因此，本領域存在使用較軟的拋光層材 料來促進改進的缺陷度性能的趨勢。然而，常規(guī)窗口制劑與此類較軟的拋光層材料不會良 好匹配，往往會導致拋光缺陷度增加。
[0015] 因此，本領域一直需要具有能與低缺陷制劑相關的物理性質很好地相關 聯(lián)的物理性質的化學機械拋光墊，并且其還可使所述拋光層具有增強的可修整性 (conditionability)(即具有25-150微米/小時的切割速率），并且本領域需要用于此類 化學機械拋光墊中的改進的聚合物終點檢測窗口制劑。具體而言，本領域一直需要具有以 下特征的聚合物終點檢測窗口制劑：肖氏D硬度< 50,以及斷裂伸長率< 400% ;其中所述 窗口制劑不具有不理想的窗口變形，并且具有高要求的拋光應用所需的耐久性。

【發(fā)明內容】

[0016] 本發(fā)明提供了一種化學機械拋光墊，其包括：拋光層，所述拋光層具有拋光表面、 底表面和平均厚度，該厚度是在垂直于所述拋光表面的方向上從所述拋光表面測量 到所述底表面得到的；以及結合至所述拋光層中的終點檢測窗口；其中所述拋光層包括以 下成分的反應產(chǎn)物，所述成分包括拋光層預聚物以及拋光層固化劑體系，其中所述拋光層 預聚物選自具有2-12重量％的未反應的NCO基團的異氰酸酯封端的氨基甲酸酯預聚物， 所述拋光層固化劑體系包括：至少5重量％的拋光層胺引發(fā)的多元醇固化劑、25-95重量％ 的拋光層高分子量多元醇固化劑以及0-70重量％的拋光層雙官能的固化劑，所述拋光層 胺引發(fā)的多元醇固化劑每個分子具有至少一個氮原子并且每個分子平均具有至少三個羥 基；所述拋光層高分子量多元醇固化劑的數(shù)均分子量化為2, 500-100, 000并且每個分子平 均具有3-10個羥基；其中所述終點檢測窗口包括以下成分的反應產(chǎn)物，所述成分包括窗口 預聚物以及窗口固化劑體系，其中所述窗口預聚物選自具有2-6. 5重量％的未反應的NCO 基團的異氰酸酯封端的氨基甲酸酯預聚物，所述窗口固化劑體系包括：至少5重量％的窗 口雙官能的固化劑、至少5重量％的窗口胺引發(fā)的多元醇固化劑以及25-90重量％的窗口 高分子量多元醇固化劑，所述窗口胺引發(fā)的多元醇固化劑每個分子具有至少一個氮原子并 且每個分子平均具有至少三個羥基；所述窗口高分子量多元醇固化劑的數(shù)均分子量仏為 2, 000-100, 000并且每個分子平均具有3-10個羥基；其中所述拋光層的密度多0. 6g/cm3、 肖氏D硬度為5-40、斷裂伸長率為100-450%、以及切割速率為25-150 μ m/hr。
[0017] 本發(fā)明提供了一種化學機械拋光墊，其包括：拋光層，所述拋光層具有拋光表面、 底表面和平均厚度，該厚度是在垂直于所述拋光表面的方向上從所述拋光表面測量 到所述底表面得到的；結合至所述拋光層中的終點檢測窗口；剛性層，所述剛性層具有上 表面和下表面；以及熱熔粘合劑，所述熱熔粘合劑介于所述拋光層的底表面和所述剛性層 的上表面之間；其中，所述熱熔粘合劑將所述拋光層與所述剛性層粘結；其中所述拋光層 包括以下成分的反應產(chǎn)物，所述成分包括拋光層預聚物以及拋光層固化劑體系，其中所述 拋光層預聚物選自具有2-12重量％的未反應的NCO基團的異氰酸酯封端的氨基甲酸酯預 聚物，所述拋光層固化劑體系包括：至少5重量％的拋光層胺引發(fā)的多元醇固化劑、25-95 重量％的拋光層高分子量多元醇固化劑以及0-70重量％的拋光層雙官能的固化劑，所述 拋光層胺引發(fā)的多元醇固化劑每個分子具有至少一個氮原子并且每個分子平均具有至少 三個羥基；所述拋光層高分子量多元醇固化劑的數(shù)均分子量化為2, 500-100, 000并且每個 分子平均具有3-10個羥基；其中所述終點檢測窗口包括以下成分的反應產(chǎn)物，所述成分包 括窗口預聚物以及窗口固化劑體系，其中所述窗口預聚物選自具有2-6. 5重量％的未反應 的NCO基團的異氰酸酯封端的氨基甲酸酯預聚物，所述窗口固化劑體系包括：至少5重量％ 的窗口雙官能的固化劑、至少5重量％的窗口胺引發(fā)的多元醇固化劑以及25-90重量％的 窗口高分子量多元醇固化劑，所述窗口胺引發(fā)的多元醇固化劑每個分子具有至少一個氮原 子并且每個分子平均具有至少三個羥基；所述窗口高分子量多元醇固化劑的數(shù)均分子量Mn為2, 000-100, 000并且每個分子平均具有3-10個羥基；其中所述拋光層的密度多0. 6g/ cm3、肖氏D硬度為5-40、斷裂伸長率為100-450%、以及切割速率為25-150 μ m/hr。
[0018] 本發(fā)明提供了一種化學機械拋光墊，其包括：拋光層，所述拋光層具有拋光表面、 底表面和平均厚度，該厚度是在垂直于所述拋光表面的方向上從所述拋光表面測量 到所述底表面得到的；結合至所