CN100341118C - 化学机械抛光装置用晶片定位环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了将晶片定位到化学机械抛光设备上的晶片定位环，它可以防止晶片受到损害，它具有优良的耐磨耗性，可以减少更换的工作，从而实现抛光晶片的规模生产。在用于化学机械抛光设备的晶片定位环的表面上，其中至少与晶片接触的部分，由包括至少30重量%聚苯并咪唑的树脂组合物构成。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械抛光(以后称之为“CMP”)装置用晶片定位环。
背景技术
在最近几年，LSI的制造转向高密度集成方向，即，256兆位和进一步到千兆位。为了实现LSI的较高密度集成，例如电线图案和绝缘层必需采用多层层状结构和细微的设计规则。当分层和形成精密图案同时进行时，分层的时候，在具有凹凸表面的较低层上形成抗蚀图形，该抗蚀图形反过来影响抗蚀剂的曝光。特别是，当底层的抗蚀涂层表面不平坦时，例如源自底层凹凸表面曝光光线的反射槽，使得使用预定分辨率很难形成抗蚀图像。
为了解决抗蚀剂曝光中存在的问题，人们已经开发和使用了许多使抗蚀涂层表面平坦化的方法。其中的一种方法就是用CMP设备，该方法已经应用于一些领域。最近还采用了四分之一微米或更小的设计规则，这里我们特别关注CMP技术。
CMP设备图参见图1，其中图1A为沿旋转中心轴的剖面图，图1B为俯视图。这个设备包括，具有平坦表面的旋转底座1；在底座表面设计有至少一个抛光衬垫2，它和底座一起旋转；向抛光衬垫上进浆料的工具(没有画出来)；晶片定位环4(也可以称为“固定环”或“载环”)，其面对抛光衬垫，并围绕在半导体晶片3周围，将半导体晶片3固定在抛光衬垫的表面上；托架5和晶片定位环一起将晶片固定。选择性提供在抛光衬垫和半导体晶片间产生相对振动的振动发生器。将浆料加入到晶片3和抛光衬垫2接触的区域，旋转底座1来抛光晶片3的表面。
图1C为CMP设备另一个例子的剖面图。在这个设备中，通过在晶片固定环4内部的部件5’将晶片3压到抛光衬垫上，并且在那里抛光。为了代替将晶片压到抛光衬垫上的部件，例如可以用压缩空气将晶片压到抛光衬垫上。
用于抛光的浆料一般包括研磨剂、和用于对金属层或氧化层进行化学反应和溶解的碱性或酸性液体。因为有许多可以用CMP方法对其平坦化的对象，例如氧化层、多晶硅层和金属层，因此根据抛光的对象来选择最合适的研磨剂和浆料组合物。在CMP方法的浆料中使用的研磨剂的代表包括：胶体氧化硅、煅制氧化硅、沉淀氧化铝和煅制氧化铝。在抛光氧化层时，多数情况下使用胶体氧化硅和煅制氧化硅。当使用胶体氧化硅作为研磨剂时，一般由硅酸钠(Na2SiO3)来制备胶体氧化硅。
在抛光时，晶片定位环可以在抛光、改变和调整半导体晶片表面的研磨状态时精确地保持半导体晶片。当抛光半导体晶片时，晶片定位环也和抛光衬垫接触，并且被研磨和磨损，因此，当磨耗达到一定值时，应该更换晶片定位环。
因此，当晶片定位环使用相对较软的树脂作为材料时，晶片定位环会很快被磨损，这样就必须频繁更换晶片定位环。
为了降低磨耗，有时使用硬材料作为软树脂。传统的用于晶片定位环的硬材料为氧化铝和例如钛的金属，然而在使用金属时，人们担心金属会污染晶片。另外，在抛光时，晶片的外边缘和晶片定位环的内周面碰撞，会造成晶片损伤。
日本专利未审公开187657/1996公开了一种陶制的晶片定位环，虽然这种晶片定位环的耐磨耗性得到了改善，但是，和用金属制的晶片定位环一样，有时会磨损晶片。
日本专利未审公开52241/2000公开了一种方法，其中由耐磨材料构成了晶片定位环的内周面，即由软性材料构成了与晶片接触的晶片定位环的一部分。由于这种晶片定位环以内周面软材料部分被磨损为前提，环的厚度大于传统晶片定位环厚度，使用这种晶片定位环需要特殊的设计。
发明内容
本发明提供了用于化学机械抛光设备的晶片定位环，它可以将晶片定位到化学机械抛光设备上，其中在所述的晶片定位环的表面上至少与晶片接触的部分，由包括至少30重量％聚苯并咪唑的树脂组合物构成。
这种用于化学机械抛光设备的晶片定位环可以防止晶片磨损，它具有优良的耐磨耗性、耐氧化分解性和耐水解性，并且可以减少替换的工作，从而最终实现抛光晶片的大规模生产。
附图说明
图1为化学机械抛光设备典型结构图，其中图1A为正剖面图，图1B为俯视图；和
图2为本发明晶片定位环典型剖面结构图。
具体实施方式
在本发明的物件材料中可使用的聚苯并咪唑为杂环聚合物，它具有优良的热稳定性、耐氧化性、耐水解性和其它性质，可以将例如一种或多种芳族四胺和一种或多种芳族、脂族或杂环二羧酸及其酯或其酸酐进行缩聚反应，通过一步或两步来制备。上述的制备方法在许多美国专利中有描述，例如：美国再发行专利第26065号，和美国专利第3,133,783、3,509,108、3,518,234、3,555,389、3,433,772、3,408,336、3,578,644、3,549,603、3,708,439、4,154,919、4,312,976、4,377,546和4,549,388号。其他的关于聚苯并咪唑的制备工艺在文献J.P.Critchley，G.J.Knight和W.W.Wright的“Heat-Resistant Polymers-Technologically Useful Materials”Plenum Press，纽约(1983)第256-322页中有解释。
芳族四胺(I)和芳族、脂族或杂环二羧酸及其酯或其酸酐(II)进行缩聚反应制备聚苯并咪唑，例如用下述结构式表示：
其中Ar代表四价的芳族基团，在四个氨基中，每两个氨基构成一对，这两对分别键合到芳核上的邻位；
Ar’代表二价芳族基团、亚烷基或杂环基；和
Y代表氢原子、优选苯基的芳基或烷基，不超过95％的Y为氢或苯基。
可以使用两种或多种芳族四胺(I)和两种或多种二羧酸化合物(II)的混合物。
可以使用的芳族四胺(I)具体例子由下式代表：
其中X为-O-、-S-、-SO2-，或低级亚烷基，例如-CH2-、-(CH2)2-、-C(CH3)2-。
芳族四胺优选3，3’，4，4’-四氨基联苯.
二羧酸组份可以为(i)游离酸和至少一种二酯和/或单酯的混合物，(ii)二酯和/或单酯的混合物，或(iii)单一的二烷基酯、单酯或芳基烷基混合或烷基烷基混合的酯。二羧酸组份可以全部由游离酸或联苯酯组成。当Y为烷基时，烷基优选具有1到5个碳原子，更优选甲基。当Y为芳基时，该芳基可以为被例如含有1到5个碳原子的烷基或烷氧基的任何惰性一价基团取代，或未取代的芳族、亚烷基或杂环基团。芳族基团可以为任何一价的芳族基团，除了芳族基团的一个位置，其它都可以被氢原子饱和。芳基特定的例子包括苯基、萘基、三种苯基、三种甲苯基。芳基优选苯基。
在上述的制备方法中合适的二羧酸包括(i)芳族二羧酸，(ii)脂族二羧酸，优选4到8个碳原子的脂族二羧酸，(iii)杂环二羧酸，其中羰基连在例如吡啶、哌嗪、呋喃、喹啉、噻吩和吡喃环化合物的碳原子上。
作为游离酸或酯的二羧酸包括，例如下面的芳族二羧酸，
其中X与上述芳族四胺中的定义相同。
特定的二羧酸化合物包括间苯二酸、对苯二酸、4，4’-联苯二甲酸、1，4-萘二甲酸，联苯酸(2，2′-联苯二羧酸)，苯基茚满二羧酸、1，6-萘二甲酸、2，6-萘二甲酸、4，4’-二苯基醚二甲酸和4，4’-二苯基硫醚二甲酸。其中在本发明聚苯并咪唑的制备中，优选使用间苯二酸的二羧酸作为游离酸或酯。
以1摩尔芳族四胺为基准，整个二羧酸组份的量约为1摩尔。然而关于特定聚合体系中，反应物的最佳比例，可以由本领域一般的技术人员较容易地确定。
可以通过上述的方法来制备特定的聚苯并咪唑，包括：
聚2，2’-(间亚苯基)-5，5’-联苯并咪唑；
聚2，2’-(亚联苯基-2”，2)-5，5’-联苯并咪唑；
聚2，2’-(亚联苯基-4”，4)-5，5’-联苯并咪唑；
聚2，2’-(1”，1”，3”-三甲基茚满基)-3”，5”-对亚苯基-5，5’-联苯并咪唑；
2，2’-(间亚苯基)-5，5’-联苯并咪唑/2，2’-(1”，1”，3”-三甲基茚满基)-5”，3”-对亚苯基-5，5’-联苯并咪唑的共聚物；
2，2’-(间亚苯基)-5，5’-联苯并咪唑2”，2-5，5’-联苯并咪唑的共聚物；
聚2，2’-(呋喃基-2”，5”)-5，5’-联苯并咪唑；
聚2，2’-(萘基-1”，6”)-5，5’-联苯并咪唑；
聚2，2’-(萘基-2”，6”)-5，5’-联苯并咪唑；
聚2，2’-亚戊基-5，5’-联苯并咪唑；
聚2，2’-八亚甲基-5，5’-联苯并咪唑；
聚2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二咪唑并苯；
聚2，2’-环己基-5，5’-联苯并咪唑；
聚2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)醚；
聚2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)硫化物；
聚2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)砜；
聚2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)甲烷；
聚2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二(苯并咪唑)丙烷-2，2；和
聚乙烯基-1，2-2，2”-(间亚苯基)-5，5”-二(苯并咪唑)乙烯基-1，2(其中乙烯基中的双键最终留在了聚合物中)。
在这些聚合物当中，优选聚2，2’-(间亚苯基)-5，5’-联苯并咪唑。
根据本发明，在晶片定位环中适合使用的聚苯并咪唑由其特性粘度来确定。在本发明中适合使用的聚苯并咪唑的特性粘度为0.2到2.0，优选0.6到1.1。
一般，聚苯并咪唑具有优良的耐化学药品性、耐磨耗性、和高的压缩强度，即使在高温下也会保持这些性质。通常，由于这些性质导致稳定加工的性质，从而限制了聚苯并咪唑成品的用途。加入聚芳基酮有助于加工性质的改善，聚芳基酮具有优良的耐化学药品性、压缩强度和机械特性，尽管它的这些性质并不比聚苯并咪唑更优良，但聚芳基酮比聚苯并咪唑能更便宜地得到。因此使用聚芳基酮作为树脂的组份可以降低成本。当聚芳基酮和聚苯并咪唑混合时，优选使用的聚芳基酮的量不损害聚苯并咪唑的上述性质。
在本发明在使用的聚芳基酮为例如下式的那些：
其中x，y和n为整数。
典型的聚芳基酮为式(III)化合物，其中x为1或2和y为1或2，特定的例子包括，其中x为1和y为1时的聚醚酮(V)，其中x为1和y为2时的聚醚醚酮(VI)，其中x为2和y为2时的聚醚醚酮酮(VII)，和其中x为2和y为1时的聚醚酮酮。其中聚醚醚酮(PEEK)为结晶热塑性树脂，其性质类似于聚醚酮。
在本发明中使用的聚芳基酮为聚醚酮或聚醚醚酮。
根据本发明，在晶片定位环的树脂组合物中，包含至少30重量％的聚苯并咪唑，优选至少50％。加入聚芳基酮可以改善加工性，这时，可以使用的聚芳基酮的量不能损害聚苯并咪唑的性质，因此聚芳基酮的量优选至多70重量％，优选至多50重量％。
根据本发明，在晶片定位环的树脂组合物中可以含有其它树脂，可以使用的其它树脂包括例如，聚酰亚胺、聚酰胺亚胺、聚氯乙烯、聚缩醛、聚硫化苯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚醚砜、聚砜、聚氧化苯、聚烯丙酯和环氧玻璃。这些树脂的使用量要不损害本发明的效果。
根据本发明，在晶片定位环的树脂组合物中可以含有充填剂来提高耐磨性和强度。只要能达到上述的目的，对于本发明中使用的充填剂没有特殊的限定。优选的充填剂包括玻璃纤维、碳纤维、石墨、氮化硼、碳黑、氧化钛和氧化硅。在这些情况下，加入充填剂的比例优选至多40重量％，更优选至多30重量％。
从CMP工艺中避免晶片污染的角度出发，在树脂组合物中金属杂质含量最好比较低，在这里，术语“金属杂质”指在晶片中破坏晶片性质的金属，根据要抛光的晶片不同，金属的种类也不同。上述的金属包括离子、盐和单质形。这些杂质金属包括铁、铜、铬、镍、钠、钾、钙、镁和锂。根据本发明，在晶片固定环使用的树脂组合物中，金属杂质含量优选至多100ppm，更优选至多10ppm。
为了减少树脂组合物中金属杂质的含量，可以从树脂组合物的每一个组份中去除金属杂质，或从整个树脂组合物中去除。可以用不特殊限定的任何方法，从本发明树脂组合物的主要成分聚苯并咪唑中去除金属杂质，可使用的方法包括：过滤分离以细粉末形式存在的金属杂质；用静电或磁力从聚苯并咪唑中去除粉末形式的金属杂质；用阳离子交换树脂处理聚苯并咪唑的溶液或乳液；使用金属螯合剂分离金属杂质；和用酸将金属杂质变为盐，并溶于对聚苯并咪唑来说是弱溶剂的水或低级醇中，接着分离这些盐。这些方法也公开在日本未审专利公开208699/1997中。
当本发明使用的树脂组合物除了含聚苯并咪唑，还含有其它树脂组份时，可以使用上述从聚苯并咪唑中去除金属杂质的方法，从树脂组份或含聚苯并咪唑的树脂组合物中去除金属杂质。
根据本发明，在晶片固定环中使用的聚苯并咪唑优选为，聚2，2’-(间亚苯基)-5，5’-联苯并咪唑，代表式如下：
其中m代表聚合度。
根据本发明，当晶片固定环含聚芳基酮时，聚芳基酮优选式(V)的聚醚醚酮。
本发明的聚苯并咪唑树脂组合物具有优良的耐热性、耐化学药品性、抗辐射性和其它的性质，并且具有优良的耐磨耗性，因此适合于作为CMP设备中晶片固定环的材料，和抛光衬垫接触。
根据本发明，至少部分和晶片接触的晶片固定环的表面由至少含30重量％聚苯并咪唑的树脂组合物构成。这种晶片固定环的构造具体为，在合适的核心材料表面的一部分上，设计由上述树脂组合物构成的表面层；以及由上述树脂组合物构成整个晶片固定环。
当在核心材料表面上设计由上述树脂组合物构成的表面层时，至少在可能接触晶片的部分形成表面层。当晶片固定环的厚度等于或大于晶片的厚度时，有时抛光衬垫会和晶片固定环接触。在这种情况下，优选在与抛光衬垫接触的晶片固定环表面也形成由树脂组合物构成的表面层。
图2为晶片固定环典型剖面结构图。在图2(截面图)中，右侧为晶片固定环的内部，它是与晶片接触的面，上部为和托架固定在一起的一面.
图2A为晶片固定环典型剖面结构图，其中由树脂组合物组成的表面层6，只在核心材料7上和晶片接触的面上形成，图2B为晶片固定环典型剖面结构图，其中由树脂组合物组成的表面层6，在核心材料7上与晶片接触和与抛光衬垫接触的面上形成，图2C为晶片固定环典型剖面结构图，其中由树脂组合物组成的表面层6，覆盖了整个核心材料7的表面，图2D为晶片固定环典型剖面结构图，其中该环整体由树脂组合物6构成。
进一步，CMP设备参见图1C，晶片没有和晶片固定环的整个内表面接触，在这种情况下，只需要在晶片固定环内侧接近抛光衬垫的部分覆盖树脂组合物。图2E到2G为这些晶片固定环的截面图。
当晶片固定环包括了核心材料和在核心材料表面覆盖的表面树脂层时，核心材料可以由现有技术中常用的硬材料或软材料构成。可以使用的材料例子包括：树脂材料，例如聚芳基酮、聚酰亚胺、聚酰胺亚胺、聚氯乙烯、聚缩醛、聚硫化苯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二酯、聚醚砜、聚砜、聚氧化苯、聚烯丙酯和环氧玻璃；金属，例如铝、钛；和陶制品。用已知的方法将上述的材料模塑成核心材料，然后在上面形成树脂组合物的表面层。表面层可以覆盖只和晶片接触的表面，并覆盖和抛光衬垫接触的表面，或任选覆盖核心材料的整个表面。
可以用任何不受限制的方法形成树脂层表面，例如，将聚苯并咪唑树脂组合物溶解在溶剂中制备成溶液，并涂布于晶片固定环的表面，并加热涂层。当不溶于溶剂的充填剂加入到树脂组合物中时，优选填充剂和一种分散剂一起加入。
为了满足晶片固定环的耐磨耗性、抗氧化分解性、耐水解性，表面层的厚度优选至少50μm。更优选表面层的厚度至少为100μm。
当整个晶片固定环由上述的树脂组合物构成时，晶片固定环可以用例如下述的方法形成，例如，将聚苯并咪唑树脂组合物的粉末烧结模塑成所期望的形状，或将聚苯并咪唑树脂组合物制粒成球，再喷射模塑成所期望的形状。聚苯并咪唑混合物模塑的方法已经公开，例如在日本未审专利公开41150/1991和296834/1990中公开的方法，它可以用于本发明。当用喷射模塑法形成晶片固定环时，从利于喷射模塑的角度来说，优选聚芳基酮的加入。
实施例
下面的实施例进一步说明本发明。
实施例
我们评价CMP设备晶片固定环材料的耐磨耗性。
以下述a到h材料形成尺寸为11.3mm×10mm的柱形材料作为样品。在每一个柱形材料的平面一方具有一个厚度为500到800μm的突起。突起部分和浸渍在浆液中的对磨材料接触，在样品上加载，并旋转测量磨耗量，以突起部分高度减少程度(μm)或突起部分中心截面积减少量(μm2)来评价磨耗量。进一步观察磨损后截面的形状。
检测条件如下：
接触压：300g/cm2
周速：0.9m/sec
磨损时间：8小时
使用的浆料：酸性浆料，W 2000，由CABOT公司制造
碱性浆料，SS-25，由CABOT公司制造
对磨材料：IC 1000/SUBA 400，由RODEL公司制造
被评价的材料：
a、聚苯并咪唑(CELAZOLE U-60，由Clariant Japan K.K.制造)
b、50重量％的聚苯并咪唑+50重量％的聚醚醚酮(CELAZOLE TU-60，由Clariant Japan K.K.制造)
c、聚亚酰胺(Vespel SP-1，由Du Pont有限公司制造)
d、聚硫化苯(TECHTRON PPS，由Nippon Polypenco有限公司制造)
e、聚醚醚酮(PEEK NATURAL，由VICTOREX制造)
f、聚碳酸酯(聚碳酸酯，由TAKIRON有限公司制造)
g、聚甲醛(Duracon，由Nippon Polypenco有限公司制造)
h、铝
这里的聚苯并咪唑a和b由式(VIII)表示。
结果如下：
表1
| 样品材料 | 高度的减少量，μm | 截面积的减少量，μm2 | 截面形状 | ||
| SS 25 | W 2000 | SS 25 | W 2000 | ||
| abcdefgh | 426127679577676370 | 117691166486468463727 | 109333223000322344182763611224402078273155636369000 | 193939295000477247173821014071611977000133540081000 | AA-BBCBCCA |
在这里磨损后，根据以下的标准来评价截面形状。
A：突起部分的边缘部分仍然保持，或边缘部分略微变圆。
B：突起部分的边缘部分和内周被适当磨损。
C：突起部分的边缘部分明显磨损，没有留下边缘部分。
上述的结果表明，含有聚苯并咪唑的树脂组合物的耐磨损性优于以前在晶片定位环中使用的材料。其耐磨损性仅次于铝，另外由于材料为树脂组合物，不用担心晶片被金属污染，另外晶片的边缘没有损伤。结果进一步表明，关于经磨耗后截面形状，根据本发明的晶片定位环经磨耗后没有明显的变化。当本发明的晶片定位环用于CMP设备时，这些性质有助于减少由于晶片定位环形状改变而替换的频率。
Claims (6)
1.一种化学机械抛光设备的晶片定位环，用于将晶片定位到化学机械抛光设备上，其中晶片定位环的表面上至少与晶片接触的部分，由包括至少30重量％聚苯并咪唑的树脂组合物构成。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光设备的晶片定位环，其中所述的树脂组合物进一步包括至多70重量％的聚芳基酮。
3.如权利要求1或2所述的化学机械抛光设备的晶片定位环，其中所述的树脂组合物进一步包括至多40重量％的充填剂。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光设备的晶片定位环，其中所述的充填剂为玻璃纤维、碳纤维、石墨、氮化硼、碳黑、氧化钛或氧化硅。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光设备的晶片定位环，其中晶片定位环的表面上至少与晶片接触的部分，形成有由所述树脂组合物构成的表面树脂层，其厚度至少为50μm。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光设备的晶片定位环，其中整个的晶片定位环由所述树脂组合物构成。
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