CN2915378Y - 化学机械抛光垫及化学机械装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种化学机械抛光垫及化学机械装置，该化学机械抛光垫具有主体，该主体具有抛光表面，该抛光表面具有半径、中心区域以及周边区域。抛光表面具有从中心区域径向地向外延伸到周边区域的多个主径向线槽道，每个主径向线槽道在周边区域具有倾斜外部分，该倾斜外部分以相对于抛光表面的半径的一角导向。抛光表面还具有每个由倾斜过渡部分连接到主径向线槽道的多个初级分支径向线槽道，该初级分支径向线槽道与主径向线槽道间隔开。抛光垫在抛光期间提供抛光浆液改进的分布和流动。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及化学机械抛光垫以及相关的化学机械装置。
背景技术
化学机械平整(CMP)用于在集成电路和显示器的制造中平整衬底的表面。典型的CMP装置包括抛光头，该抛光头振荡衬底以及抛光垫并压迫衬底和抛光垫使其相互抵靠，同时在其间施加研磨颗粒浆液。CMP可以用于平整电介质层、填充有多晶硅或氧化硅的深或浅沟槽、金属膜和其他这样的层的表面。人们认为，CMP抛光通常是作为化学和机械作用的结果而发生，例如在要抛光的材料表面处反复形成化学改性层并随后被抛光掉。例如，在金属特征或层的抛光中，从要抛光的金属表面反复形成和去除金属氧化层。
为了控制浆液分布，抛光垫表面通常具有穿孔或凹槽图案，以控制沿衬底的抛光浆液分布。CMP抛光结果取决于压靠衬底的抛光垫的抛光表面、抛光浆液的研磨颗粒以及衬底的反应性材料之间的化学和机械接触。沿衬底表面的抛光浆液的不均匀分布可能导致衬底表面的不均匀抛光。因此，希望具有能够提供沿衬底表面的浆液均匀分布的抛光垫的抛光表面。
已经发展出几个垫设计，以提供沿衬底表面的更均匀的抛光浆液分布。关于例子，共同转让的美国专利号5,984,769中公开的一种垫设计使用同心圆凹槽或螺旋凹槽，该专利通过引用而全部包含于此。圆凹槽在抛光处理期间填充有抛光浆液，以保持沿衬底表面的抛光浆液的更均匀分布。虽然这样的垫设计改进了整个抛光均匀性，它们还倾向于在垫的抛光表面的特定区域内捕获浆液，导致对应衬底区域的过抛光。另外，因为浆液被捕获在闭合的圆凹槽中，抛光浆液被阻止从垫的中心继续流到其外边缘，这对去除抛光副产品及磨损的浆液颗粒是有利的。在另一个垫设计中，X-Y开槽图案以不同槽道长度提供在抛光表面上。然而，当抛光垫和衬底以旋转运动振荡时，X-Y图案产生由凹槽图案的轴对称性引起的抛光浆液流动不平衡，并还可能导致浆液快速地从垫表面的边缘喷射。
传统设计出现另一个问题，因为垫必须具有足够刚性以平整衬底表面并且具有足够柔性以用均匀压力将抛光垫压靠在衬底表面上。为了适当地平整衬底，抛光垫应该仅抛光衬底外形的尖峰，而不抛光其凹部。然而，如果抛光垫在施加到直接位于衬底外形中的尖峰上方的垫区域的局部化应力下很容易压缩，则围绕尖峰的衬底区域开始过抛光，这是不希望的。垫必须具有足够刚性，以使其在由衬底上的外形尖峰施加的负载下不会被过度压缩，但亦要具有足够柔性以符合并均匀抛光稍微翘曲的衬底。
为了同时满足柔性和刚性的要求，抛光垫通常制作有不同材料的两个堆叠层，底层由柔软弹性的材料制成，而顶层由充当抛光表面的硬材料制成。然而，在使用中，抛光浆液倾向于通过毛细作用从一层的外边缘向两层的中心传送到两层之间的界面中。这种毛细作用在柔软弹性层的可压缩性中引起不希望的改变。过多的毛细作用可能还引起抛光浆液在层之间渗透足够深而到达并改变垫中垫窗口的光学特性。
因此，希望具有一种抛光垫，该抛光垫具有提供均匀和衬底的可重复平整的抛光表面。还希望在抛光垫的抛光表面上具有引起浆液沿衬底表面均匀分布的图案特征。还希望具有柔性但仍提供充分刚性的抛光表面的抛光垫。
发明内容
本发明的目的在于在化学机械装置中的抛光垫的抛光表面上提供均匀的抛光浆液。
在一个方案中，一种用于化学机械抛光装置的化学机械抛光垫具有主体，该主体具有抛光表面，抛光表面具有半径、中心区域以及周边区域。抛光表面具有从中心区域径向地向外延伸到周边区域的多个主径向线槽道，每个主径向线槽道在周边区域具有倾斜外部分，该倾斜外部分以相对于抛光表面的半径的一角导向。抛光表面还具有每个由倾斜过渡部分连接到主径向线槽道的多个初级分支径向线槽道，该初级分支径向线槽道与主径向线槽道间隔开。抛光垫在抛光期间提供抛光浆液改进的分布和流动。
在另一个方案中，抛光垫还具有与抛光表面相反的底部表面，底部表面具有压力负载调节特征的图案，该特征包括多个突出和凹陷，其中凹陷的大小和形状被设计成容纳突出在施加压力到抛光表面时的侧向膨胀。
抛光垫还可以用于化学机械装置，该化学机械装置包括抛光站、浆液分配器以及抛光马达，其中抛光站包括保持抛光垫的压板以及保持衬底抵靠抛光垫的支撑；浆液分配器在抛光垫上分配浆液；抛光马达驱动压板和支撑中的至少一个，以使振荡抛光垫和衬底相互抵靠。
在一种制造的方法中，该抛光垫可以通过以下制造：从抛光表面切削材料，以形成主径向线槽道以及分支径向线槽道，其中，材料以这样的切削速度切削，切削速度足够高以加热主径向线槽道以及分支径向线槽道中的材料到熔化材料以基本密封槽道底部的温度。
在再一个方案中，化学机械抛光垫包括主体，该主体具有抛光表面，抛光表面具有半径、中心区域以及周边区域。该抛光表面具有从抛光表面的中心区域向外径向地延伸到周边区域的多个主径向线槽道，每个主径向线槽道在周边区域具有倾斜外部分，倾斜外部分以相对于抛光表面的半径的一角导向，主径向线槽道的长度L1、倾斜外部分的长度L2以及倾斜外部分和主径向线槽道之间形成的角α被选择以提供沿衬底表面的抛光浆液的均匀分布。
在再一个方案中，主径向线槽道的长度L1、倾斜外部分的长度L2以及倾斜外部分和主径向线槽道之间形成的角α被选择以致于作用在倾斜外部分中抛光浆液的向心力Fc被控制以提供通过槽道的希望的浆液流动速率，其中Fc＝mv2/r，m是槽道中的浆液的质量，v是浆液的速度，r是倾斜外部分沿抛光垫的平均径向距离。
在再一个方案中，主径向线槽道的长度L1、倾斜外部分的长度L2以及倾斜外部分和主径向线槽道之间形成的角α被选择以致于作用在倾斜外部分中抛光浆液的向心力Fc由相反力Fo平衡，相反力Fo作用在槽道的倾斜外部分中的浆液，以提供通过槽道的希望的浆液流动速率，
其中Fc＝mv2/r，m是槽道中的浆液的质量，v是浆液的速度，r是倾斜外部分沿抛光垫的平均径向距离，以及
Fo＝mr(dθ/dt)2coS(α-(π/2))，其中dθ/dt是抛光垫的角速度，而α是主径向线槽道和倾斜外部分之间的角。
根据本发明的上述设置，可获得一种抛光垫，相较于现有技术，该抛光垫具有提供均匀和衬底的可重复平整的抛光表面，此外在抛光垫的抛光表面上具有引起浆液沿衬底表面均匀分布的图案特征，此外还可获得具有柔性但仍提供充分刚性的抛光表面的抛光垫。
附图说明
参考以下说明书、所附权利要求和图示本实用新型示例的附图将更好地理解本实用新型的这些特征、方面和优点。但是，应该理解到每个特征都可以一般地而非仅仅在特定附图的上下文中使用，并且本发明包括这些特征的任意组合，其中：
图1-4是包括图案化抛光浆液凹槽的抛光垫的实施例的局部俯视图；
图5a是具有压力负载调节特征的抛光垫的局部截面侧视图；
图5b是图5a中示出的实施例在施加负载压力情况下的局部截面侧视图；
图6a和6b是具有压力负载调节特征的不同图案的抛光垫的实施例的局部仰视图；
图7a是CMP抛光器的实施例的立体图；
图7b是图7a的CMP抛光器的局部分解立体图；
图7c是图7b的CMP抛光器的概略俯视图；以及
图8a和图8b是具有改进浆液流动槽道的抛光垫表面的实施例的局部俯视图。
具体实施方式
根据本发明的实施例的一种用于化学机械抛光装置(图7a-7b)的抛光垫20包括具有抛光表面24的垫主体22，例如，如图1中所示。抛光垫通常包括平坦圆主体22，其具有盘状形状以及大小设计成在抛光期间提供衬底表面足够覆盖的半径。例如，垫20可以至少比衬底140大几倍。抛光表面24用于接触衬底140并抵靠衬底140旋转，以例如通过从衬底140上去除不均匀的外形特征来抛光衬底。抛光表面24包括足够研磨的材料，以在基本没有过分刮痕或其他损伤衬底表面的情况下从衬底140上抛光和去除不希望的材料。例如，抛光垫20的抛光表面24可以由聚合物、油毛毡(felt)、纸、织物、陶瓷、或其他这样的材料制成。抛光浆液流动于抛光表面24和衬底140之间，同时它们振荡以化学和机械地抛光衬底140。例如，合适的抛光浆液可以包括悬浮在溶液中的浆液颗粒，该浆液颗粒包括氧化铝、氧化硅、碳化硅、或其他陶瓷粉末的至少一种，溶液例如包括水、酒精、缓冲剂以及悬浮化学品的一种或更多种。
抛光垫20的抛光表面24包括形成于其中的一个或更多个凹槽26，以增强沿抛光表面24上的抛光浆液流动，例如，如图1-4中所示。例如，凹槽26可以提供沿表面24的浆液更均匀的分布，由此提供衬底140的更均匀的抛光。已经发现，通过成形凹槽26提供改进的抛光表面24，以提供通过凹槽26的抛光浆液的控制的分布和流动速率。包括这样改进的凹槽26的抛光表面24的示例在图1-4中示出。凹槽26形成为希望的形状及尺寸以在衬底抛光处理期间有利地提供沿抛光表面24的抛光浆液的良好分布。凹槽26还有利地允许希望量的用过的浆液和浆液副产品在抛光处理期间从垫在抛光平面24的周边区域28处释放。
改进的凹槽26包括多个主径向线槽道30，其从抛光垫20的中心区域32径向地向外延伸到抛光垫的周边区域28，例如，如图1中所示。主径向线槽道30每个都沿表示抛光表面24的半径r的径向线39延伸，并在槽道30之间间隔开希望的距离。在图1-3中，槽道30基本上与径向线一致。在图4中，槽道30具有沿径向线39的整个流动方向，但提供绕径向线39振荡的回旋抛光浆液流动。例如，在衬底140的抛光期间，在抛光表面24旋转的情况下，施加到主径向线槽道30的抛光浆液由向心力沿槽道30并朝着抛光表面24的周边部分28被向外推进。因此，由抛光表面24的旋转引起的向心力导致通过主径向槽道30的抛光浆液流动，因此围绕抛光表面24从垫内部到垫周边38分布抛光浆液。抛光垫20希望地包括足够数量和密度的主径向线槽道30，以沿抛光表面上的多个半径分布抛光浆液。例如，抛光垫20可以沿抛光表面24的每10度弧包括从约2到约12个主径向槽道30。
主径向线槽道30还包括在周边区域28的倾斜外部分34，其与每个主径向线槽道30的径向线r以一个角导向，例如，如图1中所示。例如，倾斜外部分34可以包括切线弧36，其以远离主径向线槽道30同时接近抛光表面24的周边38的弧弯曲，例如，如图1、2和3中所示。这样的切线弧36的长度和切角可以选择，以提供希望的浆液流动特性。例如，切线弧36可以从半径r清除从约5°到约60°的平均切向角θ。倾斜外部分34还可以包括基本直线、非弧形部分40，其从主径向线槽道30的径向线39弯曲，以致于倾斜部分34以基本非垂直角度接近抛光表面24的周边38，例如，如图4所示。例如，部分34可以从主径向线槽道30通过其的径向线39弯曲，以至于倾斜外部分34和主径向线槽道30形成从约2°到约45°的角α，例如，如图8a所示。
倾斜外部分34被希望地沿这样的方向弯曲或折弯，该方向与抛光平面24在衬底抛光期间的旋转方向一致，以提供将浆液流动减速到希望的速率的“叶轮片”型力。例如，在图1-4中，抛光旋转方向是理想地逆时针，以控制通过倾斜外部分34的浆液流动的速率，其中倾斜外部分34沿逆时针方向倾斜。主径向线槽道30的长度和大小同倾斜外部分的长度、大小和角度一样也可以选择，以在抛光处理期间提供与希望的抛光垫旋转速度相关的希望的浆液分布和流动速率。相反地，可以通过以在抛光处理期间使用的相反的方向(例如，图1-4的用于垫20的顺时针方向)旋转抛光垫以促进从抛光表面24的剩余抛光浆液的排出，来实现以去除剩余量的抛光浆液的抛光垫20清洁。
包括倾斜外部分34的主径向线槽道30提供沿抛光表面24的抛光浆液流动的改进控制。倾斜外部分34起减速沿槽道30的径向向外的浆液流动的作用。在抛光表面24的旋转期间，抛光浆液由向心力朝抛光表面24的周边38推进。然而，一旦流动进倾斜外部分34，向心力由沿相反方向推动抛光浆液的“叶轮状”力抵消。倾斜外部分34对抛光浆液流动的影响在图8a和图8b中概略地示出。如图8a中所示，主径向线槽道30包括长度L1，倾斜外部分34包括长度L2，槽道30和部分34被连接在其间形成驱动角α，其中长度L1和L2以及驱动角α可以选择以提供希望幅度的相反力，以使得通过主槽道30的浆液流动具有希望的速度。当一定质量的抛光浆液行进通过槽道30时其受到的向心力可以由Fc＝mv2/r来限定，其中m是浆液的质量，v是浆液在垫上的速度，而r是浆液质量在抛光表面上的一点处的平均径向距离，可以作为示例的是包含浆液质量的倾斜部分沿抛光表面的平均径向距离。
然而，当浆液进入倾斜外部分34时，该部分的角度减速浆液流动。与通过倾斜外部分34的浆液流动相反的力可以表达为F0＝mr(dθ/dt)2cos(α-(π/2))，其中r是浆液体在抛光垫上的半径，dθ/dt是抛光垫的角速度，而α是倾斜外部分34和主径向槽道之间的驱动角。因此，通过选择更小的驱动角α，抛光浆液减速地引入到倾斜外部分34，而更大的驱动角导致抛光液的更少减速。类似地，长度L1和L2可以被选择，以改变倾斜部分开始处的半径，并由此改变抛光液体通过浆液的流动速率。在一个方案中，长度L1和L2以及角α可以被选择，以提供基本等于向心力的相反力，以平衡该力。其他相反力也可以减速通过倾斜部分的抛光浆液流动，例如，诸如相反的摩擦力或空气进入具有一定压力的旋转部分34的相反力。
倾斜部分34的减速作用还可以参考图8b来理解。在这个图中，主径向线槽道30a、30b间隔开从约1°到约45°的角。抛光浆液体m1的按照施加在该浆液体上的向心力从倾斜过渡部分向线槽道30的位置行进到垫在倾斜外部分34中的周边区域28附近的位置，表示为m2。然而，抛光垫的旋转导致槽道位置在主径向线槽道30a旋转进先前由邻近主径向槽道30b所占据的位置中时的同时改变，浆液体m2经历沿抛光垫的半径R的位移dR，该位移dR将浆液体的位置改变到离周边区域28的更远的位置m2’。这个位移由向心力平衡，如上所述。因此，抛光垫的倾斜外部分34导致抛光浆液的减速，以提供槽道中希望的浆液流动和分布。其他流动控制特征(例如，诸如用于集中或收集浆液的浆液池52)也可以沿主径向线槽道30和/或倾斜部分提供，例如，如图8a所示。
在一个方案中，主径向线槽道30和倾斜外部分34的长度L1和L2以及其间的驱动角α可以选择，使得抛光浆液的流动速率被减速到不浪费浆液的离开倾斜部分34的净流动。当浆液流动速率是希望地慢时，流动速率还可以希望地比零大，以致于用过的浆液和浆液副产品可以旋转离开抛光表面24以提供干净的表面。因此，包括倾斜外部分34的主径向线槽道30提供通过槽道30的抛光浆液的改进流动，其在槽道30中保持希望程度的抛光浆液，基本没有在抛光表面24上捕获浆液，以致于用过的浆液和浆液副产品可以旋转离开抛光表面24。
在抛光表面24上的抛光浆液的分布和流动可以通过提供多个初级分支径向槽道42来进一步增强，多个初级分支径向槽道42中的每个都由倾斜过渡部分44连接到主径向线槽道30。例如，过渡部分44可以包括弯曲部分45，例如，如图1、2和3所示，其以偏离主槽道30的一个角弯曲，并且还可以包括基本直线部分47，其从主径向线槽道30偏离倾斜，例如，如图4中所示。初级分支径向线槽道42可以基本平行于主径向线槽道30，以在抛光平面24上提供更均匀分布的抛光浆液流动。初级分支径向线槽道42还可以包括倾斜外部分3 4，其有助于控制在分支槽道42中的抛光液体的流动。过渡部分44可以通过阻止过多的抛光浆液流动进入初级分支径向线槽道42内而产生类似于倾斜外部分34的作用。例如，过渡部分44可以仅允许约5％到约75％的抛光浆液流动进入初级分支径向线槽道42，以提供通过主径向线槽道30和初级分支径向线槽道42的浆液的控制流动速率。
初级分支径向线槽道42与主槽道30间隔开一定距离，该距离被选择成改进在抛光表面24上的浆液流动分布。例如，初级分支径向线槽道42可以平分相邻主槽道之间的距离变得太大而不能提供希望的抛光浆液分布的区域。初级分支径向槽道42的数量和密度此外还被选择以提供抛光浆液沿抛光表面24的希望分布。例如，抛光表面24可以沿抛光表面24的每10度弧上包括从1个到10个初级分支径向线槽道42。主槽道30还可以包括从1个到10个初级分支径向线槽道42，诸如2个分支径向线槽道42，例如，如图1-4所不。
在一个方案中，抛光表面24还包括多个次级分支径向线槽道46，其每个通过第二过渡部分48(诸如弯曲或其他倾斜过渡部分)连接到初级分支径向线槽道46。次级分支径向线槽道46可以进一步在抛光表面24上分布抛光浆液流动，并且大小和形状可以设计成提供从中心区域32到周边区域28的抛光浆液的整个流动速率的进一步控制。在一个方案中，抛光表面24沿抛光表面24的每10度弧包括从1个到10个次级分支槽道。
每个主径向线槽道30还可以包括多个初级分支径向线槽道42，该初级分支径向槽道42沿抛光表面24的半径在主槽道30的不同长度处分叉。例如，如图1所示，主槽道30包括第一初级分支径向线槽道42a和第二初级分支径向线槽道42b，其中第一初级分支径向线槽道42a在第一半径的第一分叉点50处从主槽道30分叉，而第二初级分支径向线槽道42b在第二半径的第二分叉点55处从主槽道30分叉，其中第二半径的第二分叉点55距离抛光垫20的中心区域32比第一分叉点50更远。例如，第一分叉点50可以出现于从约5％到约60％的整个半径的第一半径处，而第二分叉点55可以出现于从约30％到约95％的垫的整个半径的第二半径处。图1中所示的第一初级分支径向线槽道42a还包括次级分支径向线槽道46，该次级分支径向线槽道46从初级槽道42在第三分叉点51处分叉，虽然第三分叉点还可以出现在不同半径处，但是该第三分叉点与第二分叉点55约处于相同的半径处。因此，主槽道30和分支42a、42b和46提供沿抛光表面24上抛光浆液流动的良好分布。在分叉点50、54、55之前和之间的槽道30、42a、42b、46的长度以及过渡部分44的角度和长度可以选择(例如，与抛光表面在抛光期间旋转的速度相关联)，以提供沿抛光表面24的抛光浆液的基本均匀分布。
此外，主和分支槽道30、42、46之间的宽度可以被选择成提供抛光浆液的改进分布。例如，主径向线槽道30之间的宽度w1和主径向线槽道30与表面24上相同半径处的初级分支径向线槽道42之间的宽度w2的比可以从约1到约30。此外，槽道本身的宽度可以选择，以提供希望的抛光浆液流动特性。在一个方案中，主径向支线槽道30可以包括大于分支槽道的宽度，以在其间容纳更多的抛光浆液流动。例如，主径向线槽道30的宽度与初级分支径向线槽道42的宽度比可以是至少约2∶1，诸如从约3∶1到约6∶1。在一个方案中，凹槽26(包括主和分支径向线槽道40、42、46)的长度和宽度可以选择，以在槽道中提供通常从约1ml到约300ml的抛光浆液体积，然而，取决于应用，其他体积也是希望的。
此外，主和分支槽道30、42、46的宽度和深度中的至少一个可以在槽道的长度上变化，以提供希望的抛光浆液流动特性。例如，槽道的宽度和深度中的至少一个可以在槽道的某个区域中增加，以在该区域中提供抛光浆液池52。在一个方案中，槽道的宽度可以增加至少约2倍，以在槽道的区域中提供浆液池52。浆液池52可以提供希望的浆液流动特性，并且可以抑制在抛光表面24的关键区域中浆液的损耗。在图2中所示的方案中，浆液池52可以设置在抛光表面24的周边区域28处的主和分支槽道30、42、46的端部处，以抑制由于抛光垫20的旋转运动产生的抛光浆液从表面24的过分损失。浆液池52还在槽道30、42、46的开始处向抛光表面24的中心区域32设置，并包括足够充当用于向槽道30、42、46提供抛光浆液的浆液支管。在图3中，浆液池52设置在周边区域28和中心区域32之间的区域中，以当其向抛光垫20的周边38行进时减速浆液流动，并且浆液池52还设置朝向抛光表面24的中心区域32。
图4示出了具有主和分支径向线槽道30、42、46的抛光垫表面24的又一个实施例。在这个方案中，主和分支径向线槽道30、42、46包括回旋路径，该回旋路径围绕径向线39从抛光表面24的中心区域32到抛光表面24的周边区域28振荡。回旋路径可以包括一系列由转角54连接的倾斜内部分56a、56b，转角54从一个部分56a到另一个部分56b绕给定径向线39重新定向抛光浆液，例如，形成如图4中所示的“Z字形曲折”形状。倾斜内部分56a、56b相互之间可以包括例如从约2°到约60°的角。倾斜部分56a、56b减速和控制沿槽道30、42、46的液体流动，以提供希望的流动，并且倾斜内部分56a、56b的长度、角度和频率可以根据希望的流动速率选择。图4还示出在抛光垫20的周边区域28中的每个槽道30、42、46端部处的浆液池52，以减速在这些区域中的浆液的流动。
包括主和分支径向线槽道的凹槽26可以由合适方法形成，例如，诸如通过利用切削工具以从抛光表面24切削垫材料以形成凹槽26。在一个方案中，形成凹槽的方法改进了通过凹槽26的抛光浆液的流动。例如，切削工具可以用这样的参数来操作，该参数加热凹槽26中的抛光垫材料到足以影响垫材料中的有利结构改变的温度。增加的温度希望地基本密封凹槽26中的表面58，例如，通过基本密封凹槽26的垫材料中的暴露气孔，以抑制抛光浆液渗透到此气孔中。因此，加热处理的凹槽26吸收更少的抛光浆液进入垫材料中，由此改进了通过凹槽26的浆液流动。在一个方案中，切削工具可以操作以通过使用这样的切削工具的切削速度来加热凹槽26中的垫材料，该切削速度足够加热垫材料到希望的温度同时切削希望的凹槽形状。足以基本密封凹槽的表面58的温度可以为至少约100℃。
在另一个方案中，改进的抛光垫20被设计成提供良好的压力负载能力，例如，如图5a和5b所示。在这个方案中，与抛光表面24相反的垫20的背侧60包括压力负载调节特征69的图案68，该图案68形成于抛光垫20的背表面64中。特征69包括多个切掉或另外地形成于抛光垫62的背表面64的切口62，以及多个绕切口62的凸起的突出66(诸如多个凸起的装置)。多个切口62和突起66的大小和形状设计成容纳垫20在抛光处理期间所承受的压力负载。例如，如图5a和5b中所示，特征69可以被设计成适当大小和形状，以致于凸起特征66在抛光处理期间的侧向膨胀(例如，由衬底40抵靠抛光表面24的压力引起的)由切口62所提供的空间容纳。凸起特征66可以被从图5a中所示的第一长度L1到图5b中所示的第二较小长度L2之间的抛光压力负载垂直地压缩，迫使突起66的侧壁79凸出至邻近的切口62中。形成于背表面64中的切口62宽度可以从约1mm到约100mm，并且在抛光垫20的背侧60中的切口62的合适深度可以从约1mm到约25mm，其中切口62在抛光处理期间向抛光表面24施加压力的情况下适于容纳突出的侧向膨胀。
利用与包括不同材料的堆叠体相对的垫材料的单一体22，特征69的改进的压力负载调节形式允许垫20的压力负载。这是因为特征69的形式能够提供希望的柔性及弹性，同时还能保持足够刚性的抛光表面24。因此，抛光垫20不需要在相对用于抛光表面24的硬材料下方的相对更柔软和弹性以提供希望的压力负载承受的额外层，并且不存在诸如此堆叠抛光垫层之间的浆液的毛细作用的问题。在一个方案中，切口62开放至大气压下，并且抛光压力的衰减主要通过突出66的压缩获得。在一个方案中，切口62可以气密封，以在切口62中提供俘获空气的袋，当压缩时其充当衰减机构。
图6a和6b提供包括背侧60的抛光垫20的示例，其中背侧60具有形成于垫背侧60的背表面64中的压力负载调节特征69。在图6a中，特征69的图案包括方形凸起的突出66的栅格74，其中突出66由包括凹入的栅格状线72a、72b的切口62所分开。切口62包括多个沿背表面64延伸并且相互垂直相交以形成栅格图案的水平和垂直线72a、72b。或者，栅格线72a、72b可以沿背表面24以其他图案(例如，诸如沿径向线)延伸。突出66在施加抛光压力的情况下侧向延伸到水平和垂直栅格状线中。突出66每个都可以包括从约1mm到约100mm的宽度。栅格状线72a、72b可以包括从约1mm到约100mm的宽度、从约1mm到约25mm的深度以及沿抛光垫20延伸的长度。在图6中，切口62包括方形孔76，在方形孔76处，垫材料已经从背表面24中切掉。孔76以棋盘方式切削，留有交替于孔76之间的方形凸起的突出66。突出包括从约1mm到约100mm的宽度，而孔76包括从约1mm到约100mm的宽度以及从约1mm到约25mm的深度。上面描述的压力负载调节特征69的形式能够通过允许凸起特征66的压缩而提供抛光垫的希望的柔性以及弹性。除详细描述过的那些，切口62以及突出66的形式还可以形成以提供希望的抛光特性。例如，压力负载调节图案68可以根据希望的抛光参数包括沿背表面64的突出66和切口62的均匀或不均匀分布。图案68还可以包括“x-y”开槽凹入孔、同心圆凹槽、同心弧或其组合中的一个或更多个。
这里描述的抛光垫20可以用于任何类型的CMP抛光器；因此，这里描述以解释抛光垫20的使用的CMP抛光器不应该被用来限制本发明的范围。图7a-7c图示了能够使用抛光垫20的化学机械抛光(CMP)的一个实施例。例如，CMP装置100可以是从Santa Clara，California的应用材料公司获得的MireCMP***。一般地，抛光装置100包括外壳104、衬底传送站112以及旋转的传送盘116，其中外壳包含多个抛光站108a-108c，而传送盘116独立地操作旋转的衬底保持器120。衬底装载装置124包括包含液浴132的浴盆126，包含衬底140的盒子136沉浸于液浴132中，其中浴盆126连接到外壳104上。例如，浴盆126可以包括清洗溶液或甚至可以是在抛光前或后使用超声声波来清洁衬底140超声清洗清洁器，或者甚至是空气或液体干燥器。臂144沿线性轨道148行进，并支撑腕组件152，其包括用于从一个保持站155将盒136移动进入浴盆126的盒爪154以及用于从浴盆126将衬底传送到传送站112的衬底叶片156。
传送盘116具有支撑板160，该支撑板160具有狭槽162，衬底保持器120的轴172延伸穿过狭槽162，如图7a和7b中所示。衬底保持器120可以在狭槽162中独立地旋转以及前后振荡，以获得均匀抛光的衬底表面。衬底保持器120由各个马达176旋转，其通常隐藏在传送盘116的可移动侧壁178后面。在操作中，衬底140从浴盆126装载到传送站112，衬底从该传送站被传送到衬底保持器10，在保持器10中，衬底最初由真空保持。传送盘116然后将衬底140传送通过一系列一个或更多个抛光站108a-108c，并最终将抛光的衬底返回到传送站112。
每个抛光站108a-108c包括可旋转的压板182a-182c以及垫调节组件188a-188c，其中压板182a-182c支撑抛光垫20a-20c，如图10b中所示。压板182a-182c和垫调节组件188a-188c都安装在抛光装置100的台面192。在抛光期间，衬底保持器120保持、旋转衬底140以将衬底140压靠固定到旋转的抛光压板182上的抛光垫20a-20c上。抛光压板182还具有环绕压板182的保持环，以保持衬底140并阻止其在衬底140抛光期间滑出。因为衬底140和抛光垫20a-20c相互对逆着旋转，例如具有硅胶或氧化铝的消电离的水的抛光浆液的测量的量根据选择的浆液配方(例如，通过浆液分配器90a-90c)来供应。压板182和衬底保持器120可以被程序化，以根据处理配方在不同的旋转速度和方向上旋转。
CMP装置100的每个垫调节组件188包括调节器头196、臂200以及基体204，如图7b和7c中所示。垫调节器50安装在调节器头196上。臂200具有耦合到调节器头196的远端198a以及耦合到基体204的近端198b，其沿抛光垫表面24扫过调节器头196，使得垫调节器53a-53c的调节面通过研磨抛光表面以去除污染物以及重处理表面来调节抛光垫20的抛光表面24。每个抛光站108还包括杯208，其包含用于冲洗或清洁安装在调节器头196上的垫调节器50的清洁液体。
已经参考本发明的优选方案描述了本发明，但是，其他方案亦是可行的。如本领域一般技术人员显而易见的，例如垫调节器可以用于不同类型的应用中，例如用作砂磨表面。还可以使用其他构造的CMP抛光器。此外，如本领域一般技术人员显而易见的，根据描述的实施中的参数，还可以使用等同于描述的那些的另外的槽道构造。因此，所附的权利要求的精神和范围不应该局限于这里包含的优选方案的描述。
Claims (17)
1.一种化学机械抛光垫，其特征在于，该化学机械抛光垫包括：
(a)主体，包括具有半径以及中心区域和周边区域的抛光表面，所述抛光表面包括：
(i)多个主径向线槽道，其从所述中心区域径向地向外延伸到所述周边区域，每个主径向线槽道都在所述周边区域具有倾斜外部分；以及
(ii)多个初级分支径向线槽道，其每个都通过倾斜过渡部分而连接到主径向线槽道，所述初级分支径向线槽道与所述主径向线槽道间隔开。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，其中所述初级分支径向槽道基本平行于所述主径向线槽道。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，还包括多个次级分支径向线槽道，其每个都通过第二倾斜过渡部分而连接到初级径向线槽道。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光垫，其特征在于，其中选择所述初级和次级分支径向线槽道的长度和分叉点以使得沿所述抛光垫表面提供抛光浆液的均匀分布。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，其中所述倾斜外部分形成包括从约5°到约60°的平均切向角的切向弧。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，其中所述主径向线槽道包括多个倾斜内部分，其包括彼此相对的从约2°到约45°的角。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，包括沿所述抛光表面的每10度弧的从1个至10个的主径向线槽道。
8.如权利要求7所述的化学机械抛光垫，其特征在于，包括沿所述抛光表面的每10度弧的从1个至10个初级分支径向线槽道。
9.如权利要求8所述的化学机械抛光垫，其特征在于，包括沿所述抛光表面的每10度弧的从1个至10个次级分支径向线槽道。
10.一种化学机械装置，其特征在于，包括如权利要求1所述的抛光垫，并且还包括：
(i)抛光站，其包括保持所述抛光垫的压板以及保持衬底抵靠所述抛光垫的支撑；
(ii)浆液分配器，其在所述抛光垫上分配浆液；以及
(iii)抛光马达，其驱动所述压板和所述支撑中的至少一个，以相互抵靠地振荡所述抛光垫和所述衬底。
11.一种化学机械抛光垫，其特征在于，包括：
(a)主体，包括：
(i)抛光表面，其具有半径、中心区域以及周边区域，所述抛光表面包括从所述中心区域向外径向地延伸到所述周边区域的多个主径向线槽道以及多个初级分支径向线槽道，每个主径向线槽道在所述周边区域具有倾斜外部分，所述倾斜外部分以相对于所述抛光表面的半径的一角度导向，每个所述初级分支径向线槽道通过倾斜过渡部分而连接到主径向线槽道；以及
(ii)底部表面，与所述抛光表面相反，所述底部表面包括压力负载调节特征的形式，所述特征包括多个突出和凹陷，其中所述凹陷的大小和形状被设计成容纳所述突出在施加压力到所述抛光表面时的侧向膨胀。
12.如权利要求11所述的化学机械抛光垫，其特征在于，其中所述特征的形式包括由多个垂直和水平线性凹陷分开的突出栅格。
13.如权利要求11所述的化学机械抛光垫，其特征在于，其中所述特征的形式包括多个与孔交替的凸起的突出。
14.一种化学机械装置，其特征在于，包括如权利要求11所述的抛光垫，并且还包括：
(i)抛光站，其包括保持所述抛光垫的压板以及保持衬底抵靠所述抛光垫的支撑；
(ii)浆液分配器，其在所述抛光垫上分配浆液；以及
(iii)抛光马达，其驱动所述压板和所述支撑中的至少一个，以相互抵靠地振荡所述抛光垫和所述衬底。
15.一种化学机械抛光垫，其特征在于，包括：
(a)主体，包括具有半径以及中心区域和周边区域的抛光表面，所述抛光表面包括：
(i)从所述抛光表面的所述中心区域向外径向地延伸到所述周边区域的多个主径向线槽道，每个主径向线槽道在所述周边区域具有倾斜外部分，所述倾斜外部分以相对于所述抛光表面的半径的一角度导向，所述主径向线槽道以及所述倾斜外部分用于通过其流动抛光浆液，其中所述主径向线槽道的长度L1、所述倾斜外部分的长度L2以及所述倾斜外部分和所述主径向线槽道之间形成的角α被选择以提供沿所述衬底表面的抛光浆液的均匀分布。
16.一种化学机械抛光垫，其特征在于，包括：
(a)主体，包括具有半径以及中心区域和周边区域的抛光表面，所述抛光表面包括：
(i)从所述抛光表面的所述中心区域向外径向地延伸到所述周边区域的多个主径向线槽道，每个主径向线槽道在所述周边区域具有倾斜外部分，所述倾斜外部分以相对于所述抛光表面的半径的一角茺导向，其中所述主径向线槽道的长度L1、所述倾斜外部分的长度L2以及所述倾斜外部分和所述主径向线槽道之间形成的角α被选择以使得作用在所述倾斜外部分中的抛光浆液上的向心力Fc被控制以提供通过所述槽道的希望的浆液流动速率，其中Fc＝mv2/r，m是所述槽道中的所述浆液的质量，v是所述浆液的速度，r是所述倾斜外部分沿所述抛光垫的平均径向距离。
17.一种化学机械抛光垫，其特征在于，包括：
(a)主体，包括具有半径、中心区域以及周边区域的抛光表面，所述抛光表面包括：
(i)从所述抛光表面的所述中心区域向外径向地延伸到所述周边区域的多个主径向线槽道，每个主径向线槽道在所述周边区域具有倾斜外部分，所述倾斜外部分以相对于所述抛光表面的半径的一角度导向，其中所述主径向线槽道的长度L1、所述倾斜外部分的长度L2以及所述倾斜外部分和所述主径向线槽道之间形成的角α被选择以使得作用在所述倾斜外部分中的抛光浆液上的向心力Fc由相反力Fo平衡，所述相反力Fo作用在所述槽道的所述倾斜外部分中的所述浆液上，以提供通过所述槽道的希望的浆液流动速率，
其中Fc＝mv2/r，m是所述槽道中的所述浆液的质量，v是所述浆液的速度，r是所述倾斜外部分沿所述抛光垫的平均径向距离，并且
Fo＝mr(dθ/dt)2cos(α-(π/2))，其中dθ/dt是所述抛光垫的角速度，而α是所述主径向线槽道和所述倾斜外部分之间的角。
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