专利名称：研磨垫及其制法和研磨方法
技术领域：
本发明涉及一种研磨垫，用于通过化学机械研磨方法对制作集成电路用的晶片表面的非平面台阶(non planar steps)的平坦化步骤，以及一种制造该研磨垫的方法和使用该研磨垫的研磨方法。
背景技术：
制造半导体集成电路的过程包括在晶片表面形成导电膜，然后通过光刻法和蚀刻法形成布线图案的过程，以及在所述布线图案上形成层间介质薄膜的过程。通过这些过程，在晶片表面形成了由导电材料和绝缘材料组成的非平面台阶。近年来，为了达到半导体集成电路高密度的目的，布线图案的微型化和多层化取得了进展，在光刻过程中为了保证聚焦深度，用于平坦化晶片表面的非平面台阶的技术变得重要。
作为平坦化用于制作半导体集成电路的晶片表面的非平面台阶的方法，当前主要使用化学机械研磨(以下简称“CMP”)。CMP方法是使用磨料粒以研磨浆的形式分散的处理液(以下简称“研磨浆”)，将处理液的化学作用和磨料粒的机械作用合并的研磨方法。
用于CMP方法中的研磨装置主要由工作台、晶片承载头、研磨浆进料喷嘴和修整机。研磨垫粘贴在所述工作台上，用于制作半导体集成电路的晶片安装在晶片承载头上。CMP方法的研磨是通过使安装在晶片承载头上的晶片的被研磨面压在研磨垫的研磨面上，旋转工作台和所述晶片承载头，同时将供给在研磨面上的研磨浆夹在被研磨面和研磨面之间来进行的。
在研磨过程之中或之前，研磨垫的修整通常通过装有金刚石的修整机进行。当其在研磨过程之中进行时，修整处理除去研磨垫研磨面的表层由此除去研磨碎屑，这样起重新清洁研磨垫表面的作用。并且当其在研磨之前进行时，修整处理还起着形成用于传送研磨面表层的研磨浆的精细结构的作用。
虽然由于被研磨材料和工艺的不同研磨浆可以变化，其通常包括100-80重量％的处理液，其为氧化剂和诸如过氧化氢(H2O2)和硝酸铁(Fe(NO3)3)的增溶剂的溶液，和0-20重量％的磨料粒，例如氧化硅(SiO2)、二氧化铈(CeO2)和氧化铝(Al2O3)。在使用研磨浆的研磨步骤中，由处理液中氧化剂、增溶剂等引起的分解、脆化等的化学研磨作用和通过磨料粒的物理研磨作用同时发生。
在使用CMP方法的研磨过程中，对于研磨垫的第一个要求是高研磨速率。为了达到高研磨速率，研磨垫的研磨面必须具有可以将从研磨浆供给喷嘴提供到研磨面上的研磨浆在研磨垫的研磨面与晶片的被研磨面的接触面的整个表面上高效输送和保持、并且能够排出研磨区域产生的研磨产物和研磨垫碎屑的结构。为了这一目的，常规方法中使用的研磨垫具有凹凸结构(大约几百微米)，例如除在整个研磨垫表面上的同心圆状或螺旋形沟以外，还存在由于制造过程中产生的气泡等的局部凹凸结构(大约几十微米)。
第二个要求是研磨垫的长寿命，亦即不用更换研磨垫也可以研磨大量的晶片。为达到这一目的，构成研磨垫的材料必须具有较高的耐磨性。
第三个要求是高平坦化能力。特别地，由于在镶嵌布线中的镀铜布线的研磨过程中必须研磨厚度不低于1000nm的铜布线，故需要较高的平坦化能力以消除在镀的过程中从沟槽复制到镀面的非平面台阶。在对由不同材料例如铜、层间介质薄膜和阻挡层金属组成的被研磨面进行研磨时，容易出现非平坦化，例如下凹或腐蚀，因此必须通过使用本身高度均匀并且研磨面具有抗变形能力的研磨垫减小非平坦化。
通常用于CMP方法的已知研磨垫可以分为使用闭孔结构树脂的研磨垫、使用开孔结构树脂的研磨垫、使用无孔结构树脂的研磨垫或包括它们中两个粘贴在一起的两层研磨垫。
作为使用闭孔结构树脂的研磨垫，已知的是含有发泡聚氨酯的研磨垫。所述研磨垫通过以下方法制造通过间歇式反应生成嵌段类聚氨酯泡沫体，然后所述嵌段类泡沫体被切成片状。由于所述研磨垫具有来源于切开的气泡的半球形凹口(大约数十微米)作为局部凹凸结构，它们通常作为通过切削加工形成的覆盖研磨垫的整个表面的凹凸结构使用。
然而，在制造所述研磨垫时，难以在整个反应容器中保证均匀的反应温度和均匀的发泡因素，故难于制造在整个研磨垫上都是均匀的产物。并且由于研磨浆组分或研磨时产生的产物容易在上述所述研磨垫的半圆形凹口中沉淀，它们存在在较短时间内被沉淀物堵塞的缺点。这样，为了保持高研磨速率，需要频繁的用修整机除去研磨垫表面的堵塞。这样，其存在在研磨期间需要较长修整时间和研磨垫具有短寿命的问题。因而，含有如此聚氨酯泡沫的研磨垫不能始终满足上述用于研磨的三个要求(即高研磨速率、耐磨性、平坦化能力)。
使用开孔结构树脂的典型研磨垫是研磨垫中聚氨酯已经渗入到聚酯毡状纤维板中的研磨垫(例如参见美国专利4,927,432)。所述研磨垫的制造通过以下过程进行溶于溶剂例如二甲基甲酰胺、甲乙酮和四氢呋喃中的热固性聚氨酯渗入到毡状纤维板中，蒸掉溶剂后聚氨酯通过加热固化。所述研磨垫具有毡由来的连续气泡(大约数十至200微米)作为局部凹凸结构。由于研磨浆是通过所述连续气泡渗入整个研磨垫和通过研磨面的压力浸出的机制传送，可以不在研磨垫的整个表面形成沟槽等的情况下而使用。
然而，制造所述研磨垫的方法主要包括干燥步骤和热反应步骤，并且反应混合物处于易于聚集的状态，这样难于保持组合物和研磨垫材料的物理特性在显微镜水平下都是均匀的。并且，由于其具有源自开孔结构的压缩性，其具有平坦化能力差的问题。并且，由于在毡状纤维板的单纤维之间存在空间作为连续气泡，故晶片研磨中产生的碎屑与所述纤维缠结在一起，这样在研磨产品中经常出现刮痕。因此，在聚氨酯已经渗入到聚酯毡状纤维板中的研磨垫中，在研磨速率和平坦化能力方面没有得到令人满意的结果。
作为使用具有无孔结构树脂的研磨垫，已经提供了一种固态均质聚合物，例如聚氨酯(参见美国专利5,489,233)。并且也提出了一种研磨垫，其使用具有无孔结构的树脂，其是通过使用聚氨酯聚合物的光固性树脂作成的(参见美国专利5,965,460)。与上述两种研磨垫不同，所述研磨垫没有本质的凹凸结构，因此需要通过修整处理等产生局部凹凸结构(组织约数微米)。并且，当使用这种研磨垫时，覆盖在整个研磨垫上的凹凸结构(大约几百微米)例如沟槽，可以通过切削加工而形成。当使用前述用光固性树脂生成的具有无孔结构的研磨垫时，凹凸结构例如沟槽，可以通过光蚀刻方法形成。
然而，上述使用具有无孔结构树脂的研磨垫通过修整处理仅仅在其表面具有凹凸结构，因此存在其没有足够能力保持研磨浆和具有低研磨速率的问题。并且，其存在研磨垫的寿命短的问题。
为了在上述使用具有无孔结构树脂的研磨垫上形成凹凸结构，以增强保持研磨浆的能力，已经提议向研磨垫中含有的光固化树脂中加入聚合物填料、氧化铝、氧化硅、空心陶瓷球、空心玻璃珠等(参见美国专利6,036,579)。然而，即使填料加入到树脂中，各填料独立地在研磨垫中分散，并通过研磨从研磨面除去，因此其几乎没有提高研磨面的耐磨性的作用，不能期望得到延长研磨垫的使用寿命。因而，虽然用具有闭孔或开孔结构树脂的研磨垫制造过程产生的缺陷可以通过使用具有无孔结构树脂的研磨垫消除，但上述研磨垫的三个要求不能同时满足。因而，使用具有无孔结构树脂的研磨垫，可以得到整体上的均匀性，其能够提高平坦化能力，但在高研磨速率(传送和保持研磨浆的能力)和耐磨性方面是不能令人满意的。
发明内容
根据本发明，提供了一种研磨垫，其与常规研磨垫相比具有更高的研磨速率、更高的研磨均匀性，并且具有延长的寿命(亦即提供了一种同时满足上述三个要求的研磨垫)。特别地，提供了一种具有高平坦化能力的研磨垫，其适合研磨厚导体图案，例如上述镶嵌布线的铜布线图案或铝布线图案。根据本发明，提供了一种使用上述研磨垫研磨在制造半导体集成电路用的晶片表面上形成的包括铜或铝的布线图案的方法。此外根据本发明，提供了一种制造上述研磨垫的方法，及该研磨垫在研磨制造半导体集成电路用的晶片表面中的应用。
因而本发明的第一方面提供了研磨垫，包括布帛和填充在布帛构成纤维之间的空隙的无孔树脂。
在本发明的研磨垫中，作为上述布帛，包括选自聚酯纤维、丙烯酸纤维、聚酰胺纤维、丝、羊毛和纤维素的至少一种作为构成纤维的非织布优选使用。此外，优选使用包括在21℃、RH80％条件下含水量不低于10％的纤维的布帛。并且，优选使用包括干燥时的拉伸强度不低于3g/D的纤维的布帛。
上述树脂优选光固化树脂，其通过含有选自亲水光聚合单体、亲水光聚合聚合物和低聚物的至少一种的感光树脂组合物的光固化制备。
本发明的第二方面提供了一种研磨方法，其中使用含有以布帛和研磨浆增强的无孔光固化树脂的研磨垫。
根据本发明的方法，作为上述布帛，可以优选使用的是包括21℃、RH80％条件下的含水量不低于10％的纤维的布帛，或包括干燥时的拉伸强度不低于3g/D的纤维的布帛。并且优选使用包括形状不规则率不低于1.2的纤维的布帛。
本发明的第三方面提供了一种制造研磨垫的方法，其特征在于用光固化树脂组合物浸渍包括布帛的基材，然后在紫外线或可见光下辐照所述树脂组合物，由此固化组合物。
为了消除使用具有现有技术泡沫结构的树脂的研磨垫中气泡尺寸和密度的非均匀性和与压缩率的非均匀性产生的研磨的非均匀性，优选使用具有无孔结构的树脂的研磨垫。即使填料加入到使用具有现有技术无孔结构的树脂的研磨垫，研磨速率低并且耐磨性差。
这样，为了解决上述问题，本发明人提出一个观念组合使用包括布帛的基材和具有无孔结构的树脂。公开了上述含有固态均质聚合物(无孔结构)的研磨垫的美国专利5,489,233中记载为了抑制研磨变动，不优选最初存在于块状物质中的非均匀性。并且，公开了含有光固化树脂(无孔结构)的研磨垫的美国专利6,036,579中记载优选不加入填料，并且如果加入，可以加入聚合物填料或平均粒径为1-1000nm的粒状填料。这样，根据这些公开内容，尽管布帛的加入在保证光敏树脂组合物的“光敏”用的透明度方面是完全出乎意外的，本发明人认为可以通过优化反应条件和使用的光敏树脂的组成来解决这些问题，由此实现了本发明。
实施本发明的最佳方式以下详细描述本发明。
图1表示本发明研磨垫的实施方式的截面图。所述截面图表示沿着研磨垫厚度方向的截面图，其中1表示研磨面，2表示形成在整个垫上的沟槽(大约几百微米)。在此研磨步骤中，研磨面1被压在晶片的被研磨面上。沟槽2是用于向研磨面的全部面积传送研磨浆的区域。通过晶片研磨，研磨垫本身磨损，并且当其磨损直到没有沟槽2时，研磨浆的传送效率降低，因此在没有沟槽2留下之前，通常用新研磨垫替换。
本发明的研磨垫包括基材，该基材包括布帛和填充基材的构成纤维之间的空隙的无孔树脂。
与使用具有闭孔结构树脂的研磨垫或使用具有开孔结构树脂的研磨垫不同，本发明的研磨垫不是多孔的，因此其在研磨中不产生由气泡分布和压缩性产生的非均匀性。并且，与常规的使用具有无孔结构树脂的研磨垫不同，本发明的研磨垫使用包括在整个研磨垫上连续的布帛的基材，由此使得整个研磨垫成为强韧的结构，其抑制了摩耗并可以增加单个研磨垫可以研磨的晶片的数目。
并且，通过使用所述具有高吸水率的基材和/或与具有高吸水率的热固化树脂的基材组合，可以增加保持研磨步骤使用的研磨浆的能力和研磨速率。特别地，当使用主要由如下所述的化学作用进行研磨的研磨浆时，这种增强的吸水率显示出保持研磨浆的作用。
并且，在研磨垫的研磨面的一部分露出的布帛表面的大约数十微米的凹凸结构(凹凸结构源自于布帛本身的结构)有助于高效地传送和保持研磨浆，并因此能够达到高研磨速率。特别地，如下所述，当使用主要通过机械作用进行研磨的研磨浆时，这种凹凸结构显示出传送和保持研磨浆的作用。并且通过使用布帛本身结构产生的凹凸结构，有可能避免例如上述发泡阻塞或由于研磨屑与连续气泡缠结造成的刮痕的问题。
用作本发明研磨垫基材的布帛可以是织布或非织布，并且优选使用非织布。作为制造非织布的方法，已知的是浸渍粘附法、针刺法、纺粘法、针粘法或湿式喷水法。本发明优选使用的布帛是高密度和均质的，以保持高的和均匀的研磨速率。优选布帛的例子是通过喷水法制造的非织布。并且优选用其它方法制造、并通过加压等压缩到高密度的非织布。
作为所述基材的构成纤维，可以使用例如聚酯纤维、丙烯酸纤维和聚氨酯纤维的化学合成纤维和例如纤维素、羊毛和丝的天然纤维。其中，优选使用包括具有高抗拉强度纤维的布帛、包括具有高亲水性纤维的布帛或包括多孔、不规则形状截面或超薄纤维的非织布。特别地，在这些基材中，根据研磨速率更优选使用尼龙非织布、人造丝非织布和包括多孔纤维的非织布。
在本发明研磨方法中作为用于研磨上述镶嵌布线中的铜的研磨浆，优选使用两种研磨浆使用氧化铝作为磨料粒并主要通过机械作用研磨的研磨浆，和使用胶态氧化硅作为磨料粒并主要通过例如氧化和络合物形成的化学作用研磨的研磨浆。当使用主要通过化学作用研磨的研磨浆时，也可以得到研磨的平坦化，亦即减少研磨面边缘的铜布线的称为“dishing(碟状凹陷)”的凹陷，或高铜布线密度区域的称为“erosion(腐蚀)”的凹痕。
特别地，在本发明的基材中，包括具有优良拉伸强度纤维的布帛在主要通过机械作用研磨的研磨浆中显示优良的研磨性能。这是因为，人们相信本身从研磨面(如上所述，研磨面的大约数十微米的凹凸结构)部分伸出的纤维起研磨物的作用，并且由于其负重时基本不变形，可以有效地将磨料粒压向研磨面。特别地，优选干燥时的拉伸强度不低于3g/D的纤维，并且更优选拉伸强度不低于4.5g/D的纤维。这些纤维的例子包括丙烯酸纤维、尼龙纤维或某些聚酯纤维。纤维的拉伸强度可以根据JIS L1013(化学纤维丝的试验法)中提供的测定方法确定。
并且，包括高吸水率纤维的布帛在主要通过化学作用研磨的研磨浆中显示优良的研磨性能。这是因为，人们相信在研磨面的一部分上露出的纤维吸收研磨浆中的处理液并将其提供到被研磨面。特别地，优选21℃、RH为80％的含水量不低于10％的纤维，并更优选含水量不低于15％的纤维。这种纤维的例子包括纤维素纤维，例如人造丝。纤维的含水量可以根据JIS L1013(化学纤维丝的试验法)中提供的测定方法确定。
即使使用在21℃和RH为80％的条件下含水量不超过10％的纤维，使用包括在横截面具有孔的多孔纤维或在表面具有切口或裂口的纤维的布帛，在主要通过化学作用研磨的研磨浆中显示优良的研磨性能。这是因为，人们相信在研磨面上露出的纤维由于修整处理或晶片加载而压碎成小片，吸收研磨浆中的处理液或作为捕获磨料粒的位置。当使用含有不规则横截面的大表面积的纤维代替圆形横截面的纤维的布帛时，可以预期相似的效果。
形状不规则程度由通过以下方法确定的形状不规则率定义。首先，用切断机切开布帛以露出纤维的横断面。然后用光学显微镜或电子显微镜对横截面拍照。根据横截面的照片，确定构成布帛的纤维横截面圆周的长度S(当纤维的横截面有一个或多个孔时，每个孔的圆周长总和加到S上)。当引出多条穿过纤维横截面重心的直线时，从所述横截面的圆周切掉的最大和最小线段的平均值的一半设定为虚拟半径a。外圆周长为S的圆的半径设定为b(b可以通过b＝S/2π确定)。虽然构成布帛的各纤维的形状具有相同的趋向，它们彼此间稍有不同，并因此从上述截面图的照片中随机选取5个纤维之后，计算每个纤维的b/a，并确定其平均值。该值被定义为形状不规则率。当形状不规则率大于1时，纤维具有不规则形状，并且根据本发明，优选由形状不规则率不低于1.2的纤维组成的布帛，并更优选形状不规则率为不低于1.4。
由于上述基材(布帛)用光敏树脂组合物浸渍，然后用紫外线或可见光辐照以固化该树脂组合物，因此基材即使其本身是不透明物，但如果在光敏组合物浸渍的状态下基材的透明度足以引发光固化反应，这样的基材也可以用于本发明。
用于本发明的树脂要求是无孔树脂，并优选无孔光固化树脂(通过光固化光敏树脂组合物得到)。当热固化树脂用于制造本发明的无孔研磨垫时，由于来源于热量分布等的固化后残余应力，故研磨垫有时会翘曲。相反，当使用光固化树脂时，由于与热固相比光敏树脂组合物的光固化反应在较短的时间内进行，故翘曲的问题很少发生。此外，与热固化相比反应更均匀，结果是作为反应产物的光固化树脂与热固化树脂相比具有更均匀的组成。
在CMP过程中，研磨剂的量通过光学方法控制，因此有时在研磨垫的研磨面的一部分上开一个孔以安装透光部件。(以下简称窗口)(例如参见美国专利5,893,796)。当在本发明的优选实施方案中使用布帛和光固化树脂时，具有上述窗口的研磨垫的制法可以简化。因此，光敏树脂组合物浸渍到与开口部对应的部分被切开的布帛中，并通过光辐照固化，因此窗口可以形成在研磨垫之内。
通过用紫外线或可见光辐照光敏树脂组合物，所述光固化树脂已经固化，并且所述光敏树脂组合物含有光聚合性聚合物或低聚物和光聚合性单体中的至少一种。根据本发明，优选使用含有亲水光聚合性聚合物或低聚物、亲水光聚合性单体中的至少一种的光敏树脂组合物，以增强研磨垫的吸水率。
作为所述光聚合性聚合物或低聚物，可以提及的是不饱和聚酯、聚醚(甲基)丙烯酸酯、聚酯(甲基)丙烯酸酯、聚丁二烯(甲基)丙烯酸酯、聚环氧(甲基)丙烯酸酯等。
特别地，作为光敏树脂组合物的组成成分，为了得到高吸水率的光固化树脂，优选在末端或侧链存在羟基、羧基或磷酸基的那些。例如，其可以提及的是不饱和聚酯这样的在聚合物链的末端或侧链存在羟基或羧基的那些；或聚合物或低聚物，其中具有烯属不饱和基团的单异氰酸酯连接到仅仅剩余羧基的不饱和聚酯聚合物的羟基上。
作为上述光聚合性单体，优选在末端或侧链存在至少一个烯属不饱和基团的化合物。烯属不饱和基团指的是丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙烯基、烯丙基等所含的基团。特别地，可以是甲基丙烯酸月桂酯、N-(3-二甲氨基丙基)(甲基)丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸羟丙酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丙酯等具有各种烯属不饱和基团其中之一的化合物；和多官能单体，例如二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、二(甲基)丙烯酸二乙二醇酯、二(甲基)丙烯酸1，4-丁二醇酯、二(甲基)丙烯酸1，6-己二醇酯、三(甲基)丙烯酸三羟甲基丙烷酯、二(甲基)丙烯酸甘油酯、二(甲基)丙烯酸三乙二醇酯、二(甲基)丙烯酸聚乙二醇#200酯、二(甲基)丙烯酸聚乙二醇#400酯、二(甲基)丙烯酸1，3-丁二醇酯、二(甲基)丙烯酸新戊二醇酯、二(甲基)丙烯酸1，10-癸二醇酯、双酚A的环氧乙烷酯加合物的二(甲基)丙烯酸酯、异氰脲酸三烯丙酯、异氰脲酸环氧乙烷改性的二(甲基)丙烯酸脂、异氰脲酸环氧乙烷改性的三(甲基)丙烯酸脂、环氧乙烷改性的三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸脂、三(甲基)丙烯酸季戊四醇脂、四(甲基)丙烯酸季戊四醇脂、六(甲基)丙烯酸二季戊四醇脂、二(甲基)丙烯酸1，9-壬二醇脂、季戊四醇的三摩尔环氧乙烷酯加合物的三(甲基)丙烯酸酯、低聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯和聚四亚甲基二醇二(甲基)丙烯酸脂。
为了增强光固化树脂的吸水率，在这些光聚合性单体中尤其优选亚烷基二醇和亚烷基醚单体或在分子中含有羟基的光聚合性单体。
同样优选的是在分子中含有尿烷基团的光聚合性单体，其通过羟基(甲基)丙烯酸酯例如三(甲基)丙烯酸季戊四醇酯、(甲基)丙烯酸2-羟乙酯、(甲基)丙烯酸2-羟丙酯和(甲基)丙烯酸2-羟丁酯与单异氰酸酯反应得到。
优选通过含有羟基的化合物与含有烯属不饱和基团的单异氰酸酯反应得到的在分子中含有尿烷基团的光聚合性单体。
作为通过含有羟基的化合物与含有烯属不饱和基团的单异氰酸酯反应得到的光聚合性单体的具体例子，其中所述含有羟基化合物的例子包括聚醚多醇例如聚(氧丙撑)多元醇、共聚(氧乙撑-氧丙撑)二醇、聚四亚甲基醚二醇，聚酯多元醇例如聚酯多元醇、聚己酸内酯多元醇和聚碳酸酯多元醇，直链多元醇例如1，4-丁二醇、1，5-戊二醇、1，6-已二醇和聚丁二烯多元醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、甲基戊二醇、丙烯酰基多元醇、酚醛树脂多元醇、环氧基多元醇、聚酯-聚醚多醇、丙烯酰基、苯乙烯、乙烯基加附的和/还或分散的聚醚多醇、碳酸酯多元醇、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、二丙二醇、己内酯二醇、羟基乙氧基化双酚A、羟基乙氧基化双酚S、单官能醇和饱和和不饱和聚酯。
并且可以单独或混合使用多种含羟基化合物。二胺如3，3-二氯-4，4-二氨基苯基甲烷可以与这些含羟基化合物混合使用。这里所说的含羟基化合物优选在分子中含有多个羟基。
作为上述单异氰酸酯，优选的是2-异氰酸根合乙基甲基丙烯酸酯、异氰酸苯酯和3-异氰酸根合丙基三乙氧基硅烷等。其中，2-异氰酸根合乙基甲基丙烯酸酯具有作为光固化或热固化的粘结点的作用的烯属不饱和基团，并且通过调整2-异氰酸根合乙基甲基丙烯酸酯与其它不含烯属不饱和基团的单异氰酸酯的混合比例，可以控制研磨垫的硬度。
相反，当使用通过二异氰酸酯一端的异氰酸酯基与含羟基化合物得到的单异氰酸酯时，光固化后树脂聚集比较大因而不优选。这意味着很有可能在其用于研磨时，容易形成大直径的研磨碎屑并在被研磨物体上形成刮痕。
在用于本发明的光敏树脂组合物中，优选80-5重量％的光聚合性单体与20-95重量％光聚合性聚合物或低聚物混合。更优选70-20重量％的光聚合性单体与30-80重量％光聚合性聚合物或低聚物混合。特别地，优选亚烷基二醇、亚烷基醚、或亲水光聚合性聚合物或低聚物或在分子中含有羟基、羧基和磷酸基中至少一个的亲水光聚合性单体的混合量为不低于20重量％。
本发明所要求的光敏树脂组合物中通常加入使用光聚合引发剂。所述光聚合引发剂包括二苯甲酮、苯乙酮、α-二酮、偶姻、偶姻醚、苄基烷基缩酮、多核醌、噻吨酮、酰基膦等。特别优选的是二苯甲酮、氯代二苯甲酮、苯乙酮、苄基、双乙酰、苯偶姻、pivaloin、苯偶姻甲醚、苯偶姻乙醚、苄基二乙基缩酮、苄基二异丙基缩酮、蒽醌、1，4-萘醌、2-氯代蒽醌、噻吨酮、2-氯代噻吨酮、酰基氧化膦等。其可以单独或混合使用。
相对于上述光聚合性聚合物或低聚物和光聚合性单体的合计量100重量份，光聚合引发剂优选以1-20重量份使用。根据本发明，布帛的存在降低了透光性，因此优选使用具有较高光敏性的引发剂。
并且，在所述光敏树脂组合物中可以酌情加入其它引发剂，只要其不破坏本发明的效果即可。
本发明的研磨垫可以通过用上述光敏树脂组合物以涂布或浸渍方式浸渍所述布帛，然后辐照波长与所述光敏树脂组合物的光敏性相当的紫外线或可见光，以固化所述组合物，由此形成光固化树脂。
本发明研磨垫中的无孔树脂意指空隙率不超过10％的树脂。空隙率可以定义如下。从要测量空隙率的对象物上进行10将取样，并且将样品切开以露出横截面，对其用光学显微镜或电子显微镜以放大倍率60拍照。孔在切开的试片的长1mm、宽1mm的截面积中所占的比例通过图像处理等求出，并且10个结果的平均值定义为空隙率。这里使用的，当研磨垫由如本发明所述的布帛部分和树脂部分组成时，研磨垫的空隙率指的是根据研磨垫中除布帛之外部分计算的空隙率。(孔面积/研磨垫中除布帛之外的面积(树脂的面积+孔的面积))。本发明研磨垫中使用的树脂是无孔的，并且即使是浸渍布帛过程期间存在气泡，研磨垫的空隙率也不超过10％。为了保持研磨速率和研磨的均匀性，研磨垫的空隙率优选不超过5％，并更优选不超过2％。
由于本发明的研磨垫使用如上所述的无孔树脂，与现有技术中使用具有开孔结构的研磨垫不同，研磨浆不能经由连续气泡保持和运输。然而通过使用布帛作为基材，其具有在晶片表面上高效保持和运输研磨浆的能力。因此，如上所述，无论是使用主要通过化学作用研磨的研磨浆，还是使用主要通过机械作用研磨的研磨浆，根据布帛的特性或结构，都可以在晶片表面上高效地保持和运输研磨浆。并且，作为基材的布帛在除在研磨面上露出的部分之外的大部分嵌入到树脂中的状态下进行研磨，使研磨面可以减至最少。这样，可以满足所谓的通过选择性研磨晶片表面的突出部分而进行平坦化的CMP研磨垫的基本要求。
根据树脂的类型和布帛的类型和结构，确定本发明研磨垫中布帛和树脂的比，使得如下定义的布帛的面积比优选包括5-80％，并更优选10-60％。从研磨垫的用于研磨的区域进行了10次取样，并且样品被切削以露出横截面，对其用光学显微镜或电子显微镜以放大倍率60拍照。布帛的面积在长1mm、宽1mm的研磨垫的截面积中所占的比例通过图像处理等求出，并且10个结果的平均值定义为布帛的面积比。
当用作基材的布帛的纤维薄时，布帛具有低密度并且布帛的面积比不超过5％，不能达到足够的研磨速率，因而其并非优选。当布帛的面积比超过80％时，布帛的浸渍变得困难因而不能得到低空隙率的树脂，因而其并非优选。
在本发明研磨垫一个优选实施方式中，通过使用高吸水率的光固化树脂和/或高吸水率布帛(当使用主要通过化学作用研磨的研磨浆时特别需要)，如上所述，用于研磨区域的吸水率变高，因而导致保持研磨浆的能力提高。本发明优选实施方式中研磨垫的吸水率为1-15％，更优选2-10％，并尤其优选4-10％。对于吸水率不超过1％的研磨垫，保持研磨浆的能力变得不足并因此不能得到足够的研磨性能。在吸水率不低于15％时，研磨垫的强度降低，其可以引起平坦化能力降低和研磨垫磨损加快的不便。这里使用的吸水率确定如下。因此，(1)切开研磨垫的两面以在表面上露出布帛，制备试样。(2)上述试样在50℃真空干燥1小时，然后测得重量(A)。(3)试样于23℃在水中浸泡24小时后用水浸渍试样，擦拭所述试样的表面以除去水滴，并测得重量(B)。(4)根据吸水率＝{(B-A)/A}×100(％)确定试样的吸水率。
在如上所述这样得到的研磨垫上，通过切削在研磨面上形成如图1所示的沟槽2。典型的沟槽约200-1000微米深和约100-500微米宽，并且槽距约1-5毫米。
在使用本发明的研磨垫进行晶片的研磨时，首先在研磨垫上形成沟槽，然后研磨垫粘贴在CMP研磨机的工作台上。然后研磨面的表面用修整机进行修整处理(形成精细组织)，并且同时，构成布帛的纤维在表面上露出。另一方面，晶片被安装在晶片承载头上。在旋转晶片承载头和工作台的同时将晶片压在研磨垫上的状态下，通过从研磨浆供给喷嘴向研磨面供给研磨浆进行研磨。
当此时使用主要通过化学作用研磨的研磨浆时，优选使用含有高含水量纤维的布帛或含有高形状不规则率纤维的布帛，以得到高研磨速率。此外，当使用主要通过机械作用研磨的研磨浆时，优选使用含有干燥时具有高拉伸强度的纤维的布帛，以达到上述高研磨速率。
当研磨速率变低时，研磨面进行修整处理以露出新的研磨面进行使用。由于通过研磨处理和修整处理研磨面被磨耗，故在上述沟槽的剩余部分消失之前应当更换新的研磨垫。
另外，如果需要可以在本发明研磨垫的另一面粘贴另一种材料，并可以作为双层研磨垫使用。此时，本发明的效果可以通过使用本发明研磨垫的一侧作为研磨面达到。
附图简述图1是本发明研磨垫的一个实施方式的截面图。
实施例本发明将根据以下实施例说明。然而应当指出，本发明无论如何不限于这些实施例。
实施例1一种布帛，包括厚度为1毫米的非织布(旭化成株式会社制造的“Shaleria”)，该非织布包括干燥时的拉伸强度为3.1g/D、形状不规则率1.5和含水量1.2％的多孔丙烯酸纤维，该布帛用含有65重量％的不饱和聚酯低聚物、17重量％的含羟基单官能单体、16重量％的另一种单体和2重量％的光聚合引发剂的光敏树脂组合物浸渍，然后从两面辐照紫外线，制作了厚度1.5毫米、直径为50厘米的研磨垫。布帛的面积比为35％，吸水率为5.6％、以及空隙率(对研磨垫中除布帛之外的区域计算的值)为2.0％。
通过切削加工形成用于研磨浆传送的沟槽之后，研磨垫被安装在CMP研磨机上，然后使用氧化铝磨料粒的研磨浆求出硅晶片上铜膜的平均研磨速度，得到最大研磨速率520纳米/分钟。并且，在100-格子(grid)金刚石粒度的修整条件下研磨垫的磨耗量测定为0.5微米/分钟。
实施例2一种布帛，包括厚度为1毫米的非织布(旭化成株式会社制造的“ColdonR0260T”)，该非织布包括干燥时的拉伸强度为2.1g/D、形状不规则率1.2和含水量21.3％的人造丝纤维，该布帛用实施例1中的光敏树脂组合物浸渍，然后从两面辐照紫外线，制作了厚度1.5毫米、直径为50厘米的研磨垫。布帛的面积比为13％，吸水率为7.3％、以及空隙率(对研磨垫中除布帛之外的区域计算的值)为不超过0.1％。
通过切削加工形成用于研磨浆传送的沟槽之后，研磨垫被安装在CMP研磨机上，然后使用氧化硅磨料粒的研磨浆求出硅晶片上铜膜的平均研磨速度，得到最大研磨速率660纳米/分钟。并且，在100-格子金刚石粒度的修整条件下研磨垫的磨耗量测定为0.5微米/分钟。
实施例3通过以下过程制备光敏树脂组合物。
(A)向通过以1摩尔份的二乙二醇、0.5摩尔份的己二酸和0.5摩尔份的富马酸的比例进行通常的缩聚反应合成的分子量为2400的不饱和聚酯中，加入月桂酸二正丁基锡作为尿烷化催化剂，然后在搅拌下以相对于上述聚酯为6.3％的重量比滴加甲基丙烯酸2-异氰酸根合乙基酯以进行尿烷化处理。这里使用的尿烷化催化剂以相对于甲基丙烯酸2-异氰酸根合乙基酯5％的重量比加入。
(B)向3-甲基-1，5-戊二醇中加入月桂酸二正丁基锡作为尿烷化催化剂，然后在搅拌下相对于每摩尔份的上述二醇滴加2摩尔份的(重量比的2.6倍量)甲基丙烯酸2-异氰酸根合乙基酯以进行尿烷化处理。这里使用的上述尿烷化催化剂以相对于甲基丙烯酸2-异氰酸根合乙基酯5％的重量比加入。
(C)向己内酯二醇加入月桂酸二正丁基锡作为尿烷化催化剂，然后相对于每摩尔份的上述二醇滴加2摩尔份的(重量比的0.56倍量)甲基丙烯酸2-异氰酸根合乙基酯以进行尿烷化处理。这里使用的上述尿烷化催化剂以相对于甲基丙烯酸2-异氰酸根合乙基酯5％的重量比加入。
反应之后，尿烷化产物(A)、(B)和(C)与(D)异氰脲酸三烯丙酯以1/1/1/0.2的重量比混合，相对于(A)、(B)、(C)和(D)的总量，分别以2％和0.038％的重量比向其中加入2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮作为光聚合引发剂和2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚作为阻聚剂，制备粘性光敏树脂组合物。
一种布帛，包括厚度为0.6毫米的非织布(旭化成株式会社制造的“ColdonL0170T”)，该非织布包括干燥时的拉伸强度为4.9g/D、形状不规则率1.0和含水量5.2％的尼龙纤维，和厚度为0.6毫米的丙烯酸纤维非织布(旭化成株式会社制造的“Shaleria”)，两种非织布覆盖和挤压在一起，并用上述过程制备的光敏树脂组合物浸渍，然后从两面辐照紫外线，通过紫外线交联法制作了厚度1.5毫米、直径为50厘米的研磨垫。
以尼龙纤维非织布的一面作为研磨面，布帛的研磨用区具有布帛面积比42％，吸水率2.1％，以及空隙率(对研磨垫中除布帛之外的区域计算的值)为1.3％。通过切削加工形成用于研磨浆传送的沟槽之后，研磨垫被安装在CMP研磨机上，然后如实施例1使用氧化铝磨料粒的研磨浆求出硅晶片上铜膜的平均研磨速度，得到最大研磨速率640纳米/分钟。并且，在100-格子金刚石粒度的修整条件下研磨垫的磨耗量测定为0.1微米/分钟。
比较例1除了光敏树脂组合物在没有布帛的存在下单独使用之外，在与实施例1中相同的条件下，制作了厚度1.5毫米、直径为50厘米的研磨垫，其中在研磨面设置了用于传送研磨浆的沟槽。所述光固化树脂的吸水率为3.0％。
在实施例1中相同条件下求得的晶片的平均研磨速度为250纳米/分钟。研磨垫的磨耗量在实施例1中相同修整条件下为3微米/分钟。
比较例2除了用混有尿素填料的基材代替包括布帛的基材之外，在与实施例1中相同的条件下，制作了厚度1.5毫米、直径为50厘米的研磨垫，其中在研磨面设置了用于传送研磨浆的沟槽。
在实施例1中相同条件下求得的晶片上铜膜的平均研磨速度为210纳米/分钟。研磨垫的磨耗量在实施例1中相同修整条件下为3微米/分钟。
比较例3
使用包括空隙率(对研磨垫中除布帛之外的区域计算的值)为75％的树脂的研磨垫，其具有开孔结构，其中包括聚酯纤维的毡用聚氨酯弹性体浸渍，在实施例1中相同条件下求出晶片的平均研磨速度，其为240纳米/分钟。
比较例4除了单独使用人造丝非织布(旭化成株式会社制造的“ColdonR0260T”)作为研磨垫而不用光敏组合物进行浸渍，并且不设置用于传送研磨浆的沟槽之外，在使用与实施例2同样的氧化硅研磨浆的研磨条件下，求出了晶片上铜膜的平均研磨速度，其为320纳米/分钟。
工业实用性根据本发明，提供了具有优良耐磨性、研磨速率和研磨均匀性的研磨垫，并因此制造半导体集成电路用晶片的研磨阶段需要的时间可以显著减少。并且根据本发明，即使对于含有形成在制造半导体集成电路用晶片表面上的铜或铝布线(例如厚导体图案，如铜布线图案或铝布线图案的镶嵌布线)或二氧化硅绝缘体的图案等，当需要平坦化性质例如STI(Shallow Trench Isolation，浅沟槽隔离)时，也能提供一种优选使用的研磨垫。
权利要求
1.一种在制作半导体集成电路用晶片的表面研磨中使用的研磨垫，包括布帛和填充布帛的构成纤维间的空隙的无孔树脂。
2.根据权利要求1的研磨垫，其中所述布帛为以选自聚酯纤维、丙烯酸纤维、聚酰胺纤维、丝、羊毛和纤维素的至少一种作为构成纤维的非织布。
3.根据权利要求1或2的研磨垫，其中所述树脂是通过将含有选自亲水性光聚合性单体、亲水性光聚合性聚合物和低聚物的至少一种的感光性树脂组合物光固化而得到的光固化树脂。
4.根据权利要求2或3的研磨垫，其中使用包括21℃、80％RH条件下的含水量不低于10％的纤维的布帛。
5.根据权利要求2或3的研磨垫，其中使用包括干燥时的拉伸强度不低于3g/D的纤维的布帛。
6.一种研磨含有在制作半导体集成电路用的晶片的表面上形成的铜或铝的布线的方法，其中所述研磨通过使用包括布帛和填充布帛的构成纤维间的空隙的无孔光固化树脂的研磨垫、和研磨浆进行。
7.根据权利要求6的方法，其中所述布帛是包括在21℃、RH80％条件下含水量不低于10％的纤维的布帛。
8.根据权利要求6的方法，其中所述布帛是包括干燥时的拉伸强度不低于3g/D的纤维的布帛。
9.根据权利要求6的方法，其中所述布帛是包括形状不规则率不低于1.2的纤维的布帛。
10.一种在制作半导体集成电路用的晶片表面的研磨中使用的研磨垫的制造方法，其中所述方法包括用感光性树脂组合物浸渍包括布帛的基材，然后在紫外线或可见光下辐照所述树脂组合物，由此固化组合物。
全文摘要
根据本发明，提供了一种用于研磨制造半导体集成电路用晶片的表面的研磨垫，其中所述研磨垫的研磨速率高且研磨均匀、寿命长。优选本发明的研磨垫包括非织布(基材)和填充非织布间的空隙的无孔光固化树脂，并且可以通过用含有选自亲水光聚合性聚合物或低聚物和/或亲水光聚合性单体中的至少一种的光敏树脂组合物浸渍基材，然后对其光固化而制成。
文档编号B24D11/00GK1610962SQ0282633
公开日2005年4月27日 申请日期2002年12月26日 优先权日2001年12月28日
发明者古川祥一, 中村淳 申请人:旭化成电子材料元件株式会社