用于化学机械抛光的三维网络结构转让专利
申请号 : CN200710084080.3
文献号 : CN100584536C
文献日 : 2010-01-27
发明人 : G·P·马尔多尼
申请人 : 罗门哈斯电子材料CMP控股股份有限公司
摘要 :
抛光垫(104)用于在抛光介质(120)存在下抛光磁性、光学和半导体基材(112)中至少一种。抛光垫(104)包括互连单元(225)的三维网络结构。互连单元(225)是网状的，便于流体流动和除去抛光碎屑。许多抛光元件(208，308和408)形成互连单元(225)的三维网络结构。抛光元件(208，308和408)具有在第一接合处(209，309和409)连接到第一相邻抛光元件的第一末端，和在第二接合处(209，309和409)连接到第二相邻抛光元件的第二末端，并在第一和第二接合处(209，309和409)之间的横截面积为30%。由许多抛光元件(208，308和408)形成的抛光表面(200，300和400)与多次抛光操作保持一致。
权利要求 :
1.一种用于在抛光介质存在下抛光磁性、光学和半导体基材中全少一种的抛光 垫，所述抛光垫包括：a)互连单元的三维网络结构，所述互连单元是网状的，便于流体流动，并除 去抛光碎屑；
b)形成互连单元的三维网络结构的多个线型抛光元件，所述互连单元的高度 至少为三个单元，所述多个线型抛光元件具有在第一接合处连接到第一相邻抛光 元件的第一末端，和在第二接合处连接到第二相邻抛光元件的第二末端，并且所 述多个线型抛光元件在第一和第二接合处之间具有30％以内的横截面积；和c)由所述多个线型抛光元件形成的抛光表面，在平行于抛光表面的平面上测 得的所述抛光表面的表面积与多次抛光操作保持一致。
2.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述三维网络结构附于基层上， 在基层上测得时，所述多个线型抛光元件占抛光垫体积的5-75％。
3.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，在起始横截面总面积和互连单元 的半高度处横截面总面积之间，所述抛光表面的总横截面积的变化小于25％。
4.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，在起始横截面总面积和互连单元 的半高度处横截面总面积之间，所述抛光表面的总横截面积的变化小于10％。
5.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述多个线型抛光元件的横截面 是矩形的。
6.如权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，相对于所述多个线型抛光元件的 横截面中的流体流动，所述多个线型抛光元件的横截面呈流线型。
7.一种用于在抛光介质存在下抛光磁性、光学和半导体基材中至少一种的抛 光垫，所述抛光垫包括：a)互连单元的三维网络结构，所述互连单元的高度至少为10个单元，所述 互连单元形成线型抛光元件，并且所述互连单元是网状的，便于流体流动，并除 去抛光碎屑；
b)形成互连单元的三维网络结构的多个线型抛光元件，所述线型抛光元件具 有在第一接合处连接到第一相邻抛光元件的第一末端，和在第二接合处连接到第 二相邻抛光元件的第二末端，并且在第一和第二接合处之间具有30％以内的横截 面积；和c)由多个线型抛光元件形成的抛光表面，在平行于抛光表面的平面上测得的 所述抛光表面的表面积与多次抛光操作保持一致。
8.如权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，在抛光过程中，三维网络结构的 线型元件在三维网络结构的抛光层处弯曲。
9.一种在抛光介质存在下用抛光垫抛光磁性、光学和半导体基材中至少一种 的方法，所述方法包括以下步骤：在抛光垫和基材之间形成动态接触，来抛光所述基材，所述抛光垫包括：互 连单元的三维网络结构，所述互连单元是网状的，便于流体流动，并除去抛光碎 屑；形成互连单元的三维网络结构的多个线型抛光元件，所述互连单元的高度至 少为10个单元，所述线型抛光元件具有在第一接合处连接到第一相邻抛光元件的 第一末端，和在第二接合处连接到第二相邻抛光元件的第二末端，并且在第一和 第二接合处之间具有30％以内的横截面积；由多个线型抛光元件形成的抛光表面， 在平行于抛光表面的平面上测得的所述抛光表面的表面积与多次抛光操作保持一 致；并且捕集三维网络结构的抛光元件中的抛光碎屑。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述动态接触抛光一系列有图案的 半导体晶片。
说明书 :
技术领域
本发明一般涉及用于化学机械抛光的抛光垫领域。具体地说，本发明涉及具 有用于化学机械抛光磁性、光学和半导体基材的抛光结构的化学机械抛光垫。
背景技术
在集成电路和其他电子器件的制造过程中，多层导电、半导体和介电材料被 沉积到半导体晶片表面上，然后又从半导体晶片表面上清除。可以使用许多沉积 技术沉积导电，半导体和介电材料薄层。现代晶片加工中的常规沉积技术包括物 理气相沉积(PVD)(也被称为溅射)，化学气相沉积(CVD)，等离子体增强的化学气 相沉积(PECVD)和电化学镀等。常规清除技术包括湿法和干法的各向同性和各向异 性蚀刻等。
随着材料层被顺序沉积和清除，晶片的最上层表面变得不平坦。由于随后的 半导体加工(例如金属化(metallization))要求该晶片具有平坦表面，所以需要 对该晶片进行平面化(planarize)。平面化用于清除不需要的表面形貌和表面缺 陷，例如粗糙表面，团聚材料，晶格损坏，划痕和被污染的层或材料。
化学机械平面化或即化学机械抛光(CMP)是用来使半导体晶片等工件平面化 或进行抛光的常用技术。在常规CMP中，晶片载体或抛光头固定在载体组合件上。 抛光头握住晶片，使该晶片与CMP装置中的桌子或平台上的抛光垫的抛光层接触。 载体组合件在晶片和抛光垫之间提供受控的压力。同时使浆料或其他抛光介质分 散在抛光垫上，流入晶片和抛光层之间的空隙中。为了进行抛光，抛光垫和晶片 作通常相对转动。抛光垫在晶片下面旋转时，晶片通常扫过一环形的抛光轨迹(或 称为抛光区域)，其中该晶片表面直接面对抛光层。晶片表面由抛光层和表面上抛 光介质的化学和机械作用进行抛光而变平。
在CMP过程中，抛光层、抛光介质和晶片表面之间的相互作用在过去十年间 已经是逐渐得到研究、分析以及高级数学建模的课题，以最优化抛光垫的设计。 自从CMP最初作为半导体制造工艺以来，大多数抛光垫的发展实际上完全是凭经 验的，它涉及许多不同多孔和无孔聚合物材料的试验。多数的抛光表面或层的设 计集中在提供具有各种微结构的层、或者孔隙区域和实心区域以及大结构的图案， 或者表面穿孔或凹槽的排布，它们声称提高了抛光速度、改进了抛光均一性，或 者减低了抛光缺陷(刮痕、凹陷、分层区域以及其它表面或子表面损伤)。多年过 去了，仅提出了很少的用于提高CMP性能的不同微结构和大结构。
对常规抛光垫而言，抛光垫表面的“修整”或“整理”对保持适于稳定抛光 性能的均一抛光表面是致关重要的。经过一段时间之后，抛光垫的抛光表面损耗， 磨光了抛光表面的微观结构一一种称为“上釉(glazing)”的现象。上釉源自 因摩擦生热和抛光垫与工件之间接触点处的剪切作用所导致的聚合物材料的塑性 流动。此外，来自CMP工艺的碎屑会阻塞浆液流过抛光表面的表面孔隙和微通道。 当发生这种情况时，CMP工艺的抛光速度降低，并导致在晶片之间或之中出现不 均一的抛光。修整可以在抛光表面上形成新的纹理，用于保持CMP工艺中所需的 抛光速度和均一性。
常规的抛光垫修整通过用修整碟(conditioning disk)机械切削抛光表面来 进行。所述修整碟通常具有粗糙的修整表面，所述修整表面通常包括埋入的金刚 石点。当抛光暂停(非原位)或者当CMP工艺进行中(原位)时，修整碟在CMP工艺 的间歇性暂停过程中与抛光表面接触。通常，修整碟在相对于抛光垫旋转轴固定 的位置上旋转，并当抛光垫旋转时扫过一个环形修整区域。所述修整工艺在抛光 表面上切出微沟槽，研磨并在垫材料中刨出沟槽，并再造抛光纹理。
虽然垫的设计者在制造垫材料以及表面修整中已经制造了各种表面纹理的微 结构和构型，但是现有CMP垫的抛光纹理在两个重要方面上并不是最佳。第一， 在CMP中通常施加的压力条件下，常规CMP垫和常规工件之间的实际接触面积小 ---通常仅占全部相对面积的很少百分比。这直接由过度的常规表面修整而导致， 所述表面修整是随意地将结构的实心区域划成碎料(tatter)，造成部件污染或者 凹凸不平，或者是由于各种形状和高度而导致的，其中仅最高的部分实际接触了 工件。第二，供浆液流动以转运抛光碎屑和热量的空隙占据垫表面的薄层，使得 抛光废料保持紧密靠近工件，直到它完全从工件下排出。在垫和工件之间的浆液 流体必须经过很不规则的表面，并绕过桥接垫和工件之间的完全垂直间距的任意 凹凸不平特征。这很可能导致工件再次接触废弃的化学物质和先前除去的材料。 这样，由于表面纹理中的接触力学和流体力学偶合，常规垫的微结构并不是最佳： 凹凸不平特征的高度分布并不利于良好的接触，也不利于流体有效的流动和运送。
CMP中的缺陷形成源自常规垫微结构的缺点。例如，Reinhardt等在美国专利 No.5578362中公开了使用聚合物小球将纹理引入聚氨酯抛光垫中。虽然确切的缺 陷形成机制未完全弄懂，但是降低缺陷形成要求工件上的极端点应力最小通常是 显而易见的。在给定的施加负载和抛光压力下，实际的点接触压力与实际接触面 积成反比例。在3psi(20.7kPa)抛光压力下运行并且所有凹凸不平特征尖端的实 际接触面积为2％的CMP工艺通常给工件施加平均为150psi(1Mpa)的正(stress) 应力。这种量级的应力足以导致表面和子表面损伤。在常规CMP垫上，变钝以及 形状不规则的凹凸不平特征也是不利的流动图案：凹凸不平特征上流体碰撞的局 部压力是显著的，并且停滞区域或者分开流动会导致抛光碎屑和热量积聚，或者 形成供颗粒团聚的环境。
除了存在潜在的缺陷形成来源，常规抛光垫微观结构并不是最佳的，这是因 为垫表面修整通常不是可以精确复制的。修整碟上的金刚石在使用过程中变钝， 使得在一段时间后要替换修整设备(conditioner)；因此，在其使用寿命过程中， 修整设备的有效性连续变化。修整也大大影响了CMP垫的损耗率。通常，垫因与 金刚石修整设备研磨而导致的磨损约为95％，而仅有约5％是因与工件接触而磨损。 因此，除了减少缺陷以外，改进的垫的微观结构可以无需修整，并使用寿命更长。
去除垫修整的关键在于设计一种可以自更新的抛光表面，即当其磨损时可以 保持基本相同的几何形状和构型。因此，为了能自更新，抛光表面必须是使磨损 不会显著改造实心区域。这样就要求实心区域不会经受足以导致显著塑性流动的 连续剪切作用和热量，或者构造实心区域，使它们能通过将剪切作用和热量分散 到其它实心区域的方式响应剪切作用或热量。
除了缺陷率低以外，CMP垫的抛光结构必须具有良好的平面化效率。常规的 垫材料要求在这两个性能度量标准之间平衡，这是因为缺陷率低是通过使材料变 得更软和更顺应来达到的，而这些相同性能的变化则对平面化效率不利。最后， 平面化要求坚硬的平坦材料，而低缺陷率则要求不那么坚硬的共形材料。因此， 用单一的材料很难在这些度量标准之间克服根本的平衡。常规的垫结构以各种方 式来解决这一问题，包括使用具有相互结合的硬层和软层的复合材料。虽然复合 材料比单层结构有改进，但是仍旧没有研发出同时获得理想平面化效率和零缺陷 形成的材料。
因此，虽然垫微结构和修整装置出现在同时期的CMP应用中，但是仍要求CMP 垫能获得更高的与工件的真实接触面积；更有效的浆液流动图案，以除去抛光碎 屑；以及减少或者消除对再造纹理的需求。此外，要求CMP垫结构综合了良好平 面化效率所需的坚硬刚性结构以及低缺陷率所需的不那么坚硬的共形结构。
随着材料层被顺序沉积和清除，晶片的最上层表面变得不平坦。由于随后的 半导体加工(例如金属化(metallization))要求该晶片具有平坦表面，所以需要 对该晶片进行平面化(planarize)。平面化用于清除不需要的表面形貌和表面缺 陷，例如粗糙表面，团聚材料，晶格损坏，划痕和被污染的层或材料。
化学机械平面化或即化学机械抛光(CMP)是用来使半导体晶片等工件平面化 或进行抛光的常用技术。在常规CMP中，晶片载体或抛光头固定在载体组合件上。 抛光头握住晶片，使该晶片与CMP装置中的桌子或平台上的抛光垫的抛光层接触。 载体组合件在晶片和抛光垫之间提供受控的压力。同时使浆料或其他抛光介质分 散在抛光垫上，流入晶片和抛光层之间的空隙中。为了进行抛光，抛光垫和晶片 作通常相对转动。抛光垫在晶片下面旋转时，晶片通常扫过一环形的抛光轨迹(或 称为抛光区域)，其中该晶片表面直接面对抛光层。晶片表面由抛光层和表面上抛 光介质的化学和机械作用进行抛光而变平。
在CMP过程中，抛光层、抛光介质和晶片表面之间的相互作用在过去十年间 已经是逐渐得到研究、分析以及高级数学建模的课题，以最优化抛光垫的设计。 自从CMP最初作为半导体制造工艺以来，大多数抛光垫的发展实际上完全是凭经 验的，它涉及许多不同多孔和无孔聚合物材料的试验。多数的抛光表面或层的设 计集中在提供具有各种微结构的层、或者孔隙区域和实心区域以及大结构的图案， 或者表面穿孔或凹槽的排布，它们声称提高了抛光速度、改进了抛光均一性，或 者减低了抛光缺陷(刮痕、凹陷、分层区域以及其它表面或子表面损伤)。多年过 去了，仅提出了很少的用于提高CMP性能的不同微结构和大结构。
对常规抛光垫而言，抛光垫表面的“修整”或“整理”对保持适于稳定抛光 性能的均一抛光表面是致关重要的。经过一段时间之后，抛光垫的抛光表面损耗， 磨光了抛光表面的微观结构一一种称为“上釉(glazing)”的现象。上釉源自 因摩擦生热和抛光垫与工件之间接触点处的剪切作用所导致的聚合物材料的塑性 流动。此外，来自CMP工艺的碎屑会阻塞浆液流过抛光表面的表面孔隙和微通道。 当发生这种情况时，CMP工艺的抛光速度降低，并导致在晶片之间或之中出现不 均一的抛光。修整可以在抛光表面上形成新的纹理，用于保持CMP工艺中所需的 抛光速度和均一性。
常规的抛光垫修整通过用修整碟(conditioning disk)机械切削抛光表面来 进行。所述修整碟通常具有粗糙的修整表面，所述修整表面通常包括埋入的金刚 石点。当抛光暂停(非原位)或者当CMP工艺进行中(原位)时，修整碟在CMP工艺 的间歇性暂停过程中与抛光表面接触。通常，修整碟在相对于抛光垫旋转轴固定 的位置上旋转，并当抛光垫旋转时扫过一个环形修整区域。所述修整工艺在抛光 表面上切出微沟槽，研磨并在垫材料中刨出沟槽，并再造抛光纹理。
虽然垫的设计者在制造垫材料以及表面修整中已经制造了各种表面纹理的微 结构和构型，但是现有CMP垫的抛光纹理在两个重要方面上并不是最佳。第一， 在CMP中通常施加的压力条件下，常规CMP垫和常规工件之间的实际接触面积小 ---通常仅占全部相对面积的很少百分比。这直接由过度的常规表面修整而导致， 所述表面修整是随意地将结构的实心区域划成碎料(tatter)，造成部件污染或者 凹凸不平，或者是由于各种形状和高度而导致的，其中仅最高的部分实际接触了 工件。第二，供浆液流动以转运抛光碎屑和热量的空隙占据垫表面的薄层，使得 抛光废料保持紧密靠近工件，直到它完全从工件下排出。在垫和工件之间的浆液 流体必须经过很不规则的表面，并绕过桥接垫和工件之间的完全垂直间距的任意 凹凸不平特征。这很可能导致工件再次接触废弃的化学物质和先前除去的材料。 这样，由于表面纹理中的接触力学和流体力学偶合，常规垫的微结构并不是最佳： 凹凸不平特征的高度分布并不利于良好的接触，也不利于流体有效的流动和运送。
CMP中的缺陷形成源自常规垫微结构的缺点。例如，Reinhardt等在美国专利 No.5578362中公开了使用聚合物小球将纹理引入聚氨酯抛光垫中。虽然确切的缺 陷形成机制未完全弄懂，但是降低缺陷形成要求工件上的极端点应力最小通常是 显而易见的。在给定的施加负载和抛光压力下，实际的点接触压力与实际接触面 积成反比例。在3psi(20.7kPa)抛光压力下运行并且所有凹凸不平特征尖端的实 际接触面积为2％的CMP工艺通常给工件施加平均为150psi(1Mpa)的正(stress) 应力。这种量级的应力足以导致表面和子表面损伤。在常规CMP垫上，变钝以及 形状不规则的凹凸不平特征也是不利的流动图案：凹凸不平特征上流体碰撞的局 部压力是显著的，并且停滞区域或者分开流动会导致抛光碎屑和热量积聚，或者 形成供颗粒团聚的环境。
除了存在潜在的缺陷形成来源，常规抛光垫微观结构并不是最佳的，这是因 为垫表面修整通常不是可以精确复制的。修整碟上的金刚石在使用过程中变钝， 使得在一段时间后要替换修整设备(conditioner)；因此，在其使用寿命过程中， 修整设备的有效性连续变化。修整也大大影响了CMP垫的损耗率。通常，垫因与 金刚石修整设备研磨而导致的磨损约为95％，而仅有约5％是因与工件接触而磨损。 因此，除了减少缺陷以外，改进的垫的微观结构可以无需修整，并使用寿命更长。
去除垫修整的关键在于设计一种可以自更新的抛光表面，即当其磨损时可以 保持基本相同的几何形状和构型。因此，为了能自更新，抛光表面必须是使磨损 不会显著改造实心区域。这样就要求实心区域不会经受足以导致显著塑性流动的 连续剪切作用和热量，或者构造实心区域，使它们能通过将剪切作用和热量分散 到其它实心区域的方式响应剪切作用或热量。
除了缺陷率低以外，CMP垫的抛光结构必须具有良好的平面化效率。常规的 垫材料要求在这两个性能度量标准之间平衡，这是因为缺陷率低是通过使材料变 得更软和更顺应来达到的，而这些相同性能的变化则对平面化效率不利。最后， 平面化要求坚硬的平坦材料，而低缺陷率则要求不那么坚硬的共形材料。因此， 用单一的材料很难在这些度量标准之间克服根本的平衡。常规的垫结构以各种方 式来解决这一问题，包括使用具有相互结合的硬层和软层的复合材料。虽然复合 材料比单层结构有改进，但是仍旧没有研发出同时获得理想平面化效率和零缺陷 形成的材料。
因此，虽然垫微结构和修整装置出现在同时期的CMP应用中，但是仍要求CMP 垫能获得更高的与工件的真实接触面积；更有效的浆液流动图案，以除去抛光碎 屑；以及减少或者消除对再造纹理的需求。此外，要求CMP垫结构综合了良好平 面化效率所需的坚硬刚性结构以及低缺陷率所需的不那么坚硬的共形结构。
发明内容
本发明一方面提供一种用于在抛光介质存在下抛光磁性、光学和半导体基材 中至少一种的抛光垫，所述抛光垫包括：a)互连单元的三维网络结构，所述互连 单元是网状的，便于流体流动，并除去抛光碎屑；b)用于形成互连单元的三维网 络结构的多个抛光元件，所述互连单元的高度至少为三个单元，所述抛光元件具 有在第一接合处连接到第一相邻抛光元件的第一末端，和在第二接合处连接到第 二相邻抛光元件的第二末端，并且在第一和第二接合处之间具有30％以内的横截 面积；c)由多个抛光元件形成的抛光表面，所述抛光表面的表面积(在平行于抛 光表面的平面上测得)与多次抛光操作保持一致。
本发明另一方面提供一种用于在抛光介质存在下抛光磁性、光学和半导体基 材中至少一种的抛光垫，所述抛光垫包括：a)互连单元的三维网络结构，所述互 连单元的高度至少为10个单元，所述互连单元形成线型抛光元件，并且所述互连 单元是网状的，便于流体流动，并除去抛光碎屑；b)用于形成互连单元的三维网 络结构的多个线型抛光元件，所述线型抛光元件具有在第一接合处连接到第一相 邻抛光元件的第一末端，和在第二接合处连接到第二相邻抛光元件的第二末端， 并且在第一和第二接合处之间具有30％以内的横截面积；c)由多个抛光元件形成 的抛光表面，所述抛光表面的表面积(在平行于抛光表面的平面上测得)与多次抛 光操作保持一致。
本发明另一方面提供一种在抛光介质存在下用抛光垫抛光磁性、光学和半导 体基材中至少一种的方法，所述方法包括以下步骤：在抛光垫和基材之间形成动 态接触，来抛光所述基材，所述抛光垫包括：互连单元的三维网络结构，所述互 连单元是网状的，便于流体流动，并除去抛光碎屑；用于形成互连单元的三维网 络结构的多个抛光元件，所述互连单元的高度至少为10个单元，所述抛光元件具 有在第一接合处连接到第一相邻抛光元件的第一末端，和在第二接合处连接到第 二相邻抛光元件的第二末端，并且在第一和第二接合处之间具有30％以内的横截 面积；由多个抛光元件形成的抛光表面，所述抛光表面的表面积(在平行于抛光表 面的平面上测得)与多次抛光操作保持一致；并且捕集三维网络结构的抛光元件中 的抛光碎屑。
本发明另一方面提供一种用于在抛光介质存在下抛光磁性、光学和半导体基 材中至少一种的抛光垫，所述抛光垫包括：a)互连单元的三维网络结构，所述互 连单元的高度至少为10个单元，所述互连单元形成线型抛光元件，并且所述互连 单元是网状的，便于流体流动，并除去抛光碎屑；b)用于形成互连单元的三维网 络结构的多个线型抛光元件，所述线型抛光元件具有在第一接合处连接到第一相 邻抛光元件的第一末端，和在第二接合处连接到第二相邻抛光元件的第二末端， 并且在第一和第二接合处之间具有30％以内的横截面积；c)由多个抛光元件形成 的抛光表面，所述抛光表面的表面积(在平行于抛光表面的平面上测得)与多次抛 光操作保持一致。
本发明另一方面提供一种在抛光介质存在下用抛光垫抛光磁性、光学和半导 体基材中至少一种的方法，所述方法包括以下步骤：在抛光垫和基材之间形成动 态接触，来抛光所述基材，所述抛光垫包括：互连单元的三维网络结构，所述互 连单元是网状的，便于流体流动，并除去抛光碎屑；用于形成互连单元的三维网 络结构的多个抛光元件，所述互连单元的高度至少为10个单元，所述抛光元件具 有在第一接合处连接到第一相邻抛光元件的第一末端，和在第二接合处连接到第 二相邻抛光元件的第二末端，并且在第一和第二接合处之间具有30％以内的横截 面积；由多个抛光元件形成的抛光表面，所述抛光表面的表面积(在平行于抛光表 面的平面上测得)与多次抛光操作保持一致；并且捕集三维网络结构的抛光元件中 的抛光碎屑。
附图说明
图1是本发明适用的双轴抛光机的部分透视图；
图2A是图1所示具有本发明抛光结构的抛光垫的高倍放大截面图；
图2B是图1所示具有本发明抛光结构的抛光垫的高倍放大平面图；
图3是具有本发明抛光结构的另一抛光垫的高倍放大截面图；
图4是具有本发明抛光结构的另一抛光垫的高倍放大截面图。
图2A是图1所示具有本发明抛光结构的抛光垫的高倍放大截面图；
图2B是图1所示具有本发明抛光结构的抛光垫的高倍放大平面图；
图3是具有本发明抛光结构的另一抛光垫的高倍放大截面图；
图4是具有本发明抛光结构的另一抛光垫的高倍放大截面图。
具体实施方式
参见附图，图1通常描述了适合与本发明抛光垫104一起使用的双轴化学机 械抛光(CMP)机100的主要特征。抛光垫104通常包括具有抛光表面110的抛光层 108，所述抛光表面110面对制品如半导体晶片112(加工或未加工的)或者其它工 件，如玻璃、平板显示器或者磁信息记录碟片等，以在抛光介质120存在下抛光 工件的抛光表面116。抛光介质120移动通过具有深度128的任选螺旋形凹槽124。 简便起见，以下按一般意义使用术语“晶片”。此外，在本说明书(包括权利要求 书)中，术语“抛光介质”包括含颗粒的抛光溶液以及不含颗粒的溶液，如不含磨 料(abrasive-free)和活性液体抛光溶液。
本发明通常包括提供具有抛光纹理200(图2)的抛光层108，相对于实心体积， 它具有高孔隙分数或者高百分数的开孔体积(open volume)，由一系列类似或相 同的肉眼可见或微观的细长元件形成抛光层108，各元件限制在一端或多端，使 所述元件占据的全部空间相比可用的全部空间来说小，单独元件的间距相比晶片 的尺寸来说小，并且所述元件互连成三维结构，以相对于剪切和弯曲而言使所述 网络结构牢固。优选地，这些元件具有微观尺寸以形成微纹理。这些特征用于在 所述垫和晶片之间提供更高的真实接触面积，在垫和晶片之间提供比常规抛光垫 更加有利的浆液流动图案，并提供无需对抛光垫进行修整的自更新结构。此外， 这些特征还以一定方式在长度尺寸上为抛光垫提供用于良好平面化效率所需的刚 度，同时也在较短长度尺寸上提供低缺陷率所需的适应性。
抛光机100还可包括安装到平台130上的抛光垫104。平台130可沿旋转轴 134由平台驱动器(未显示)进行旋转。晶片112由晶片载体138支撑，所述载体 沿平行于平台130的旋转轴134(且与之隔开)的旋转轴142旋转。晶片载体138 可起到装有万向接头的联动装置(gimbaled linkage)(未显示)的作用，使晶片 112呈现出略不平行于抛光层108的样子，这时旋转轴134、142可略微歪斜。晶 片112包括面对抛光层108的抛光表面116，并在抛光过程中平面化。晶片载体 138由用于旋转晶片112的载体支撑组件(未显示)来支撑，并提供下压力F，以将 待抛光表面116压向抛光层108，从而抛光时在抛光表面和抛光层之间产生所需 的压力。抛光机100也包括向抛光层108提供抛光介质120的抛光介质进口146。
如本领域那些技术人员所意识到的，抛光机100可以包括其它部件(未显示)， 如系统控制器、抛光介质存储和分散系统，加热系统、清洗系统和用于控制抛光 工艺各方面的各种控制器，如(1)用于控制晶片112和抛光垫104的旋转速度之一 或两者的速度控制器和选择器(selector)，(2)用于改变抛光介质120输送到 抛光垫上的速度和位置的控制器和选择器，(3)用于控制施加到晶片和抛光垫之间 的作用力F量级的控制器和选择器，以及(4)用于控制晶片旋转轴142相对于抛光 垫旋转轴134的位置的控制器、制动器和选择器等等。本领域那些技术人员应理 解这些部件是如何安装和运行的，它们的详细解释对本领域那些技术人员理解和 实施本发明来说并不是必需的。
在抛光过程中，抛光垫104和晶片112沿它们各自的旋转轴134和142旋转， 抛光介质120从抛光介质进口146分散到旋转的抛光垫上。抛光介质120在抛光 层108上(包括在晶片112和抛光垫104下方的缝隙中)铺开。抛光垫104和晶 片112通常(但不是一定)在0.1-150rpm的选定速度下旋转。作用力F通常(但不 是一定)是在晶片112和抛光垫104之间产生0.1-15psi(6.9-103kPa)所需压力的 量级。如本领域那些技术人员所意识到的，可以将抛光垫制成卷材形式，或者制 成直径小于要抛光基材的直径的抛光垫。
现在参见图2A-2B，更加详细地说明了图1所示抛光垫104的实施方式，尤 其是针对表面抛光纹理200。与现有技术的CMP垫(其中，表面纹理或凹凸不平 (asperity)来自材料除去或者改造工艺(即修整))不同，抛光纹理200由一系列 具有精确几何构型的相同或类似的抛光元件204和208构成。为了便于说明，抛 光纹理200显示为由基本上垂直的元件208和基本上水平的元件204构成，但是 并不一定是这种情况。抛光纹理200等同于大量这种具有平均宽度210和平均横 截面积222的抛光元件204和208，所述元件以平均螺距(pitch)218间隔。在 本文中，术语“平均”是指在所述元件或结构的全部量上的算术平均。此外，元 件204和208的互连网络结构具有平均高度214和平均半高度215。抛光纹理200 实际上是一套六面体单元，是其中各面(6个面)是正方形或矩形的空间单元，实 心部分仅在该空间单元的边缘，在各面的中心以及空间单元的中心为空的。
元件208的平均高度214和平均宽度210之比至少为0.5。较好的是，平均 高度214和平均宽度210之比至少为0.75，最好是至少1。任选地，平均高度214 和平均宽度210之比至少为5或者至少为10。当平均高度增大时，在抛光过程中 硬化抛光元件208的网络结构所需的互连元件204的数量增大。通常，只有突出 最上层互连元件204的元件208的无束缚末端在抛光过程中在剪切力的作用下自 由弯曲。在基层240和最上层互连元件204之间的元件208的高度受到很大程度 的限制，施加到任一元件208上的力由许多相邻的元件204和208有效地输送， 类似于桥构架或者外部支撑。在这种情况下，抛光纹理200在长度尺寸上是坚硬 的(良好平面化所需的)，但是在较短长度尺寸上则因元件208未支撑末端的局部 变形性和柔韧性而是局部顺应的。
互连元件204和抛光元件208组合形成单元225，所述单元具有平均宽度227 和平均长度229。这些单元具有网状或开孔结构，组合形成了三维网络结构。互 连单元的高度至少是3个单元，较好是至少10个单元。通常，增大抛光垫的高度 延长了抛光垫的使用寿命以及整体刚性，其中后者对提高平面化有利。任选地， 单元的平均宽度227不等于其平均长度229。例如，平均宽度和平均长度之比可 以是至少2或者至少4，以进一步改进某些抛光应用所需的抛光性能。例如，具 有拉长水平长度的单元提供更坚硬的抛光元件，以改进平面化；具有拉长垂直长 度的单元具有更柔韧的抛光件，以改进缺陷性能。
元件208的平均高度和平均宽度之比高的优势在于截面积222的全部抛光表 面积长期保持恒定。如图2A所示，在抛光层202使用寿命的任一时间点，虽然抛 光纹理200的大多数接触面积由垂直元件208的横截面222组成，但是一些互连 元件204的所有或部分也在磨损，并且这些被特别指定为接触元件206。较好的 是，互连元件204的垂直位置(vertical position)交错(stagger)，使平行 于基层240出现的磨损仅在一段时间内在给定点处遇到小部分的互连元件204， 并且这些接触元件206构成了总接触面积的小部分。这允许以类似的抛光性能抛 光若干基材，并减少或消除周期性整理或修整该垫的需求。减少修整延长了垫的 使用寿命，并降低了其操作成本。而且，通过垫的穿孔、引入导电凹槽或者加入 导电体如导电纤维、导电网络结构、金属栅格或者金属线可以将该垫转变成 eCMP(电化学机械平面化)抛光垫。这些垫的三维网络结构便于流体流动，并保持 苛刻eCMP应用所需的均一表面结构。流体流动的增大改进了废弃电解液从eCMP 工艺中除去，这可以改进eCMP工艺的均一性。
较好的是，抛光纹理200中不存在实心材料，不包含在抛光元件204和208 中。任选地，可以将研磨颗粒或纤维固定在抛光元件204和208中。相应地，在 任一单独的元件204或208中不存在空隙体积，抛光纹理200中所有的空隙体积 较好存在于抛光元件204和208之间以及之外。但是，抛光元件204和208任选 具有中空或多孔结构。抛光元件208的一端保持螺距218牢固附于基层240上， 并使抛光元件208保持基本垂直的方向。元件208的取向还通过接合处(junction) 209的互连元件204来保持，所述结合209连接相邻的抛光元件204和208上。 接合处209可以包含粘合剂，或者化学结合来固定元件204和208。较好的是， 接合处209表示相同材料的互连，最好是相同材料的无缝互连。
优选地，抛光元件208的宽度210和螺距218在接合处209之间的所有抛光 元件208上从一端到另一端都均一或接近均一，或者在抛光元件208的子组上均 一。例如，抛光元件208的宽度210和螺距218较好在接触件206和半高度215 之间的抛光层202中各自保持在平均宽度或螺距的50％以内。更好地是，抛光元 件208的宽度210和螺距218较好在接触件206和半高度215之间的抛光层202 中各自保持在平均宽度或螺距的20％以内。最好的是，抛光元件208的宽度210 和螺距218较好在接触件206和半高度215之间的抛光层202中各自保持在平均 宽度或螺距的10％以内。特别地是，将抛光元件204和208在相邻接合处209之 间的横截面积保持在30％以内对均匀的抛光性能有利。较好的是，所述垫将相邻 接合处209之间的横截面积保持在20％以内，最好是10％以内。而且，抛光元件 204和208较好是线型，这对均一抛光更有利。这些特征的一个直接的结果就是 抛光元件208的横截面积222在垂直方向上不会显著变化。因此，当抛光元件208 在抛光过程中磨损以及高度214降低时，面对晶片的面积222几乎不会改变。表 面积222的均一性提供了一个均一的抛光纹理200，并提供重复抛光操作所需的 均一抛光。例如，均一结构允许抛光形成多个图案的晶片，无需调整工具设置。 在本说明书中，抛光表面或纹理200表示抛光元件204和208的表面积(在平行于 抛光表面的平面上测得)。较好的是，抛光元件208的全部横截面积222在起初抛 光表面或接触元件206与单元225的垂直体积的半高度215之间保持在25％以内。 最好的是，抛光元件208的全部横截面积222在起初抛光表面与单元225的垂直 柱(column)的半高度215之间保持在10％以内。如上所述，互连元件204的垂 直位置更好是交错的，当元件磨损时全部横截面积的变化最小。
任选地，可以将抛光元件208排列成若干抛光元件208的相间分组(spaced grouping)---例如，抛光元件包括被不含抛光元件的区域包围的环形分组。在各 分组中，优选互连元件204能保持元件208分组的间距和有效的刚度。此外，可 以调整抛光元件204或208在不同区域的密度，精细调整除去率和抛光或晶片的 均一性。而且，可以将抛光元件排列成敞开的通道，如圆形通道、X-Y通道、径 向通道、弯曲径向通道或螺旋通道。引入任选的通道有利于除去大的碎屑，并且 可以提高抛光或晶片的均一性。
抛光元件208的高度214在所有元件上是均一的。优选高度214保持在抛光 纹理200中平均高度的20％、更好是平均高度的10％，更好是平均高度的1％。任 选地，切割器件如刀、高速旋转刀或者激光可以周期性切割所述抛光元件，形成 均一的高度。而且，切割刀的直径和速度可以任选地以一定角度切割抛光元件， 调整抛光表面。例如，以一定角度切割具有圆形横截面的抛光元件将得到和基材 相互作用的抛光尖端的纹理。高度的均一性确保抛光纹理200的所有抛光元件208 以及所有磨损平面上的互连接触元件206可以接触工件。实际上，由于工业CMP 工具具有将不等抛光压力施加到晶片的不同位置上的机械装置，并由于在晶片下 产生的流体压力足以使晶片离开正好水平并平行于该垫的平均水平(mean level) 的位置，因此，一些抛光元件208可以不接触晶片。但是，在抛光垫104发生接 触的任意区域中，要求尽可能多的抛光元件208具有足够的高度，以提供接触。 而且，由于抛光元件208的未束缚的末端通常因抛光的动态接触机理而弯曲，起 始的抛光表面积通常磨损，以适应该弯曲的角度。例如，起始的圆形尖端表面将 磨损，形成带角度的尖端表面，并且抛光过程中经历的方向变化将形成多重磨损 图案。
选择抛光元件204和208的尺寸和间距，以在垫和晶片之间提供高接触面积 222，以及供浆液除去抛光碎屑的足够的敞开流动面积(open flow area)226。 通常，抛光元件204和208占抛光垫体积的80％以下(在基层240上测得)。较好 的是，抛光垫204和208占抛光垫体积的75％以下(在基层240上测得)。例如， 元件204和208通常占抛光垫体积的5-75％(在基层240上测得)。用于高接触面 积的抛光垫通常占抛光垫体积的40-80％(在基层240上测得)。在这些目标之间存 在固有的平衡：在抛光纹理200的有效空间中增加更多的抛光元件204和208增 加了总接触面积222，但是降低了流动面积226，形成更多妨碍浆液流体230以及 抛光碎屑除去的阻挡物。本发明的本质特征在于抛光元件204和208足够纤细， 且间隔足够宽，使接触面积和流动面积之间保持良好的平衡。具有矩形或正方形 横截面的抛光元件208有利于增大接触面积。依照这一平衡，抛光元件208的螺 距218与抛光元件208的宽度210之比任选至少为2。在这些限制下，抛光纹理 200的接触面积222可达到75％(即，(1-宽度/螺距)的平方)或以上，流动面积226 是有效面积的50％(即，1-宽度/螺距)或以上。通常，抛光元件208起到在垫表面 以下位置收集或捕集抛光碎屑的作用。这一特征有利于通过在抛光过程中不会接 触或刮擦制品表面的位置上捕集有害的碎屑来降低缺陷率。而且，抛光元件208 的高度214和宽度210之比还可以任选至少为4，使流动面积226最大，允许抛 光碎屑在抛光元件204和208之间水平输送，同时在这输送的碎屑和晶片之间仍 形成垂直距离。
抛光纹理200还通过选择抛光元件204和208的横截面形状来进一步优化， 即，使相对于主要出现在水平方向上的浆液流体230而言呈流线型(streamline)。 将主体制成流线型使流体阻力最小，这是工程上熟知的原理，并成为在设计航空、 航海、交通工具、推进器和其它在气体或液体中运动的物体时通常适用的科学。 调整这些后面的人尺度(human scale)物件的流体流动方程式同样适用CMP垫的 宏观结构尺度或微结构尺度。其实，流线型化由选择逐步弯曲的横截面且没有尖 锐转折组成，使外部流体流体可以绕横截面经过，而不会离开所述表面，不会形 成消耗流体能量的循环漩涡。出于这一考虑，相比正方形或矩形横截面，抛光元 件204和208优选圆形横截面222。而且，将抛光元件208的形状制成流线型要 求确认浆液流体230的局部流向。由于垫和晶片在旋转，浆液流体230以各种角 度达到抛光元件204和208，对一个角度的达到途径来说正确的流线型设计对其 它角度的达到途径就不是最满意的。对所有方向的流体达到途径都相等地呈流线 型的唯一形状就是圆形横截面，因此在通常情况下优选圆形。若可以确定主要的 流动方向，在平台速度与载体速度之比很高的CMP工艺中，更加优选抛光元件204 和208的横截面相对于该方向而言呈流线型。
图2A所示，抛光垫104包括抛光层202，并且还可以包括次垫片(subpad) 250。应注意次垫片250并不一定需要，抛光层202可以通过基层240直接固定到 抛光机的平台上，例如图1所示的平台130。抛光层202可以通过基层240以任 意合适的方式如粘合剂粘结(例如，使用压敏粘合剂层245或者热熔性粘合剂)、 热粘合、化学粘结、超声粘结等固定到次垫片250上。基层240或次垫片250可 以用作连结抛光元件208的抛光基底。较好的是，抛光元件208的基底部分延伸 到基层240。
可以使用各种方法来制造抛光纹理200。对于较大尺寸的网络结构，这些包 括微加工、激光或者流体喷射蚀刻以及其它从实心原料上除去材料的方法；以及 聚焦的激光聚合反应，选择性光学固化(preferential optical curing)、生物 生长以及其它在最初的空容积内构建材料的方法。对于较小尺寸的网络结构，可 以使用结晶、晶种聚合反应、平版印刷术或其它选择性材料沉积技术，以及电泳、 相成核技术或者其它建立模板供之后材料自组装的方法。
微结构200的抛光元件204和208以及基层240可以由任意合适的材料制得， 如聚碳酸酯、聚砜、尼龙、聚醚、聚酯、聚苯乙烯类(polystyrenes)、丙烯酸聚 合物、聚甲基丙烯酸甲酯类(polymethyl methacryl ates)、聚氯乙烯类 (polyvinylchlorides)、聚氟乙烯类(polyvinlyflurides)、聚乙烯类 (polyethylenes)、聚丙烯类(polypropylenes)、聚丁二烯类(polybutadienes)、 聚乙烯亚胺类(polyethylene imines)、聚氨酯、聚醚砜、聚酰胺、聚醚亚胺、聚 酮、环氧树脂、硅酮、它们的共聚物(如，聚醚-聚酯共聚物)以及它们的混合物。 抛光元件204和208和基层240也可以由非聚合材料制得，如陶瓷、玻璃、金属、 石材、木材或者简单材料的固相形式如冰。抛光元件204和208和基层240也可 以由聚合物和一种或多种非聚合材料的复合物制得。
通常，抛光元件204和208以及基层240的材料选择受到以所需方式抛光由 具体材料制得的制品的适用性所限制。类似地，次垫片250可以由任意合适的材 料制得，如上述用于抛光元件204和208以及基层240的材料。抛光垫104可以 任选包括用于将抛光机的抛光垫固定到平台(例如，图1所示平台130)上的紧固 件。所述紧固件可以是例如粘合剂层如压敏粘合剂层245、热熔性粘合剂、机械 紧固件如钩圈紧固件的钩部分和圈部分。在本发明的范围也可以使用一个或多个 纤维光学端点(endpoint)装置270或者类似的传输装置，它们占据抛光纹理200 的一个或多个空隙。
参见图3，针对另一表面抛光纹理300描述本发明图1所示抛光垫104的第 二实施方式--图3所示侧截面图具有抛光层302中互连网络单元的类似不对称图 案。与图2A所述抛光垫类似，粘合剂层345将基层340固定到任选的次垫片350 上，并任选包括端点装置370。抛光纹理300在三个方面不同于图2A所示的抛光 纹理200。首先，抛光纹理300的元件308并不严格垂直于基层340和水平面， 而是与它们呈45-90度之间的任意角度，并且一些元件308是弯曲的，而不是直 的。而且，互连元件304不都是水平的，而是一些与基层340和水平面呈0-45度。 这样，抛光纹理300由单元组成，但是所述单元的形状以及面的数量上不同。这 些特征并不经得住考验(nonwithstanding)，元件308的高度314在抛光层或抛光 元件306与抛光纹理300的半高度之间的抛光纹理300内基本上不会改变。第二， 元件304和308的宽度310、螺距318和横截面积322相比抛光元件208相应属 性具有更多的变化(variation)。第三，流经元件304和308以及在元件304和 308中的浆液流体330沿着比流经抛光元件208的流体230更加不规则的路径流 动。然而，抛光纹理300包括本发明的基本性质，其中，元件306形成抛光表面。 具体的是，元件304和308在接合处309互连，形成在三维空间上互连的网络结 构，其互连程度足以给抛光纹理提供整体牢固性，而元件308未束缚的末端提供 局部柔韧性，以顺应工件。此外，元件304和308仍足够纤细，且间隔足够宽， 以保持接触面积和流动面积之间有利的平衡，元件308的平均螺距318和元件308 的平均宽度310之比至少为2，元件308的高度314和平均宽度310之比至少为4。 这样，抛光纹理300的接触面积322可以达到25％或以上；当比抛光纹理300的 流动面积326更加不规则，流动面积326足够大，便于抛光碎屑在元件304和308 中水平输送，而在输送的碎屑和晶片之间仍提供垂直距离。
图3所示抛光纹理300说明了本发明包括敞开的互连网络结构，其中，单独 的元件呈从完全水平到完全垂直的所有角度。此外，本发明包括完全无规的互连 纤细元件的阵列，其中，没有明显重复的大小或形状的空隙，或者其中许多元件 高度弯曲，分支或者相纠缠。本发明范围内的抛光垫微结构常见的图像是桥桁架、 大分子的球棍模型以及互连的人类神经细胞。在各种情况下，所述结构必须具有 相同的关键特征，即三维结构中存在足够的互连，以强化整体网络结构；来自上 表面的网络结构在水平面上的磨损产生具有局部未束缚末端的纤细元件，提供在 短长度上对工件的顺应性；以及元件的敞开空隙以及长宽比符合以上给出的几何 学限制。
在图4中显示了本发明的另一实施方式，并由具有规则间距的互连四面体晶 格的抛光层402。所有元件404和408显示为长度和宽度相同，并在接合处409 连结，虽然并不一定要如此。在所示实施方式中，所述单元是规则的四面体，其 中，各面(4个)是等边三角形，其侧面是网络结构的螺距418，且实心件的宽度 410仅沿空间单元的四个边缘，各三角形面和空间单元的中心整个是空的。由于 四面体晶格的对称性，图4所示侧横截面和平面图形成相同的网状图案。这种抛 光纹理提供最高可能性的牢固性，这是因为有三角形面的多面体是不会变形的。 当所述结构磨损时，自由末端在元件408上形成，提供局部可变形性以及对工件 的顺应性。在图4所示的实施方式中，四面体网络结构构建在稍微呈楔形的基层 440上，使网络结构的平面都不精确地平行于与晶片接触的平面。在某一时间的 指定点处，仅元件406的子单元沿其最长的尺寸研磨，而大多数的接触面由沿其 较短尺寸研磨的元件的较小横截面422提供。这使其接触面在抛光纹理400的抛 光层或抛光元件406与半高度415之间基本保持不变。在楔形基层440上，供浆 液流体430的平均面积426稍微变化。为了使这种变化最小，基层440实际上进 行分级，使得重复的一系列楔形部分支撑所述网络结构。图4所示结构约为1个 重复单元。类似于图2A所示的垫，粘合剂层445将基层440固定到任选的次垫片 450上，并任选地包括端点装置470。
本发明提供了解除接触机理与流体机理之间关联作用的优势。具体的是，它 在该垫中提供有效地流体流动，便于容易除去抛光碎屑。此外，它允许调整抛光 元件的牢固性、高度和螺距，以控制和基底的接触机理。而且，所述抛光元件的 形状能减少或消除为延长抛光垫使用寿命而进行的修整。最后，所述均一的横截 面允许抛光多个基底，如具有类似抛光特性的有图案的晶片。
本发明通常包括提供具有抛光纹理200(图2)的抛光层108，相对于实心体积， 它具有高孔隙分数或者高百分数的开孔体积(open volume)，由一系列类似或相 同的肉眼可见或微观的细长元件形成抛光层108，各元件限制在一端或多端，使 所述元件占据的全部空间相比可用的全部空间来说小，单独元件的间距相比晶片 的尺寸来说小，并且所述元件互连成三维结构，以相对于剪切和弯曲而言使所述 网络结构牢固。优选地，这些元件具有微观尺寸以形成微纹理。这些特征用于在 所述垫和晶片之间提供更高的真实接触面积，在垫和晶片之间提供比常规抛光垫 更加有利的浆液流动图案，并提供无需对抛光垫进行修整的自更新结构。此外， 这些特征还以一定方式在长度尺寸上为抛光垫提供用于良好平面化效率所需的刚 度，同时也在较短长度尺寸上提供低缺陷率所需的适应性。
抛光机100还可包括安装到平台130上的抛光垫104。平台130可沿旋转轴 134由平台驱动器(未显示)进行旋转。晶片112由晶片载体138支撑，所述载体 沿平行于平台130的旋转轴134(且与之隔开)的旋转轴142旋转。晶片载体138 可起到装有万向接头的联动装置(gimbaled linkage)(未显示)的作用，使晶片 112呈现出略不平行于抛光层108的样子，这时旋转轴134、142可略微歪斜。晶 片112包括面对抛光层108的抛光表面116，并在抛光过程中平面化。晶片载体 138由用于旋转晶片112的载体支撑组件(未显示)来支撑，并提供下压力F，以将 待抛光表面116压向抛光层108，从而抛光时在抛光表面和抛光层之间产生所需 的压力。抛光机100也包括向抛光层108提供抛光介质120的抛光介质进口146。
如本领域那些技术人员所意识到的，抛光机100可以包括其它部件(未显示)， 如系统控制器、抛光介质存储和分散系统，加热系统、清洗系统和用于控制抛光 工艺各方面的各种控制器，如(1)用于控制晶片112和抛光垫104的旋转速度之一 或两者的速度控制器和选择器(selector)，(2)用于改变抛光介质120输送到 抛光垫上的速度和位置的控制器和选择器，(3)用于控制施加到晶片和抛光垫之间 的作用力F量级的控制器和选择器，以及(4)用于控制晶片旋转轴142相对于抛光 垫旋转轴134的位置的控制器、制动器和选择器等等。本领域那些技术人员应理 解这些部件是如何安装和运行的，它们的详细解释对本领域那些技术人员理解和 实施本发明来说并不是必需的。
在抛光过程中，抛光垫104和晶片112沿它们各自的旋转轴134和142旋转， 抛光介质120从抛光介质进口146分散到旋转的抛光垫上。抛光介质120在抛光 层108上(包括在晶片112和抛光垫104下方的缝隙中)铺开。抛光垫104和晶 片112通常(但不是一定)在0.1-150rpm的选定速度下旋转。作用力F通常(但不 是一定)是在晶片112和抛光垫104之间产生0.1-15psi(6.9-103kPa)所需压力的 量级。如本领域那些技术人员所意识到的，可以将抛光垫制成卷材形式，或者制 成直径小于要抛光基材的直径的抛光垫。
现在参见图2A-2B，更加详细地说明了图1所示抛光垫104的实施方式，尤 其是针对表面抛光纹理200。与现有技术的CMP垫(其中，表面纹理或凹凸不平 (asperity)来自材料除去或者改造工艺(即修整))不同，抛光纹理200由一系列 具有精确几何构型的相同或类似的抛光元件204和208构成。为了便于说明，抛 光纹理200显示为由基本上垂直的元件208和基本上水平的元件204构成，但是 并不一定是这种情况。抛光纹理200等同于大量这种具有平均宽度210和平均横 截面积222的抛光元件204和208，所述元件以平均螺距(pitch)218间隔。在 本文中，术语“平均”是指在所述元件或结构的全部量上的算术平均。此外，元 件204和208的互连网络结构具有平均高度214和平均半高度215。抛光纹理200 实际上是一套六面体单元，是其中各面(6个面)是正方形或矩形的空间单元，实 心部分仅在该空间单元的边缘，在各面的中心以及空间单元的中心为空的。
元件208的平均高度214和平均宽度210之比至少为0.5。较好的是，平均 高度214和平均宽度210之比至少为0.75，最好是至少1。任选地，平均高度214 和平均宽度210之比至少为5或者至少为10。当平均高度增大时，在抛光过程中 硬化抛光元件208的网络结构所需的互连元件204的数量增大。通常，只有突出 最上层互连元件204的元件208的无束缚末端在抛光过程中在剪切力的作用下自 由弯曲。在基层240和最上层互连元件204之间的元件208的高度受到很大程度 的限制，施加到任一元件208上的力由许多相邻的元件204和208有效地输送， 类似于桥构架或者外部支撑。在这种情况下，抛光纹理200在长度尺寸上是坚硬 的(良好平面化所需的)，但是在较短长度尺寸上则因元件208未支撑末端的局部 变形性和柔韧性而是局部顺应的。
互连元件204和抛光元件208组合形成单元225，所述单元具有平均宽度227 和平均长度229。这些单元具有网状或开孔结构，组合形成了三维网络结构。互 连单元的高度至少是3个单元，较好是至少10个单元。通常，增大抛光垫的高度 延长了抛光垫的使用寿命以及整体刚性，其中后者对提高平面化有利。任选地， 单元的平均宽度227不等于其平均长度229。例如，平均宽度和平均长度之比可 以是至少2或者至少4，以进一步改进某些抛光应用所需的抛光性能。例如，具 有拉长水平长度的单元提供更坚硬的抛光元件，以改进平面化；具有拉长垂直长 度的单元具有更柔韧的抛光件，以改进缺陷性能。
元件208的平均高度和平均宽度之比高的优势在于截面积222的全部抛光表 面积长期保持恒定。如图2A所示，在抛光层202使用寿命的任一时间点，虽然抛 光纹理200的大多数接触面积由垂直元件208的横截面222组成，但是一些互连 元件204的所有或部分也在磨损，并且这些被特别指定为接触元件206。较好的 是，互连元件204的垂直位置(vertical position)交错(stagger)，使平行 于基层240出现的磨损仅在一段时间内在给定点处遇到小部分的互连元件204， 并且这些接触元件206构成了总接触面积的小部分。这允许以类似的抛光性能抛 光若干基材，并减少或消除周期性整理或修整该垫的需求。减少修整延长了垫的 使用寿命，并降低了其操作成本。而且，通过垫的穿孔、引入导电凹槽或者加入 导电体如导电纤维、导电网络结构、金属栅格或者金属线可以将该垫转变成 eCMP(电化学机械平面化)抛光垫。这些垫的三维网络结构便于流体流动，并保持 苛刻eCMP应用所需的均一表面结构。流体流动的增大改进了废弃电解液从eCMP 工艺中除去，这可以改进eCMP工艺的均一性。
较好的是，抛光纹理200中不存在实心材料，不包含在抛光元件204和208 中。任选地，可以将研磨颗粒或纤维固定在抛光元件204和208中。相应地，在 任一单独的元件204或208中不存在空隙体积，抛光纹理200中所有的空隙体积 较好存在于抛光元件204和208之间以及之外。但是，抛光元件204和208任选 具有中空或多孔结构。抛光元件208的一端保持螺距218牢固附于基层240上， 并使抛光元件208保持基本垂直的方向。元件208的取向还通过接合处(junction) 209的互连元件204来保持，所述结合209连接相邻的抛光元件204和208上。 接合处209可以包含粘合剂，或者化学结合来固定元件204和208。较好的是， 接合处209表示相同材料的互连，最好是相同材料的无缝互连。
优选地，抛光元件208的宽度210和螺距218在接合处209之间的所有抛光 元件208上从一端到另一端都均一或接近均一，或者在抛光元件208的子组上均 一。例如，抛光元件208的宽度210和螺距218较好在接触件206和半高度215 之间的抛光层202中各自保持在平均宽度或螺距的50％以内。更好地是，抛光元 件208的宽度210和螺距218较好在接触件206和半高度215之间的抛光层202 中各自保持在平均宽度或螺距的20％以内。最好的是，抛光元件208的宽度210 和螺距218较好在接触件206和半高度215之间的抛光层202中各自保持在平均 宽度或螺距的10％以内。特别地是，将抛光元件204和208在相邻接合处209之 间的横截面积保持在30％以内对均匀的抛光性能有利。较好的是，所述垫将相邻 接合处209之间的横截面积保持在20％以内，最好是10％以内。而且，抛光元件 204和208较好是线型，这对均一抛光更有利。这些特征的一个直接的结果就是 抛光元件208的横截面积222在垂直方向上不会显著变化。因此，当抛光元件208 在抛光过程中磨损以及高度214降低时，面对晶片的面积222几乎不会改变。表 面积222的均一性提供了一个均一的抛光纹理200，并提供重复抛光操作所需的 均一抛光。例如，均一结构允许抛光形成多个图案的晶片，无需调整工具设置。 在本说明书中，抛光表面或纹理200表示抛光元件204和208的表面积(在平行于 抛光表面的平面上测得)。较好的是，抛光元件208的全部横截面积222在起初抛 光表面或接触元件206与单元225的垂直体积的半高度215之间保持在25％以内。 最好的是，抛光元件208的全部横截面积222在起初抛光表面与单元225的垂直 柱(column)的半高度215之间保持在10％以内。如上所述，互连元件204的垂 直位置更好是交错的，当元件磨损时全部横截面积的变化最小。
任选地，可以将抛光元件208排列成若干抛光元件208的相间分组(spaced grouping)---例如，抛光元件包括被不含抛光元件的区域包围的环形分组。在各 分组中，优选互连元件204能保持元件208分组的间距和有效的刚度。此外，可 以调整抛光元件204或208在不同区域的密度，精细调整除去率和抛光或晶片的 均一性。而且，可以将抛光元件排列成敞开的通道，如圆形通道、X-Y通道、径 向通道、弯曲径向通道或螺旋通道。引入任选的通道有利于除去大的碎屑，并且 可以提高抛光或晶片的均一性。
抛光元件208的高度214在所有元件上是均一的。优选高度214保持在抛光 纹理200中平均高度的20％、更好是平均高度的10％，更好是平均高度的1％。任 选地，切割器件如刀、高速旋转刀或者激光可以周期性切割所述抛光元件，形成 均一的高度。而且，切割刀的直径和速度可以任选地以一定角度切割抛光元件， 调整抛光表面。例如，以一定角度切割具有圆形横截面的抛光元件将得到和基材 相互作用的抛光尖端的纹理。高度的均一性确保抛光纹理200的所有抛光元件208 以及所有磨损平面上的互连接触元件206可以接触工件。实际上，由于工业CMP 工具具有将不等抛光压力施加到晶片的不同位置上的机械装置，并由于在晶片下 产生的流体压力足以使晶片离开正好水平并平行于该垫的平均水平(mean level) 的位置，因此，一些抛光元件208可以不接触晶片。但是，在抛光垫104发生接 触的任意区域中，要求尽可能多的抛光元件208具有足够的高度，以提供接触。 而且，由于抛光元件208的未束缚的末端通常因抛光的动态接触机理而弯曲，起 始的抛光表面积通常磨损，以适应该弯曲的角度。例如，起始的圆形尖端表面将 磨损，形成带角度的尖端表面，并且抛光过程中经历的方向变化将形成多重磨损 图案。
选择抛光元件204和208的尺寸和间距，以在垫和晶片之间提供高接触面积 222，以及供浆液除去抛光碎屑的足够的敞开流动面积(open flow area)226。 通常，抛光元件204和208占抛光垫体积的80％以下(在基层240上测得)。较好 的是，抛光垫204和208占抛光垫体积的75％以下(在基层240上测得)。例如， 元件204和208通常占抛光垫体积的5-75％(在基层240上测得)。用于高接触面 积的抛光垫通常占抛光垫体积的40-80％(在基层240上测得)。在这些目标之间存 在固有的平衡：在抛光纹理200的有效空间中增加更多的抛光元件204和208增 加了总接触面积222，但是降低了流动面积226，形成更多妨碍浆液流体230以及 抛光碎屑除去的阻挡物。本发明的本质特征在于抛光元件204和208足够纤细， 且间隔足够宽，使接触面积和流动面积之间保持良好的平衡。具有矩形或正方形 横截面的抛光元件208有利于增大接触面积。依照这一平衡，抛光元件208的螺 距218与抛光元件208的宽度210之比任选至少为2。在这些限制下，抛光纹理 200的接触面积222可达到75％(即，(1-宽度/螺距)的平方)或以上，流动面积226 是有效面积的50％(即，1-宽度/螺距)或以上。通常，抛光元件208起到在垫表面 以下位置收集或捕集抛光碎屑的作用。这一特征有利于通过在抛光过程中不会接 触或刮擦制品表面的位置上捕集有害的碎屑来降低缺陷率。而且，抛光元件208 的高度214和宽度210之比还可以任选至少为4，使流动面积226最大，允许抛 光碎屑在抛光元件204和208之间水平输送，同时在这输送的碎屑和晶片之间仍 形成垂直距离。
抛光纹理200还通过选择抛光元件204和208的横截面形状来进一步优化， 即，使相对于主要出现在水平方向上的浆液流体230而言呈流线型(streamline)。 将主体制成流线型使流体阻力最小，这是工程上熟知的原理，并成为在设计航空、 航海、交通工具、推进器和其它在气体或液体中运动的物体时通常适用的科学。 调整这些后面的人尺度(human scale)物件的流体流动方程式同样适用CMP垫的 宏观结构尺度或微结构尺度。其实，流线型化由选择逐步弯曲的横截面且没有尖 锐转折组成，使外部流体流体可以绕横截面经过，而不会离开所述表面，不会形 成消耗流体能量的循环漩涡。出于这一考虑，相比正方形或矩形横截面，抛光元 件204和208优选圆形横截面222。而且，将抛光元件208的形状制成流线型要 求确认浆液流体230的局部流向。由于垫和晶片在旋转，浆液流体230以各种角 度达到抛光元件204和208，对一个角度的达到途径来说正确的流线型设计对其 它角度的达到途径就不是最满意的。对所有方向的流体达到途径都相等地呈流线 型的唯一形状就是圆形横截面，因此在通常情况下优选圆形。若可以确定主要的 流动方向，在平台速度与载体速度之比很高的CMP工艺中，更加优选抛光元件204 和208的横截面相对于该方向而言呈流线型。
图2A所示，抛光垫104包括抛光层202，并且还可以包括次垫片(subpad) 250。应注意次垫片250并不一定需要，抛光层202可以通过基层240直接固定到 抛光机的平台上，例如图1所示的平台130。抛光层202可以通过基层240以任 意合适的方式如粘合剂粘结(例如，使用压敏粘合剂层245或者热熔性粘合剂)、 热粘合、化学粘结、超声粘结等固定到次垫片250上。基层240或次垫片250可 以用作连结抛光元件208的抛光基底。较好的是，抛光元件208的基底部分延伸 到基层240。
可以使用各种方法来制造抛光纹理200。对于较大尺寸的网络结构，这些包 括微加工、激光或者流体喷射蚀刻以及其它从实心原料上除去材料的方法；以及 聚焦的激光聚合反应，选择性光学固化(preferential optical curing)、生物 生长以及其它在最初的空容积内构建材料的方法。对于较小尺寸的网络结构，可 以使用结晶、晶种聚合反应、平版印刷术或其它选择性材料沉积技术，以及电泳、 相成核技术或者其它建立模板供之后材料自组装的方法。
微结构200的抛光元件204和208以及基层240可以由任意合适的材料制得， 如聚碳酸酯、聚砜、尼龙、聚醚、聚酯、聚苯乙烯类(polystyrenes)、丙烯酸聚 合物、聚甲基丙烯酸甲酯类(polymethyl methacryl ates)、聚氯乙烯类 (polyvinylchlorides)、聚氟乙烯类(polyvinlyflurides)、聚乙烯类 (polyethylenes)、聚丙烯类(polypropylenes)、聚丁二烯类(polybutadienes)、 聚乙烯亚胺类(polyethylene imines)、聚氨酯、聚醚砜、聚酰胺、聚醚亚胺、聚 酮、环氧树脂、硅酮、它们的共聚物(如，聚醚-聚酯共聚物)以及它们的混合物。 抛光元件204和208和基层240也可以由非聚合材料制得，如陶瓷、玻璃、金属、 石材、木材或者简单材料的固相形式如冰。抛光元件204和208和基层240也可 以由聚合物和一种或多种非聚合材料的复合物制得。
通常，抛光元件204和208以及基层240的材料选择受到以所需方式抛光由 具体材料制得的制品的适用性所限制。类似地，次垫片250可以由任意合适的材 料制得，如上述用于抛光元件204和208以及基层240的材料。抛光垫104可以 任选包括用于将抛光机的抛光垫固定到平台(例如，图1所示平台130)上的紧固 件。所述紧固件可以是例如粘合剂层如压敏粘合剂层245、热熔性粘合剂、机械 紧固件如钩圈紧固件的钩部分和圈部分。在本发明的范围也可以使用一个或多个 纤维光学端点(endpoint)装置270或者类似的传输装置，它们占据抛光纹理200 的一个或多个空隙。
参见图3，针对另一表面抛光纹理300描述本发明图1所示抛光垫104的第 二实施方式--图3所示侧截面图具有抛光层302中互连网络单元的类似不对称图 案。与图2A所述抛光垫类似，粘合剂层345将基层340固定到任选的次垫片350 上，并任选包括端点装置370。抛光纹理300在三个方面不同于图2A所示的抛光 纹理200。首先，抛光纹理300的元件308并不严格垂直于基层340和水平面， 而是与它们呈45-90度之间的任意角度，并且一些元件308是弯曲的，而不是直 的。而且，互连元件304不都是水平的，而是一些与基层340和水平面呈0-45度。 这样，抛光纹理300由单元组成，但是所述单元的形状以及面的数量上不同。这 些特征并不经得住考验(nonwithstanding)，元件308的高度314在抛光层或抛光 元件306与抛光纹理300的半高度之间的抛光纹理300内基本上不会改变。第二， 元件304和308的宽度310、螺距318和横截面积322相比抛光元件208相应属 性具有更多的变化(variation)。第三，流经元件304和308以及在元件304和 308中的浆液流体330沿着比流经抛光元件208的流体230更加不规则的路径流 动。然而，抛光纹理300包括本发明的基本性质，其中，元件306形成抛光表面。 具体的是，元件304和308在接合处309互连，形成在三维空间上互连的网络结 构，其互连程度足以给抛光纹理提供整体牢固性，而元件308未束缚的末端提供 局部柔韧性，以顺应工件。此外，元件304和308仍足够纤细，且间隔足够宽， 以保持接触面积和流动面积之间有利的平衡，元件308的平均螺距318和元件308 的平均宽度310之比至少为2，元件308的高度314和平均宽度310之比至少为4。 这样，抛光纹理300的接触面积322可以达到25％或以上；当比抛光纹理300的 流动面积326更加不规则，流动面积326足够大，便于抛光碎屑在元件304和308 中水平输送，而在输送的碎屑和晶片之间仍提供垂直距离。
图3所示抛光纹理300说明了本发明包括敞开的互连网络结构，其中，单独 的元件呈从完全水平到完全垂直的所有角度。此外，本发明包括完全无规的互连 纤细元件的阵列，其中，没有明显重复的大小或形状的空隙，或者其中许多元件 高度弯曲，分支或者相纠缠。本发明范围内的抛光垫微结构常见的图像是桥桁架、 大分子的球棍模型以及互连的人类神经细胞。在各种情况下，所述结构必须具有 相同的关键特征，即三维结构中存在足够的互连，以强化整体网络结构；来自上 表面的网络结构在水平面上的磨损产生具有局部未束缚末端的纤细元件，提供在 短长度上对工件的顺应性；以及元件的敞开空隙以及长宽比符合以上给出的几何 学限制。
在图4中显示了本发明的另一实施方式，并由具有规则间距的互连四面体晶 格的抛光层402。所有元件404和408显示为长度和宽度相同，并在接合处409 连结，虽然并不一定要如此。在所示实施方式中，所述单元是规则的四面体，其 中，各面(4个)是等边三角形，其侧面是网络结构的螺距418，且实心件的宽度 410仅沿空间单元的四个边缘，各三角形面和空间单元的中心整个是空的。由于 四面体晶格的对称性，图4所示侧横截面和平面图形成相同的网状图案。这种抛 光纹理提供最高可能性的牢固性，这是因为有三角形面的多面体是不会变形的。 当所述结构磨损时，自由末端在元件408上形成，提供局部可变形性以及对工件 的顺应性。在图4所示的实施方式中，四面体网络结构构建在稍微呈楔形的基层 440上，使网络结构的平面都不精确地平行于与晶片接触的平面。在某一时间的 指定点处，仅元件406的子单元沿其最长的尺寸研磨，而大多数的接触面由沿其 较短尺寸研磨的元件的较小横截面422提供。这使其接触面在抛光纹理400的抛 光层或抛光元件406与半高度415之间基本保持不变。在楔形基层440上，供浆 液流体430的平均面积426稍微变化。为了使这种变化最小，基层440实际上进 行分级，使得重复的一系列楔形部分支撑所述网络结构。图4所示结构约为1个 重复单元。类似于图2A所示的垫，粘合剂层445将基层440固定到任选的次垫片 450上，并任选地包括端点装置470。
本发明提供了解除接触机理与流体机理之间关联作用的优势。具体的是，它 在该垫中提供有效地流体流动，便于容易除去抛光碎屑。此外，它允许调整抛光 元件的牢固性、高度和螺距，以控制和基底的接触机理。而且，所述抛光元件的 形状能减少或消除为延长抛光垫使用寿命而进行的修整。最后，所述均一的横截 面允许抛光多个基底，如具有类似抛光特性的有图案的晶片。