在此公开的各种抛光垫是这样的垫，即其中在抛光垫的定制设计中已 经考虑了将被抛光的衬底的一些方面，包括(但不局限于)衬底的结构、 材料和特性。然后，使用根据定制设计控制垫的特性的制造装置制造垫， 从而生产统一标准的定制垫。
衬底是指抛光工艺例如CMP针对的任何材料或器件。在这一点上， 在此所描述的各种定制抛光垫可用于处理各种类型的衬底，包括(但不局 限于)：1)晶片，例如硅、石英、碳化硅、砷化镓和锗，2)在半导体工 艺——例如减小横跨电介质区域的形貌、在铝技术金属镶嵌工艺中清除氧 化物、在双重金属镶嵌工艺中清除金属沉积物(铜和钽阻挡层)、生产均 匀的FinFet结构、生产SoC器件或除去STI步骤中的过量氧化物——中 形成的晶片上沉积或生长的层。3)用作存储介质的硬磁盘，例如镀镍铝、 玻璃或存储介质内常用的其他磁性材料。4)用于因特网以及数字光学网络 的光学器件例如光缆和光学互接。5)材料，例如冶金材料、陶瓷、无机物、 聚合物、基于环氧树脂的碳纤维复合材料和纳米复合衬底，等等。6)使用 微加工技术例如平版印刷技术、激光消融、热模压印和微模塑等在多种材 料内生成的微结构和纳米结构和器件。简而言之，各种对象定制抛光垫可 用于其中成品的表面要求精确、光滑、平整和缺陷较少的多种材料、器件 和系统。
可以设想，在此公开的各种对象定制抛光垫可被定制成在半导体工业 中用于晶片衬底上的集成电路(IC)的CMP。为此应用，可通过获得衬 底上的IC结构的一个或多个特性例如IC尺寸、图案密度、IC构造、膜 材料、膜形貌等定制用于IC结构的CMP的抛光垫。根据IC结构的一个 或多个特性，可选择垫的垫特性，例如具有长程有序和短程有序的垫纳米 结构、垫材料类型、硬度、孔隙率、韧度、可压缩性、表面结构、表面纹 理、润滑剂添加、垫内界面的形成以及磨料的添加。这种定制设计以及单 个统一标准的垫的原位制造可导致IC的CMP加工具有希望的一致的性 能。
用于IC的CMP工艺的一致性能的含义与可用于评价工艺质量的多个 标准有关，这些标准包括但不局限于保持是Prestonian的去除速率、具有 在边界润滑状况内恒定的摩擦系数、以及在基底的不同区域保持一致的抛 光性能。抛光性能的一个标准是去除速率(RR)。如随后详细说明的，去 除速率受多个装置和消耗参数影响。例如，垫特性如可压缩性、孔隙率和 表面纹理可以影响浆料的传输，这继而影响RR。抛光性能的另一个标准 是衬底平整性，因此应最小化或消除例如STI叠层内的电介质材料或铜抛 光工艺中的电介质材料的碟形凹陷和侵蚀的发生。垫硬度、韧度和孔隙率 是影响衬底平整性的垫特性的示例。已观察到，具有受控的孔隙率(即受 控的孔尺寸和孔密度以及孔隙率分布)的垫可使衬底更好地平整化。衬底 不均匀性(NU)例如刮痕和碎片的数量是抛光性能的另一个标准。影响 NU的数量的垫特性的示例包括硬度和表面纹理，其影响浆料的传输。最 后，缺陷性是评价抛光工艺的另一个标准。CMP工艺在化学和机械上是 很严格的，IC内的应力诱发的缺陷会降低器件产量。影响缺陷性的一种垫 特性的示例是垫硬度。较硬的垫会以缺陷性增加为代价来获得更好的平整 性。对上述垫特性中的任何一个缺乏控制都会影响垫的性能，例如，缺乏 对垫孔隙率的控制会导致在整个抛光面上产生不一致的剪切力从而导致不 均匀的COF，这会使得缺陷性增加。此外，缺乏对其他垫参数的控制会以 与缺乏孔隙率控制导致的垫性能问题类似的方式导致垫性能变差。抛光性 能的标准、RR、衬底平整性、NU的发生以及缺陷是影响CMP工艺的成 本的标准的示例。
IC设计的一些变量会影响垫设计和抛光性能。一种这样的变量是IC 的图案密度。图案密度会影响膜去除量，从而影响IC内以及晶片上的均 匀性。在图1内，制造的IC 10具有底层特征12例如金属线，其在沉积薄 膜14的形貌内会产生高区域16和低区域18。特别地，由于横跨芯片具有 不同宽度的沟槽内的电镀的特性以及与电镀工艺中使用的添加剂相关联的 化学性质，形貌对于基于铜的双重金属镶嵌结构中的图案密度有很强的依 赖性。通常，形貌内的高区域16的抛光要比低区域18快。如图1A所示， 在抛光之前初始阶梯高度20与沉积薄膜14相关联。如图1B所示，在抛 光之后最终阶梯高度22与沉积薄膜14相关联。用初始阶梯高度20和最终 阶梯高度22的差表示的高区域16和低区域18的不同去除速率是平整化的 质量因数。差越大，则CMP工艺后的平整性越好。
IC制造中影响IC内以及晶片上的均匀抛光性能的变量的另一个示例 是薄膜材料。具体地，由于不同材料常常具有不同的抛光率，所以在包含 多种薄膜材料的CMP工艺中会发生碟形凹陷和侵蚀。图2A是制造的IC 30 的示意图，其具有在电介质层34中的沟槽内沉积的金属线32。在图2B内， 金属线32的碟形凹陷被描述为是金属线32的高度36相对于电介质层34 的平整性的偏离。同样，电介质层34的侵蚀被描述为电介质层34的高度 38相对于预期高度的偏离。在铜基互连的浅沟槽隔离(STI)、钨堵塞或 双重金属镶嵌工艺中存在碟形凹陷和侵蚀。当使用铜时，使用另外的薄膜 材料作为铜和电介质材料之间的阻挡层。
可被选择的垫的一个特性是孔隙率(即孔尺寸和密度)。通常的孔密 度为抛光垫的大约5-20％之间。零孔密度即无孔垫不能实现均匀的浆料流 动，从而会导致去除速率均匀性出现问题。孔尺寸通常会较好地指示垫性 能。大约40微米是实现良好垫性能的希望的尺寸。如果浆料的减少不是重 要问题，则可使用更大的孔尺寸例如80微米。较大的孔尺寸将提供更均匀 的去除速率，而当需要降低浆料流速时可使用较小的孔尺寸。
可基于IC尺寸选择的垫的另一个特性是垫表面结构，例如开槽、表 面纹理或表面粗糙度。具体地，较高表面粗糙度可用于较大的IC尺寸和 较高密度，而不用于较小的IC尺寸和较小的密度。尽管许多这样的确定 可基于IC尺寸、图案密度和被抛光的材料的知识做出，但是对于亚90nm 技术，这些确定变得非常复杂。还应指出对于较小的IC尺寸图案密度通 常小于大约30％，而对于较大的IC尺寸图案密度通常为大约50％。因此， 较大的图案密度与较大的IC尺寸相关。
在CMP领域内，已经在非常有限的范围内研究了可被称为“垫工程 设计(pad engineering)”的领域。一般地说，垫工程设计可被描述为是 在纳米和微米长度尺度以及宏观长度尺度(1cm或更大)连同科学概念一 起使用基本材料，以选择性地控制并单独调整抛光工艺的各个方面；例如 润滑性控制、去除速率的均匀性、热行为和应力控制。当前工业中使用的 传统的开孔和闭孔聚合物垫具有一些限制，这些限制在较低技术节点会变 得更加突出。这些限制中的一些限制可用新颖的“垫工程设计”方法克服。 已公开许多垫工程设计发明性设计：垫宏观结构的分子工程设计；垫功能 分级；垫设计中通过添加固体润滑剂的表面工程设计；制造具有多个聚合 物层的低剪切力一体式垫，该聚合物层在垫内形成平行于抛光面的界面， 这具有减小被抛光衬底上的剪切力的作用；嵌入磨料的垫；原位开槽的垫； 以及包含用于终点检测的透明区域的垫。
在图3内，示出CMP设备50的关键元件的一般描述。如图3所示， 通常经由浆料分配器54将浆料52分配到抛光垫56上。可选择地，浆料 52可从垫的底部通过垫输送到垫的表面。抛光垫56安装在可旋转压板58 上，从该可旋转压板延伸出可旋转的压板轴60。衬底66被衬底卡盘62保 持，从该卡盘延伸出衬底卡盘轴64。箭头示出向量力的方向，该向量力用 于旋转抛光垫56和衬底卡盘62并从而使衬底(未示出)旋转。一向下力 经由衬底卡盘轴64可控制地作用于衬底卡盘62，在抛光垫56和衬底66 之间实现可控制的接触。
为了理解一些影响CMP工艺的因素，理解图4的斯特里贝克曲线是 有用的。斯特里贝克曲线显示了摩擦系数(COF)与Sommerfeld数(So) 之间的关系，其中COF和So由下式给出：
COF＝Fshear/Fnormal                   (1)
其中，Fshear是剪切力；Fnormal是法向力，
So[＝μV/(pδeff)]                    (2)
其中μ是浆料粘度，V是垫-晶片相对速度，p是压力；
并且δeff＝αRa+[1-α]δgroove
其中，Ra是平均垫粗糙度，δgroove是垫凹槽深度，
并且α是比例因数，由下式给出α＝Aup-features/Aflat pad，
其中A是对应的面积。
在图4所示的一般化的斯特里贝克曲线上显示了三个区域。在被示为 “边界润滑”的区域内，抛光垫和衬底均与浆料磨粒紧密接触，并且随着 So值的增加COF保持恒定。在此状况中获得COF和去除速率(RR)的 较大值。这种恒定性是工艺稳定性所需要的。边界润滑状况的任何偏离都 是在CMP工艺中晶片/浆料/垫界面内的变化导致的。在部分润滑状况中， 衬底和垫被流体膜层分隔开，该流体膜层的厚度大约为垫的粗糙度。由于 此状况下的RR小于边界润滑状况下的RR，所以在部分润滑状况下垫寿 命增加。但是，负斜率的变化率显示对于部分润滑状况，其稳定性、控制 性和可预测性要小于边界润滑状况。在液压润滑状况下，更大的流体层导 致更低的RR。
在图5内示出理想的Prestonian图，其中去除速率(RR)由下式给 出：
RR＝kPr×p×V    (3)
其中，kP是Preston常数；
p是垫和衬底之间的实际压力；以及
V是垫-衬底的相对速度。
理想地，Prestonian图随压力与速度的乘积线性变化。与理想的线性 行为的偏差可以归因于浆料的流变和抛光垫的摩擦。例如，在恒定条件下 不同浆料的比较已示出在高压下一些浆料具有不理想的Prestonian行为。 这种浆料被称为压力敏感浆料。另外，受变量例如垫硬度、厚度、可压缩 性、孔隙率和表面纹理影响的抛光垫的摩擦也会导致不理想的Prestonian 行为。
通过一些Neopad设计包括垫的亚表面工程设计和低剪切力设计，可 制造具有低COF的CMP垫。可通过使用在整个聚氨脂基体内分布的大量 小的硬链段通过垫的微结构控制COF的均匀性。边界润滑状况的延伸也 与垫的微结构直接相关。
垫定制可基于抛光工艺系统地执行。由于CMP的“技术”涉及一些 参数，所以定制必须根据影响工艺的各个方面执行。下文将说明根据将被 抛光的材料以及IC特性的用于垫定制的方法，该方法可被系统地使用以 便根据特定要求设计垫。本发明基于聚氨酯/聚脲工程塑料的定制允许控制 关键参数，例如tanδ 、损耗模量(E”)、储能模量(E’)、微观纹理(也 称为微结构)、玻璃化转变温度、硬链段和软链段分布、以及微孔尺寸和 分布。已通过选择合适的材料并使用专门的制造工艺实现这些控制。
I.用于化学机械平整化的聚合物垫的聚合物配方以及垫微结构的控 制
可想到许多材料可用于制造对象定制抛光垫。尽管垫基本为聚合物的 并且具有定制的尺寸和硬、软区的密度，但是其他发明性实施例包括材料 例如成孔材料、固体润滑剂、嵌入磨料的引入、与抛光表面垂直以释放应 力的一个或多个层、原位凹槽以及用于终点检测的透明区域可添加到连续 的聚合物相内。
对象定制抛光垫通常由聚合物制成。设想用于制造此处公开的各种定 制抛光垫的聚合物的示例选自聚氨酯、聚脲、环氧类聚合物、酚类聚合物、 聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚脂、聚砜、聚缩醛、聚丙烯酸酯、聚苯 乙烯、聚芳基醚酮(polyarlyetherketones)、聚对苯二甲酸乙二酯、乙烯 聚合物、聚丙烯、聚乙烯、聚硅烷和聚硅氧烷。另外，适合于此处公开的 各种定制抛光垫的聚合物可以是选自示例性的聚合物类的成分的共聚物、 共混物、配合物、网状物、复合物、接枝物和层压物等等。还可使用对本 领域的技术人员来说显而易见的其他适用于垫的聚合物。
使用这些材料的配方可以包含对大分子的结构与由此得到的用于垫的 聚合物材料的物理特性之间的关系的一些理解。这种特性的示例包括但不 局限于硬度、粗糙度、孔隙率、可压缩性等。
例如，用于CMP抛光垫的具有重要的科学、工程和商业历史的聚合 物包括聚氨酯、聚脲及其共聚物。这种聚合物可使用原材料例如异氰酸酯、 多元醇和聚胺以及增链剂和交联剂等制备。乙醇与异氰酸酯官能团的反应 形成氨基甲酸乙酯键，其是聚氨酯聚合物的基础。胺与异氰酸酯官能团的 反应形成脲键，脲键是聚脲聚合物的基础。对于聚氨酯，聚合反应需要最 小二醇和二异氰酸酯单体，可选择地，分别在多元醇或多异氰酸酯中的三 羟基或更多羟基或异氰酸酯基可为交联提供反应活性部位。对于聚脲，聚 合反应需要最小二胺和二异氰酸酯单体，可选择地，分别在聚胺或多异氰 酸酯中的三胺基或更多胺基或异氰酸酯基可为交联提供反应活性部位。与 羟基或胺基反应的交联剂的示例包括二异氰酸酯交联剂如甲苯二异氰酸酯 (TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和多亚甲基多苯基异氰酸酯 (PAPI)。交联剂的类型以及聚合物链的交联程度会影响材料特性，例如 硬度、韧度和孔隙率。例如聚胺和多元醇的亲水分子的大小和分子量影响 材料特性例如柔性、熔融温度和表面能。
允许控制硬度和机械特性、具有高储能模量(E′)和损耗模量(E″) 并且具有低瞬态热效应、玻璃化转变温度(Tg)、KEL值、储能模量随温 度的变化(ΔE′)、可压缩性和tanδ值的聚氨酯和聚脲可用于垫制造。
流延/模制，垫材料以及微结构控制
一些流延和模制方法适合于原位将多种定制抛光垫制造成单一式(整 体式，unitary)结构。下面的说明中包含了一些用于将抛光垫流延和模制 成单一式结构的示例性制造方法，这些制造方法还允许对设计到垫内的物 理特征进行空间控制。
聚合物的液体流延
聚合物的液体流延可用于制造CMP用的垫。液体流延是一种适合于 制造最简单设计的聚合物部件到复杂聚合物部件的制造技术。使用此技术 可制成类似于聚合物盘的形状，从而可使用液体流延制造用于化学机械平 整化的聚合物垫。液体流延允许在制造期间对垫材料特性进行空间控制， 从而液体流延是制造CMP用的垫的合适选择。在使用此工艺制造CMP 用的聚合物垫时，首先制成具有合适尺寸的模具。此外，可执行液体流延 以制成CMP垫，其中将使用两个可能的选择制造凹槽：异位(ex-situ) 或原位。工业中通常使用异位凹槽成形。但是，此方法非常昂贵。原位开 槽中的模具适合于聚合物一凝固就在垫内形成凹槽。根据聚合物是否原位 固化(cure)，将合适的材料灌注到模具内。在聚合物没有已经固化的情 况下，向模具添加合适的单体、交联剂、成孔剂、引发剂和催化剂，并且 在达到一定温度之后反应完成。使用液体流延，一旦灌注的第一层或部分 固化，如果需要的话可以灌注第二层或部分。另外，在液体流延方法中， 可在聚合物混合物中添加嵌入磨料以及固体润滑剂以便实现希望的抛光性 能，随后将对此进行讨论。
多重注射成型
另一种制造定制垫的方法已知为多点注射成型。多重注射成型是其中 利用两种或多种聚合物材料的顺序工艺，每种材料在不同的时间被注射到 模具内。此方法可用于形成具有两层或多层的定制垫，以及在整个垫中具 有不同区域的垫。此外，此方法可用于在单层或多层内实现聚合物材料的 任何空间设计的图案，从最简单的、轮廓最分明的环形，到最复杂和随机 的图案。
多重实时供给(或原位)注射成型
可使用包括多重原位注射浇料口的模具来制造定制垫。在此方法中， 选择具有至少两个通常相互独立的、用于注入聚合物的浇料口的模具。在 同一注射步骤、常常是同时通过所述浇料口注入至少两种不同聚合物以填 充模具。根据定制垫所需的空间变化进行流体流量和热传递计算，并且选 择被供给到模具的不同聚合物和材料的合适的注射点和注射流速。这样， 可制造具有两层或多层以及横跨垫的直径具有不同聚合物材料区域的定制 垫。
反应注射成型(RIM)
特定的聚合物体系(例如聚氨酯)适合于使用RIM技术的成型步骤。 在此成型工艺中，不是注入预先合成的聚合物，而是添加组分单体材料、 合适的交联剂以及引发剂和增链剂，在成型的同时聚合所得到的混合物。 为了制造在垫的不同区域中化学结构有变化的定制垫，可使用多个浇料口 来注射两种或多种类型的单体单元(和对应的增链剂)以及其他选择的材 料，例如成孔剂、固体润滑剂和嵌入磨料。这会导致聚合物的化学组成和 机械及物理特性的功能分级。通过不同地向模具添加各种材料，此方法可 用于制造其中一层或一个区域的特性与下一层或区域大不相同或者特性从 一层或一个区域到下一层或区域逐渐改变的定制垫。这样，RIM还可用于 制造在横跨垫的直径和/或横跨垫的深度的平面内具有均匀特性的定制垫。
层状注射成型
通过在例如上面讨论的注射成型工艺中使用已经预先挤出(例如以层 状形式)的聚合物混合物，可以制造特性具有空间变化的定制抛光垫。这 种制造聚合物的简单物理混合物的方法可直接和简单地应制造者而改变要 求。所得特性的空间变化将取决于各种聚合物的机械和物理特性以及可添 加到连续聚合物相中的其他选择的材料，例如固体润滑剂或嵌入磨料。此 方法可用于在水平或垂直区域或层内生成微区分级。
生成具有微孔的垫的气体注射成型
一种用于生产在垫的一个或多个部分内具有微孔的定制垫的方法可以 包括在注射成型步骤期间注入气体以便实现定制抛光垫内的孔隙率变化。 气体可从不同浇料口以不同的流速被分散和注入模具以便在垫内实现气态 组分的空间分布。由此得到的垫可在不同位置包含不同量的吸留气体；从 而可实现硬度和/或密度的系统变化。
微孔(Mucell成型)
在此技术中，被模制的聚合物流体与气体混合以便形成溶液混合物。 利用两种或多种这样的具有不同化学性质的溶液(即不同的原始化学材料 例如两种不同聚合物)将导致物理特性的空间变化。
单步和两步聚合物合成技术
在模塑或流延之前的制备聚合物的方式会影响抛光垫的特性及其一致 性。例如，存在两种公知的配制聚脲和聚氨酯的方法，该方法被称为单步 和两步技术。在单步技术中，所有反应组分(例如单体、增链剂、交联剂) 一起发生反应。这种工艺由于例如变化的反应物局部浓度以及不均匀的局 部热梯度的因素而难以控制，这会导致变化很大的聚合物产品特性。在两 步技术中，在第一步中异氰酸酯预先与聚胺或多元醇增链剂反应以形成高 分子量预聚物。此官能化的预聚物然后进一步与聚胺或多元醇固化剂和/ 或增链剂反应以完成聚脲或聚氨酯的形成。此工艺更易于控制，但是需要 更高的处理温度，该温度通常大约为100℃。当需要非常一致的材料时， 则需要导致本身具有这样的一致性的工艺。
CMP垫合成
在目前的研究中，可通过选择最终产品中的聚氨酯和聚脲的合适的相 对浓度来控制CMP垫中的硬区的尺寸、密度和类型的一致性。可使用两 步技术。在第一步中，合成或者从商业供应者处获得多官能或双官能异氰 酸酯预聚物。异氰酸酯预聚物的分子量的紧密分布会在需要时使得垫内硬 区具有均匀的分布和尺寸。在第二步中，按重量计算为大约60-80％的合 成或在市场上获得的异氰酸酯预聚物与按重量计算大约1-15％的聚胺和多 元醇增链剂之一或聚胺和多元醇增链剂混合物以及按重量计算大约5-25％ 的聚胺和多元醇固化剂之一或聚胺和多元醇固化剂混合物反应，以完成聚 脲/聚氨酯形成。另外，在第二步中，可添加按重量计算大约.1-3％的稳定 剂以防止U.V.降解，添加按重量计算大约0.1-5％的成孔剂以生成微孔， 并且可以添加按重量计算大约0.1-20％的固体润滑剂和大约0.1-10％的嵌 入磨料以实现希望的抛光性能。在一些情况中，用作增链剂的多元醇的化 学组分与异氰酸酯预聚物合成中使用的多元醇相同或类似。
结果，可在纳-微米尺度上获得硬区的尺寸、类型和密度的均匀分布。 各个硬区链段包括分别在聚氨酯和聚脲配方中在氨基甲酸乙酯键或脲键附 近的区域。硬区可由一个或多个单独的硬链段构成。硬区的类型依赖于构 成硬区的脲和氨基甲酸乙酯链段的相对浓度。硬区的密度可使用非常系统 的工艺控制进行很好的控制。例如，预聚物的长度和官能度会影响硬区的 密度。区的尺寸可由氨基甲酸乙酯与脲的相对量控制，因为氨基甲酸乙酯 具有单个H键，而脲具有两个H键，并且可通过围绕氨基甲酸乙酯键或 脲键与其他区域氢键结合而形成较大的硬链段嵌段，由此增加区的尺寸。 构成硬区的各个或多个硬链段的尺寸可通过控制用于合成异氰酸酯预聚物 的异氰酸酯单体的尺寸来控制。例如，较大的单体可形成较大的区链段， 从而较大区链段的组合可形成较大区。发生聚合反应的温度也会影响硬区 的尺寸和密度。在较高的反应温度下会形成较小的区并使得区的密度增加， 反之亦然。如前文提到的，通过对聚合物组分的分子量分布进行严格控制 可实现硬区的尺寸和密度的均匀分布。由于温度会影响硬区的尺寸和密度， 所以反应容器和模具内的温度分布的严格控制对于实现硬区的尺寸和密度 的均匀分布也是重要的。通常，聚胺与多元醇的比率为大约20％-40％聚 胺比大约60％-80％多元醇左右。通常，每个区的硬链段的数量为大约1-20 个。硬区的尺寸和密度的这种分布使得可在边界润滑区域实现平整和延长 的斯特里贝克曲线。因此，硬区的密度和尺寸可在垫的不同区域内改变， 以便实现定制的抛光功能。
硬区的类型、尺寸和密度的这种一致性使得整体特性均匀。硬区的类 型、尺寸和密度越一致并且空间越均匀，摩擦学特性越一致。例如，通过 使用均匀交替间隔开的聚胺/多元醇嵌段可更好地控制热特性，而随机分布 会导致加热出现局部差别。
CMP用的抛光垫可单独制造。在垫制造期间，所有垫材料被分成两 个批次。第一批次原材料包含异氰酸酯预聚物、磨料、润滑剂和成孔剂例 如微球或气体。第二批次包含固化剂、U.V.稳定剂以及多元醇和聚胺增链 剂的混合物。批次1首先在约80°F-100°F的温度下在真空内混合，以便实 现同质并除去由于添加成孔剂而可能滞留在混合物中的任何空气。然后， 将批次1加热到在120°F-200°F之间的所需温度。批次2保持在室温下并 且混合大约15分钟。然后，批次1和2按正确的量添加在一起。使用液体 流延来模制垫。因此，在彻底混合之后，材料被灌注在处于大约150°F- 220°F之间的温度下的旋转模具上。模具的温度均匀性使得垫中硬区的类 型、尺寸和密度均匀分布，并且可以得到均匀的摩擦学特性。然后，通过 下文所述的压缩离心流延、真空成形或压力成形方法进一步形成垫。
对于压缩离心流延，在将批次1和2的混合物灌注到模具上之后，混 合物可保持不动并反应大约2-3分钟。此后，模具被扁平的不锈钢板覆盖 并放置在压缩模塑机内。在大约100000psig以及大约200°F-300°F的温度 下进行压缩。在大约10分钟的压缩之后，从模具上取下垫。然后垫在大约 100°F-200°F下固化大约6-12个小时。压缩模塑机的温度均匀可以使得垫 中硬区的类型、尺寸和密度均匀分布，并且可使得摩擦学特性均匀。例如， 可通过使模具的外侧与处于恒定温度下的流体接触来保持均匀的温度。
压缩离心流延使得孔为椭圆形。椭圆形孔可在抛光期间用作微槽，从 而不需要引入较高的凹槽密度。椭圆取向与抛光面同平面，并且具有至少 大约2∶1或更大的长宽比。当均匀分布时，椭圆形孔用作抛光面内的周期 性间断点从而形成自然的微结构，这提高了处理效率(即减小了处理时间)。 椭圆形孔还用作微小的浆料贮藏器，这使得即使在较低的浆料流速下仍可 防止在抛光期间晶片失去浆料。其优点是在一些情况下使浆料损耗与球形 孔结构相比降低了超过40％。另一个优点是，椭圆形微孔可使得去除速率 稳定(保持较高的去除速率和/或可调节的去除速率)和摩擦系数稳定。
对于真空成形方法，在批次1和2混合之后，马上将混合物灌注到模 具内，并将整个模具放置在封闭室内。然后使封闭室处于大约为10-30％ 大气压力的真空下，并且模具的温度被均匀地保持为大约150°F-220°F。 真空使得可排出垫内滞留的任何空气。在处于真空之下大约2-5分钟之后， 打破真空并取出模具。在大约15分钟之后，从模具中取下垫。然后垫在大 约100°F-200°F下固化大约6-12个小时。
对于压力成形方法，在批次1和2混合之后，马上将混合物灌注到模 具内，并将整个模具放置在封闭室内。然后使封闭室处于大约为3-10倍大 气压力的压力下，并且模具的温度被均匀地保持为大约150°F-220°F。该 压力使得可排出垫内滞留的任何空气。在大约2-5分钟之后，使压力室降 压并取出模具。在大约15分钟之后，从模具中取下垫。然后垫在大约100 °F-200°F下固化大约6-12个小时。
在各个CMP垫固化期间，在抛光垫的表面上形成大约小于2μM的 范围内的表皮。此表皮对于保护垫表面不受在CMP垫的操作期间导致的 损害是重要的。在使用之前，垫需要被修整(磨合(break in))，这可 使用钻石修整器完成。在一些情况下，表皮小于大约2μM以便在对衬底 进行抛光之前有效地磨合垫。
下文将说明一些用于垫制造的材料。材料分为几类。这些类包括：异 氰酸酯预聚物和单体，多元醇和聚胺单体及增链剂，固化剂(交联剂)， 稳定剂，成孔剂，固体润滑剂和磨料。
可用于垫制造的异氰酸酯单体和预聚物在表1内示出。
表1：异氰酸酯单体和预聚物

可用于垫制造的多元醇单体及增链剂在表2内示出。
表2：多元醇单体及增链剂

可用于垫制造的聚胺增链剂及单体在表3内示出。
表3：聚胺单体及增链剂


可用于垫制造的固化剂在表4内示出。
表4：固化剂

可用于垫制造的稳定剂在表5内示出。
表5：稳定剂


可用于在垫制造期间生成微孔的成孔剂在表6内示出。
表6：成孔剂


可用于垫制造的固体润滑剂在表7内示出。
表7：固体润滑剂


可用于垫制造的嵌入磨料在表8内示出。
表8：嵌入磨料
  编号   化学描述   1   氧化铈，100nm-30μm   2   氧化硅，100nm-30μm   3   氧化铝，100nm-30μm   4   氧化锆，100nm-30μm
表9内示出了对上述可用于垫制造的材料的一些可能组合的非限制性 说明。使用表9内的材料组合的所有定制垫可以使用液体流延技术流延， 并且可以使用压缩离心流延进一步成形。
表9：用于垫制造的材料的示例性组合。第一个数字代表上面显示的 各个表内的化合物的编号。括号内的值对应于每种材料的重量百分比。
  异氰酸酯   (表I)   多元醇   (表II)   聚胺  (表III)   固化剂   (表IV)   稳定剂   (表V)   成孔剂   (表VI)   润滑剂   (表VII)   磨料   (表VIII)   13(77)   2(1)   -   1(15)   15，16   (.5，.5)   3(.5)   1(2)   -   14(70)   7(2)   3(2)   2(20)   2(1)   6(.6)   3(2.5)   1(1)   17(78)   3(2.5)   1(1)   3(13)   16(1)   3(1)   2(4)   -   16(80)   10(2.5)   -   4(14)   9(1)   3(.6)   1，2(2，2)   -   3(67)   1(5)   7(5)   7(15)   5(1)   5(.8)   3(4)   2(2)   1(70)   8(2)   9(3.5)   10(14)   8(1)   6(2)   1(3)   3(1)   6(79)   -   10(3)   11(12)   11(1)   4(1.5)    -   4(2.5)   4(65)   5(7)   2(7)   12(14)   13(1)   2(1.4)    -   -   7(80)   9(2)   -   1(12)   2(1)   5(1.6)   3(2)   4(1.5)   11(80)   6(2)   -   5(13)   13(1)   1(1.8)   1(2)   -
II.孔隙率受控的垫
如前文已经说明的，在半导体晶片的处理中影响CMP性能的一个示 例性的特性是孔隙率。对孔隙率的控制可通过仔细控制成孔剂在聚合物材 料内的分布并仔细控制在制造工艺期间的温度均匀性实现。缺乏对垫孔隙 率的控制，即缺乏对孔尺寸和密度以及垫内的孔尺寸和密度的分布的控制， 会影响诸如浆料传输和磨料分布等因素，这继而会影响CMP垫的性能， 例如去除速率(RR)以及晶片内不均匀性(WIWNU)的数量。另外，还 观察到在没有孔隙率控制的情况下制造的垫可在抛光面上具有不均匀的剪 切力，从而在整个处理范围内具有不均匀的COF。剪切力的不均匀性会影 响平整化效率，并且在衬底上产生导致产品产量降低的缺陷。
文中公开的各种定制的抛光垫被制造成使得在对象垫内形成的孔隙率 即孔尺寸、孔密度以及孔隙率分布是均匀的。图6是如何使用成孔材料或 成孔剂在基体内形成均匀的孔尺寸、孔密度和分布的示意图。在这些示例 中，成孔材料或成孔剂在不同的外部条件例如温度或压力下具有不同的特 性。成孔材料或成孔剂一开始被添加到基体内，然后通过均匀地加热，成 孔材料或成孔剂可膨胀到希望的孔尺寸。孔的分布和密度可由添加到基体 内的成孔材料或成孔剂的量控制，其中基体通常是聚合物。
在对象定制抛光垫的一些变型中，孔尺寸的范围是从大约20nm到大 约80μm，而在对象定制抛光垫的另一些变型中，孔尺寸的范围可以是从 大约50nm到大约15μm，而在对象垫的另一些变型中，孔尺寸的范围可 以从大约100nm到大约10μm。在一些情况下，孔尺寸的范围可在大约 10μm-80μm之间。对象定制抛光垫的孔密度变化由在流延或模塑之前添 加到聚合物中的成孔材料或成孔剂的浓度确定。可以设想，可以改变孔密 度以使得抛光垫的孔密度为整个垫的大约1％到大约20％。
可设想，多种材料可用于在制造期间以受控方式在聚合物基体内生成 孔。如下文所述，一些示例性材料包括起泡剂、化学发泡剂、超临界流体、 嵌段共聚物、胶束和成孔材料。
A.聚合物中空微单元(micro-element)(微球)
聚合物中空微单元材料通常是由聚合物制成的尺寸范围为10-100μm 的球状物。例如，可以使用具有被包封在球体内的气体例如异丁烷气体的 材料，如Expancel、PVDF、酚醛树脂和诸如硅酸盐和锆酸盐的无机材料。 当在模塑之前将这些材料添加到聚合物熔体中时，其中的气体将通过热量 的受控应用膨胀到希望的尺寸。这种中空微单元可以是膨胀和未膨胀的形 式并且这两种形式均可用于垫形成。在膨胀形式下，中空微单元预先膨胀 并且在最后的聚合物处理操作期间尺寸不发生变化。在未膨胀形式下，中 空微单元在垫制造工艺期间膨胀。使用这种微球材料可对孔的尺寸进行很 大范围的控制。孔密度由添加的微球的数量控制。
B.化学发泡剂
化学发泡剂，例如Hydrocerol、在加热时会产生二氧化碳的碳酸氢钠、 以及会导致生成氮气的复盐如偶氮二碳酰胺和对氧双苯磺酰肼，可被添加 到聚合物批次内。在加热聚合物时，这些化学发泡剂分解以便释放出气体， 这会导致在模制部件内形成孔。发泡剂的其他示例包括可以在聚合物的模 制之后使用溶剂被沥滤的固体物。
C.超临界流体
在Mucell工艺中，超临界气体溶解在聚合物给料内以生成单相溶液。 一旦此聚合物给料在模具内冷却，则气体形成尺寸为0.1-10μm的微小气 泡。
D.胶束
胶束结构可被引入聚合物供给流。然后通过使用该胶束能选择性地溶 解的溶剂例如已烷，这种胶束(液态或固态)可被沥滤，从而在聚合物基 体内留下多孔区域。例如，诸如Dodecylphophocholine、C16SO3Na的材料 可用于将胶束引入聚合物配方。
E.成孔材料
成孔材料可用于在聚合物基体内生成孔。这些成孔材料由另一种具有 低降解温度的聚合物例如聚苯乙烯制成。在向聚氨酯基体中添加预期量的 成孔材料并且形成垫之后，可通过对整个垫进行热处理除去成孔材料。
III.功能分级垫
本文设想的一类定制抛光垫是功能分级抛光垫。这种垫由具有用于对 整片的、基本平整的衬底进行抛光的抛光面的定制抛光垫构成，并且包括 至少两个具有不同物理特性的区域。所述至少两个区域可具有不连续的边 界或者由组分聚合物的混合物形成的边界。所述至少两个区域可以各自包 含组成不同的聚合物材料，并且该两区域之间的区可以包含所述组成不同 的聚合物材料的混合物。
图7示出径向对称的两区域分级垫的示意图，其中使用两种不同的聚 合物组成，一个区域使用一种，该垫的第一外环使用离心液体流延工艺形 成。然后向垫环的中心填充第二聚合物材料。使用两种不同的材料，从而 在得到的垫中存在具有不同物理特性的两个不同的区域。在两种材料之间 界面处的适当粘结可能需要选择彼此相容的材料。
除了功能分级之外，功能分级垫的变型还可在不同的聚合物区域具有 相同以及不同的孔尺寸和密度。图8a是具有由短链预聚物构成的较硬的内 部区域和由长链预聚物构成的较软的外部区域的功能分级垫的示意图。图 8b是示出可以在不同区域内形成具有相同孔密度的、尺寸不同的孔的示意 图。图8c是示出可以在不同区域内形成具有不同孔密度的、尺寸相同的孔 的示意图。所述至少两个区域可各自包括成分不同的聚合物材料。当抛光 头(定位环)在抛光垫的外部区域上施加的压力大于在内部区域上施加的 压力——这使得在被外缘抛光的区域内具有高去除速率——时，具有比外 层硬的内层是有利的。外缘产量损失降低以及图案密度最小化的效果可以 通过这种补偿不均匀压力分布的方法实现。聚合物材料的功能分级可导致 机械特性(硬度、可压缩性、孔尺寸和孔分布)分级，并且可用于平衡压 力分布中的任何不均匀。
图9示出可使用此工艺制成的更复杂的图案的示意图，该工艺中不规 则的一组图案在抛光垫200上被功能分级，该抛光垫200具有多个选择的 区域例如椭圆形(202、204、206)和旗帜(208)。在每个提到的区域内， 对应的聚合物可以分别是上述类型聚合物中的不同的聚合物，或者是至少 两种不同聚合物。同样，这种图案可通过使用合适的模具几何结构实现。
图10是示例性的定制的功能分级抛光垫200的示意图，该抛光垫是连 续分级垫，使用这样的制造工艺制成，即在该工艺中从模具的外周边212 注射第一聚合物的同时从中心214注射第二聚合物材料。
分级垫可以具有被选择成在垫的不同区域提供不同的恢复系数值的聚 合物和/或配方。圆形垫的抛光面的外圆周或外环的恢复系数可高于垫的内 部部分，以便提供更均匀的晶片抛光。外圆周可以通过增加固化剂的量和/ 或相对于垫内部部分的配方改变聚合物配方的化学组成来形成(例如，当 形成外圆周时，通过改变固化剂的类型)，下文将对此进行说明。这样， 抛光面的硬度可保持大致或基本不变，但是垫可以提供垫作用在其上的晶 片的改进的平整性和/或器件产量。可通过使用Bashore Rebound％测量来 估计恢复系数。对于Neopad垫抛光垫的bashore rebound通常为大约 0.05-0.6。还可使用在158°F(70℃)下大约22小时的压缩永久变形试验 完成对恢复系数的估计。同样，通过压缩永久变形试验获得的Neopad垫 的值为大约0.05-0.6。
同样，分级垫可以具有被选择成在垫的不同区域提供不同压缩系数的 聚合物和/或配方。圆形垫的抛光面的外圆周或外环的压缩系数可高于垫的 内部部分，以便提供更均匀的晶片抛光。外圆周可以通过增加固化剂的量 和/或相对于垫内部部分的配方改变聚合物配方的化学组成来形成(例如， 当形成外圆周时，通过改变固化剂的类型)。这样，抛光面的硬度可保持 大致或基本不变，但是垫可以提供垫作用在其上的晶片的改进的平整性和/ 或器件产量。压缩系数被定义为体积模量的倒数。体积模量被定义为导致 体积发生单位改变所需的压力量。
其中例如在垫从旋转轴线延伸的半径上性质不同的上述分级垫，通常 使所形成垫的抛光面或体积的内部表面积的至少大约75％具有一个值，而 垫的抛光面或体积的表面积的剩余量具有第二个值。尽管没有局限于以下 理论，但是据认为，圆形垫的外周边或例如带状抛光垫的外缘更易于由于 例如设备振动、边缘效应、较高转矩等而运动，而分级可调节沿垫表面作 用的不平衡的力。
IV.低剪切力一体式垫
本文设想的另一类定制抛光垫是低剪切力一体式垫。定制的低剪切力 抛光垫是多层或成一体的垫，该垫用至少两种材料制成，从而两层之间的 界面用作应力吸收器以减小在垫/衬底边界处的COF。在界面任何一侧上 的材料可以是相同的或不同的。除了每次灌注一个材料层之外，界面使用 前文说明的方法形成。在灌注第一材料层之后，该材料可在灌注第二层之 前固化0.5-2分钟。如果需要多层则重复进行此操作。在灌注最后一层之 后，整个垫如前文所述地被压缩、真空成形或压力成形。
具有多层的垫可具有单体结构，其中多个层通过成一体的界面相互共 价键合，或者垫可以通过将预先固化的层相互压延或粘合在一起形成。文 中公开的许多垫是单体式的，从而具有成一体的界面，层通过该界面相互 共价键合。单体式垫可具有添加于其上的附加层，例如将固化垫粘接在化 学机械抛光机的压板上的双面胶带，但是在使用中这些附加层不会使垫的 性能特性有明显改善。
图11A是双层定制低剪切应力垫100的示意图，其具有层102和104 以及界面103。具有一个界面的一体式垫具有两个层，而具有两个界面的 垫具有三个层，而N层的一体式垫具有N-1个界面。
这在图11B内所示的对象低应力垫内是显而易见的。在此示例性垫 300中，存在五个材料层302、304、306、308和310，和四个界面303、 305、307和309。材料层302、304、306、308和310可以用相同或不同的 材料制成，并且可以具有相同或不同的物理性能和特性例如孔隙率和分级。 由此形成的四个界面303、305、307和309用作应力吸收器，有效地降低 剪切力从而降低COF。
在图12中的示意图中示出界面用作应力吸收器的效果。在示意图100 中，垫/衬底边界104处的剪切力S与作用在衬底102上的法向力N正交， 因为在单层垫106中，没用被选择用作应力吸收器的界面。在示意图300 中，(示出)抛光衬底302；具有层306和308的垫设计成具有界面307， 其中在垫的层306和308之间的界面307处产生剪切力S2。由于在低剪切 力一体式垫306和308的界面307处的剪切力S2，在垫/衬底界面304处 的剪切力S1减小，从而S1远小于S。
V.亚表面被工程设计的垫(subsurface engineered pad)
本文设想的另一类定制抛光垫是亚表面被工程设计的垫。文中所述的 各种亚表面被工程设计的垫的特性是通过聚合物垫内设计的结构特性与分 散在距离抛光面至少大约1％的垫深度内的固体润滑剂组合得到的。使用 在聚合物基体中分散有固体润滑剂的垫可有效地使COF最小化而不会牺 牲RR。
固体润滑剂是一种用于提供保护避免在相对运动期间的损害并且减小 摩擦和磨损的材料例如粉末或薄膜。固体润滑剂的一些优选特性是它们热 稳定、化学上是惰性的，并且不挥发以及机械上是稳定的，但是莫氏硬度 不超过大约5。满足这些标准的固体润滑剂优于其他类型的润滑剂，因为 满足这些标准的固体润滑剂在高负荷和高速下的效率更高，对磨损的抵抗 力高，以及在极端温度、压力、辐射和其他反应环境中的稳定性高。存在 多种固体润滑剂，包括无机固体物、聚合物、软金属以及这些类中存在的 材料的复合物。此外，亚表面被工程设计的垫可与前面提到的功能分级、 孔隙率受控和低剪切力垫一起使用。
除了前面提到的固体润滑剂的那些一般特性之外，设想用于对象垫的 固体润滑剂的摩擦系数通常在大约0.001到大约0.5之间，并且粒度在大约 10nm到50μm之间。还可设想，不同的定制垫可以制造成在距离抛光面 至少大约1％的垫深度内具有至少一种固体润滑剂。可以使用润滑剂的组 合而不是一种润滑剂。
具有上文所述的预期特性的无机固体润滑剂的示例包括薄片状固体 物，例如石墨、氟化石墨、硫化铌、硫化钽、硫化钼、硫化钨、滑石(talc)、 六方氮化硼和氟化铈。这种薄片状固体物是薄片分层的结晶固体，其中在 薄片之间出现滑动面。适于用作固体润滑剂的其他无机固体物包括氟化钙、 氟化钡、氧化铅和硫化铅。尽管结构没有成薄片状，但是这种固体润滑剂 的表面可以容易地在分子水平上相互滑动，从而在宏观水平上产生润滑。
聚合物固体润滑剂的示例包括：1)多卤化烃例如PTFE以及相关成 分，2)聚酰胺例如尼龙6，6以及相关成分，3)多芳基酮例如PEK(聚醚 酮)，PEEK(聚醚醚酮)、PEKK(聚醚酮酮)以及PEKEKK(聚醚酮 醚酮酮)，4)氮化硼聚合物例如PBZ(poly(p-borazylene))或PVZ (poly(p-vinyleneborazylene))。这种聚合物固体润滑剂通常具有低表面 能，由于非絮凝扩散而稳定，具有低摩擦系数，并且热和化学稳定。例如， PTFE的静态和动态摩擦系数非常小，为大约0.04，已知为在化学上是惰 性的，并且在大约260℃稳定。类似于氟化钙类的无机固体润滑剂，聚合 物固体润滑剂的表面可以容易地一个在另一个之上地滑动。
设想使用的其他固体润滑剂包括具有合适特性的多种材料，这些材料 形成为纳米球、纳米管或其他可用于润滑的纳米颗粒结构。作为示例，这 种碳纳米球已知为buckminsterfullerene，或者“巴基球”。多种固体润滑 剂材料例如无机物(例如硫化钼、硫化钨)或聚合物材料(例如PTFE或 氮化硼聚合物)可以制成为可用作固体润滑剂的纳米结构。因为这种结构 通常具有纳米孔，所以它们可以包含其他的固体或液体润滑剂，生成具有 多种特性的固体润滑剂。另外，聚合物、共混物、网状物、复合物和接枝 物制成的聚合物和共聚物分子的固体润滑剂以及用无机物和聚合物固体润 滑剂制成的复合物和接枝物都是可能的。
定制的亚表面被工程设计的垫可用于Cu CMP内的所有工艺步骤；包 括大量去除、软着陆和阻挡层去除步骤。具体地，单个垫方案对Cu CMP 的影响是可减小消耗品成本，从而使处理亚90nm技术的拥有成本具有吸 引力。
如图13所示，在故障发生之前铜具有非常大的应变。另外，在断裂之 前铜会发生很大的塑性变形。在电介质的应变诱导缺陷的情况下，材料的 自然键结特性会导致脆性断裂。这种脆性断裂会在相当低的应变值例如小 于2％下发生。由于铜的高弹性，对于Cu CMP需要解决一些问题。第一 个问题是材料在受到应力而导致塑性变形的区域内的选择性延长。同样， 诱导塑性变形是导致长期应力的永久变形。在由于铜与抛光垫接触区域而 发生选择性延长的情况下，这样的区域将塑性变形，并且将具有与内部铜 区域不同的特性。第二个问题是铜的局部应变硬化，这恰好在断裂之前出 现。所有这些铜延长和应变硬化的问题会由于铜被限制在通孔和沟槽内而 被增强。最后，根据垫如何与铜层相互作用，在CMP完成之后也可留有 铜的残余物，并且它们会在被抛光的衬底引入缺陷。通过降低作用在晶片/ 浆料/垫界面处的有效剪切力降低COF从而实现应力结合最小化。通常， 对于CMP，垫特性例如垫模量、孔尺寸分布以及材料的化学结构的均匀 性已知对于改进在高度稳定的边界润滑状况下操作的CMP工艺是重要 的。另外，为了对Cu CMP工艺实现均匀性，需要大大降低剪切力以便减 小或消除应力诱导的缺陷。为了降低剪切力，还需要高度的润滑均匀性。 对于文中所述的各种定制的亚表面被工程加工的抛光垫，使用固体润滑剂 分散在聚合物基体内距离抛光面至少大约1％的垫深度内的垫可以有效地 使剪切力最小化而不会牺牲RR，并且可由此减小或消除铜的应变硬化。
VI.嵌入磨料的芯片定制垫
与市场上可买到的“固定磨料垫”不同，文中公开的嵌入磨料垫内的 磨料分布在整个聚合物基体内而不是仅位于表面处。如果需要多层垫，则 嵌入磨料可分布在所有层内或不分布在所有层内。与固定磨料垫相比，嵌 入磨料垫的优点在于随时间发展的工艺稳定性。在抛光期间垫磨损。在嵌 入磨料垫的情况下，可预期相同的抛光条件，因为在垫的深度内的磨料分 布可被很好的设计和控制。相反，随着抛光过程的进行，市场上可买到的 固定磨料垫的形状、尺寸和分布密度会逐渐损耗。这可导致不均匀的抛光 速率、工艺控制，从而会由于需要频繁更换垫而导致高拥有成本。
CMP用的垫可嵌入陶瓷或玻璃颗粒(氧化铝、硅石、二氧化铈)。 根据希望的性能，这些颗粒的尺寸可以为大约100nm-30μm。在一些情况 下，颗粒和垫基体之间的粘合力会最小。这使得结合在整个垫内的颗粒会 暴露并且释放到浆料内。这种聚合物垫可在不使用包含磨料的浆料的情况 下导致磨损作用。实际上，整个工艺可使用蒸馏水和嵌入磨料垫执行。
如本领域内已知的，最近已经开发出一类被称为纳米磨粒的新磨料。 这些颗粒的尺寸为数十纳米到数百纳米。可通过使用前文所述的制造方法 将这种纳米磨粒直接并入到垫内来使聚合物垫起作用。可利用一些种类的 纳米磨粒包括陶瓷和玻璃例如氧化锆、硅石、二氧化铈乃至例如碳纳米管 (球壳状碳分子环)以及粘土颗粒的材料。
通过对抛光面上的不同区域内的自磨料进行功能分级，可针对芯片在 晶片上的图案密度对垫中嵌入磨料的分布进行定制。分级还可以通过对磨 料特性例如磨料的尺寸分布、密度和形状进行分级来实现。这可以独立完 成，或者与其他用于分级的手段(即不同垫材料的使用)共同完成。
上文所述的微米尺度的颗粒和纳米磨料可被添加到干燥的或处于合适 的液体媒介例如溶剂内的聚合物中。这些颗粒可选地具有基团例如附着在 颗粒表面上的低聚或聚合物基团，这些基团可以帮助颗粒选择性地或优选 地并入聚合物，或者如果在选择的聚合物内形成不连续的相则并入一个聚 合物相。对于两相或多相聚合物，粘合或附着在颗粒表面上的基团可与它 们优选的一个相十分类似，而与当聚合物熔体凝固时磨粒以预期的相集合 的另一个相十分不同。粘合或附着在颗粒表面上的基团还可被选择成与它 们放置在其中的聚合物不同。这可以在垫磨损暴露新颗粒时帮助磨粒从聚 合物释放。
嵌段共聚物形成自研磨垫
可使用两嵌段共聚物制成自研磨垫，其中一个嵌段用作基体而第二个 嵌段用作磨料。嵌段可以被选择成提供希望的连续相、磨料相以及不混溶 性，以便磨料相在连续相内形成。在一个实施例中，垫可以包括占较高百 分比(共连续基体，co-continuous matrix)的一个嵌段，而另一个嵌段是 不连续的。不连续嵌段可选择为使得该不连续嵌段用作将被研磨材料的磨 料。为了使第二相为磨料，可以可选地在嵌段内添加无机或金属颗粒。例 如，当嵌段共聚物形成垫时磨料可以化学地键结到嵌段共聚物的不连续相 内的一些或全部单体分子上，或者磨粒可以合并到聚合物熔体内。磨粒具 有一种或多种有助于磨粒优选地并入一个相的特性(例如表面相互作用和 热动力条件)。例如，磨粒可以被选择为使得在不连续相内的磨粒的浓度 要高于连续相内的磨粒浓度。还可以使用磨粒的混合物。在一些情况中， 发现混合物中的每种磨粒在一个相内的浓度要大于在另一个相内的浓度 (优选为不连续相，尽管颗粒也可以被选择为使得在连续相内的浓度较 高)。但是，颗粒的混合物可以被选择为使得一种或多种颗粒在不连续相 内的浓度较高，一种或多种颗粒在连续相内的浓度较高，和/或一种或多种 颗粒在两个相内大致均匀地分布。
可能不必须将磨粒合并到一个相内，因为嵌段之一本身可能就是磨料。 某种硅树脂嵌段可以并入共聚物作为低百分比材料，而碳主链可以作为高 百分比材料。当垫用于抛光时，聚合物的硅树脂部分会暴露并且用作磨料。 由硅石聚合物制成的此磨料可以被调节成其浓度类似于当前在一些技术中 用作磨粒的硅石颗粒的浓度。
合并有上述嵌入颗粒和纳米磨粒的聚合物可以是形成一个连续相的聚 合物，或者可选择地，聚合物可以是专用嵌段共聚物，其如上所述形成不 连续相。纳米颗粒可被选择为均匀分散或优选地聚集在不连续相或连续相 内，并且可如上所述使用混合物。
火焰喷涂
除了使用前文提到的制造技术之外，另外一种可用于提供抛光面的技 术是火焰喷涂技术，其用于在垫上形成聚合物涂层。这种火焰喷涂的聚合 物可具有在涂层形成时并入材料内的陶瓷或玻璃颗粒，从而可形成自研磨 面。聚合物和伴随的磨粒将被火焰喷涂在其上的垫通常是聚合物，例如没 有不连续相的聚氨酯或聚碳酸酯。如果希望的话，垫可以是具有至少一个 如上所述的不连续相的垫。在此情况下，被火焰喷涂的聚合物/磨料层首先 磨损，一旦此层被磨掉，则位于该聚合物/磨料层之下的垫将磨损。这种构 造可以用于例如磨蚀晶片上的一个层，该层尤其难以磨蚀或者具有一些其 他的与将被磨蚀的另一层不同的特性，或者当使用垫时的初始磨蚀率应不 同于稍后的磨蚀率。
VII.原位开槽的垫
CMP垫内的凹槽被认为可防止被抛光的晶片在垫表面上打滑；帮助 浆料分配到垫表面上；帮助确保足够的浆料到达晶片内部；帮助控制垫的 局部刚度和柔度以便控制抛光均匀性并使边缘效应最小化；以及提供用于 从垫表面去除抛光残余物的通道以便减少缺陷。图14a和14b示出开槽对 在垫/晶片区域周围产生的流体动力压力的影响的示意图。例如，图14a示 出使用未开槽的抛光垫时的晶片压力分布图(由沿对角线带条纹的三角形 区域指示)。图14b示出在晶片周边附近的压力如何沿凹槽释放。即，凹 槽符合在每个凹槽间距处产生的压力，并有助于沿晶片/垫区域提供均匀的 浆料分布。
通常，可使用任何合适的在CMP垫上形成原位凹槽的方法。不同于 当前的异位开槽的方法——该方法本质上主要是机械的，文中所述的原位 方法具有一些优点。例如，文中所述的原位开槽方法通常比较便宜，花费 时间较少，并且需要较少的制造步骤。另外，文中所述的方法通常在实现 复杂的凹槽设计时更有用。最后，文中所述的原位方法通常能够制造具有 更好公差(例如更好的凹槽深度等)的CMP垫。
在一种变型中，用于原位开槽的方法包括使用放置在模具内部的硅树 脂衬里。模具可以用任何适合于模塑的金属制成。例如，模具可以是金属 的，用铝、钢、超模具材料(例如，具有用于模制更精细特征的“超”光 滑边缘和“超”高公差的金属/金属合金)及其混合物等制成。模具可以是 任何合适的尺寸，并且模具的尺寸通常依赖于将要生产的CMP垫的尺寸， 例如对于20英寸的垫，模具将具有22英寸的直径并且厚度为2英寸。垫 的尺寸继而通常依赖于将被抛光的晶片的尺寸。例如，用于抛光4英寸、6 英寸、8英寸或12英寸晶片的CMP垫的示例性尺寸可分别为大约12英 寸、20英寸、24英寸或30.5英寸。
硅树脂衬里通常用硅树脂弹性体或硅树脂聚合物制成，但是可以使用 任何合适的硅树脂衬里。硅树脂衬里然后可以被模压加工或蚀刻出图案， 该图案与希望的凹槽图案或者设计互补。衬里然后可以被胶粘或者粘附在 模具上或者被保持在模具内。应指出，衬里也可在形成图案之前放置在模 具内。使用平版印刷技术将图案蚀刻到硅树脂衬里中可以帮助使凹槽的尺 寸更精确。参见例如C.Dekker，Stereolithography tooling for silicone molding，Advanced Materials & Processes，vol.161(1)，pp.59-61， Jan.2003；以及D.Smock，Modern Plastics，vol.75(4)，pp.64-65，April 1998，这些页全文并入此作为参考。例如，可获得微米到亚微米范围的凹 槽。还可以比较容易地获得在毫米范围内的大尺寸。这样，硅树脂衬里用 作“模塑图案”。但是，在一些变型中，模具可以具有互补凹槽设计。这 样，模具和衬里或者模具本身可用于生产CMP垫凹槽设计。
图15为文中所述的示例性具有硅树脂衬里的模具(200)的横截面视 图。图中示出上模具板(202)、下模具板(204)以及硅树脂衬里(206)。 硅树脂衬里(206)中具有模压或蚀刻出的图案(208)。应理解，尽管在 图15中沿上模具板(202)示出硅树脂衬里(206)，但这不是必须的。实 际上，硅树脂衬里(206)也可以粘附在下模具板(204)上或保持在下模 具板(204)内。硅树脂衬里可以使用任何合适的方法粘附或保持在模具板 中。例如，硅树脂衬里可以被胶粘、绑缚、夹紧、压配合或粘附在模具板 上或者保持在模具板中。
使用此方法，可用热塑性或热固性材料等形成CMP垫。在热塑性材 料的情况下，通常形成熔体并将该熔体注入到具有硅树脂衬里的模具内。 在热固性材料的情况下，通常将反应混合物供给到具有硅树脂衬里的模具 内。可在一个步骤，或两个步骤，或更多步骤中将反应混合物添加到模具 中。但是，不管使用哪种材料，都可通过在从模具中取出垫之前使垫材料 固化、冷却或成为固体使垫获得其最终形状。在一种变型中，材料是聚氨 酯，并且生产聚氨酯垫。例如，可将聚氨酯小球熔融并放置到具有硅树脂 衬里的模具内。具有硅树脂衬里的模具可如上所述被蚀刻出预期的垫图案。 聚氨酯可冷却，然后被从模具中取出。垫于是具有与具有硅树脂衬里的模 具的图案相对应的图案。
使用此硅树脂衬里方法生产原位凹槽具有一些潜在的优点。例如，其 可以使得模具的寿命更长，因为硅树脂衬里如果破裂或者存在任何磨损或 撕裂时可以容易地替换，并且硅树脂衬里本身通常具有很长的寿命。类似 地，与图案雕刻在其中的模具相比，从具有硅树脂衬里的模具中可更容易 地取出垫。因此，使用具有硅树脂衬里的模具制成的凹槽更精确，并且使 在取出期间对垫的损害最小化。以类似的方式，可以更好地控制和更好地 限定使用具有硅树脂衬里的模具生成的凹槽尺寸。例如，可实现非常小的 尺寸(例如，在微米到亚微米范围内的横向和水平凹槽)。在用于特定目 的如低K电介质、Cu去除、STI、SoC等的垫中，凹槽尺寸的更好控制和 更好限定尤其有利。
文中还说明了新颖的凹槽设计。这些新颖的凹槽设计基于流动显示研 究而极大地发展。这些研究可以帮助识别垫顶部的浆料的流动形态。这样， 计算凹槽希望的轨迹。图16A-16C给出了针对20英寸、24英寸和30英寸 垫的合适凹槽设计的非限制性的示例性图示。如图所示，在较小半径值处 (即接近垫的内部部分)，凹槽可以设计成具有同心圆形凹槽和重叠的直 线凹槽，该直线凹槽沿径向延伸以遵循识别的流动形态。在较大半径值处 (即接近垫的外部部分)，最初在垫的内部部分附近是直线的沿径向延伸 的凹槽可以弯曲以防止浆料流出垫，并且还增加周边附近的凹槽密度。还 可使用凹槽在抛光面上的分布来控制浆料在抛光面上的分布，例如在抛光 面上保持恒定的浆料密度。可以增加周边附近的凹槽密度以便在抛光面上 保持基本恒定的凹槽密度，这对于在垫的表面上保持均匀的抛光性能是重 要的。在如图16A所示的一些情况下，可以添加额外的没有延伸到垫内部 的径向凹槽，以便在抛光面上保持恒定的凹槽密度。典型的凹槽宽度为大 约10到大约500微米，而典型的凹槽深度为大约10到大约1000微米。
可使用任何合适的方法制造这些新颖的凹槽设计。例如，它们可使用 上述原位方法制造，或者它们可使用异位或机械方法例如激光直写或切割、 水射流切割、三维印刷、热成型和真空成型、微接触成型、热冲压或印刷 等制造。
A.激光直写(激光切割)
可使用激光直写或切割制造文中所述的新颖凹槽设计。激光切割器通 常包括面向下的激光器，其安装在机械控制的定位装置上。将材料例如塑 料的薄片放置在激光装置的工作区下方。当激光器在垫表面上方来回扫描 时，激光在激光命中表面的位置处使材料蒸发，形成小通道或腔。得到的 凹槽/切口通常是准确和精确的，并且不需要表面精加工。通常，可将任何 图案的开槽编程到激光切割器中。在J.Kim et al，Laser Applications， vol.15(4)，pp.255-260，Nov.2003中可了解更多关于激光直写的信息， 这些页全文并入此作为参考。
B.水射流切割
还可使用水射流切割来制造文中所述的新颖凹槽设计。此工艺使用加 压水射流(例如高达每平方英寸60000磅)在垫内制造凹槽。水常常与有 助于更好的公差以及好的边缘精加工的磨料例如石榴石混合。为了形成具 有希望图案的凹槽，水射流通常被预先编程(例如使用计算机)以遵循希 望的几何路径。在J.P.Duarte et al，Abrasive water jet，Rivista De Metalurgica，vol.34(2)，pp.217-219，Mar-April 1998中可发现对水射 流切割的补充说明，这些页全文并入此作为参考。
C.3-D印刷
三维印刷(或3-D印刷)是另一种可用于生产文中所述的新颖凹槽设 计的工艺。在3-D印刷中，部件按层设置。首先制成所需部件的计算机 (CAD)模型，然后分层(slicing)算法映射用于每层的信息。每一层以 散布在粉末层表面上的薄的粉末分布开始。然后，选择的粘接剂材料选择 性地接合将要形成目标处的颗粒。然后降低支承粉末层和处理中的部件 (part-in-progress)的活塞以便形成下一个粉末层。在每一层之后，重复 相同的工艺，然后进行最终热处理以制成部件。由于3-D印刷可对材料组 分、微结构和表面纹理进行局部控制，因此使用该方法可实现许多新的(并 且以前无法实现的)凹槽几何形状。在Anon et al，3-D printing speeds prototype dev.，Molding Systems，vol.56(5)，PP 40-41，1998中可找到 更多关于3-D印刷的信息，这些页全文并入此作为参考。
D.热成型和真空成型
可用于生产文中所述的新颖凹槽设计的其他工艺是热成型和真空成 型。通常，这些工艺仅对热塑性材料起作用。在热成型中，在加热之后使 用真空压力或机械压力使塑料平板与模具接触。在凹槽设计中热成型技术 通常生产具有良好公差、严格规格和清楚分明的细节的垫。实际上，热成 型的垫在质量上通常与注射成型的部件相当，有时甚至会优于注射成型的 部件，而成本要低得多。在M.Heckele et al.，Rev.on Micro Molding of Thermoplastic Polymers，J.Micromechanics and Microengineering，vol.14 (3)，pp R1-R14，Mar.2004中可找到更多关于热成型的信息，这些页 全文并入此作为参考。
真空成型通过将受热塑料真空吸引到模具上而将塑料片模制成希望的 形状。真空成型可用于模制特定厚度例如5mm的塑料。通过真空模制可 以相对容易地实现相当复杂的模制并由此获得复杂的凹槽图案。
E.微接触印刷
微接触印刷是高分辨率的印刷技术，其中可在CMP垫的顶部上模压 或印刷凹槽。这有时被称为“软平版印刷”。此方法使用弹性体印模将图 案转移到CMP垫上。此方法是一种方便、成本低且非照相平版印刷的、 用于形成和制造可用作凹槽的微结构的方法。可使用这些方法生成具有纳 米和微米(例如0.1到1微米)范围内的特征尺寸的图案和结构。
F.热冲压、印刷
热冲压也可用于生成文中所述的新颖凹槽设计。在此工艺中，可使用 硬底版(master)(例如这样的金属或其他材料的片，即其具有模压在其 中的图案，可承受高温，并且其刚性足以允许聚合物垫被压到硬底版内时 被模压出浮雕图案)对热塑性聚合物进行热模压。当聚合物被加热到粘稠 状态时，其可在压力下成形。在聚合物与印模的形状一致之后，可通过在 玻璃化转变温度以下冷却来使其硬化。可通过改变底版印模上的初始图案 来获得不同类型的开槽图案。另外，该方法允许产生纳米结构(例如，通 过制造具有纳米凸纹结构的印模)，这些纳米结构可利用热塑性材料的模 制在大表面上被重复。这种纳米结构可用于提供局部分级/开槽。
VIII.用于在CMP期间进行终点检测的成一体的光学透明窗口
提供了这样一种抛光垫以及用于制造这种抛光垫的方法，该抛光垫具 有至少一个对于用于进行终点检测的光的一个或多个波长而言足够透明的 区域。该抛光垫可在任何合适的化学机械平整化系统中与光学检测或监控 方法一起使用。不管抛光垫是如例如美国专利No.6280289(该专利并入此 作为参考)所述安装在可旋转板上、如例如美国专利No.6179709(该专利 并入此作为参考)所述是被线性驱动的片材、还是为一些其他的构造，其 都可通过本发明的方法修改以便包括允许在被抛光的衬底的表面上或附近 实施光学检测方法的透明区域。光学检测和监控方法在终点确定中是有用 的，例如如上述专利内所述的测量衬底表面反射的光。光学检测和监控方 法还可以监控在抛光垫和衬底表面之间的界面处的溶液。可以对此溶液进 行光学测量，以便例如如美国专利No.6657726内所述测量浆料层在衬底表 面和抛光垫之间的分布，该专利全文并入此作为参考。此溶液还可包含对 衬底表面释放的材料的局部浓度灵敏的发光材料，从而检测随衬底表面下 方的位置变化的发光材料所发射的光可提供衬底表面组分的分布图，该分 布图可用于确定终点。美国临时专利申请No.60/654173内说明了这样的系 统，该申请全文并入此作为参考。所有这些系统和方法都要求抛光垫的至 少一个区域足够透明，以便光从光源通过垫到达衬底表面或浆料界面，或 者使得光从衬底表面或浆料界面通过垫到达检测器，或者两者都有。
在一种情况中，新方法包括制造局部区域透明的垫的工艺。该方法包 括通过在垫制造过程期间在需要被制成透明的区域内减少或者不添加成孔 剂来充分去除孔，而优选地基本保持整个垫中的化学(聚合物)组分相同。 这种制造局部区域透明的窗口的新方法可以使得具有窗口的垫的垫寿命更 长，并且可以大大提高抛光性能。另外，可以包括补偿窗口和垫之间的特 性例如硬度的差别的方法。例如，从垫上的一区域除去微孔以充分增加光 学终点检测所需的透明度会使得孔较少的区域更硬，因此可在孔较少的区 域内使用较软的聚合物材料以便解决硬度增加的问题。此补偿使得晶片抛 光更受控制或更均匀。
另一种会影响透明度的特性是CMP垫内硬区的尺寸和密度。较大尺 寸的硬区使光散射，从而使得垫对于用于终点检测的光不太透明。因此， 需要减小垫内硬区的尺寸和数量以便获得足够的透明度用于终点检测。
可容易地执行这种“局部区域透明”的概念以便在垫制造期间形成多 个窗口(例如通过液体流延或反应注射成型)，以便为抛光平台上的多个 检测器组件的光学路径提供合适的垫。可使用这种多窗口方案提供精确的 终点检测以及被抛光晶片的瞬时表面轮廓。
在透明区域和较不透明区域方面说明了所提供的抛光垫。尽管整个垫 可以是透明的，但是这比较不合适，因为如前文所述透明区域基本缺少多 孔结构的特性。因此，垫通常在较不透明的部分内具有透明区域，该透明 区域并不局限于任何几何形状。例如，在圆形垫内可使用多种几何形状。 图17是较不透明区域内的透明区域的可能几何形状的非限制性示例的示 意图，其中透明区域可以是圆柱形(102)、矩形(104)或环形(106)。 此外，对于正方形或矩形窗口，可以改变窗口的方向。还可以存在其他构 造，例如如图18所示的具有较不透明凹槽的透明的底部垫。在部分VII 内说明了凹槽的形成。图19和20示出其中窗口的厚度与垫剩余部分相同 或者小于垫剩余部分的示例。透明区域可以具有任何尺寸和形状，并且总 透明面积可为直至总垫面积的100％的任何值，并且通常小于总的较不透 明面积，即大约小于总面积的50％。在一些情况下，总透明面积为总面积 的大约小于40％、大约小于30％、大约小于20％、大约小于10％或大约 小于5％。抛光垫可具有多个透明区域，其中所有透明区域的总面积通常 小于较不透明区域的总面积。通常一个连续的较不透明的区域内具有一个 或多个透明区域，尽管一个或多个透明区域可将垫分成两个或多个较不透 明的区域。
透明区域是垫的对于希望波长的光足够透明的区域或部分。如果光以 足够允许进行需要的文中所述光学监控或检测的量透射通过垫区域，则该 区域足够透明。透明区域不需要完全透明，并且发生一些入射光的散射或 吸收是可以接受的。优选地，该区域传导宽波长范围的光，尽管透射可以 随希望范围中的波长而改变。当希望时，该区域还可以仅传导单个波长。 包含一定范围波长的光不需要在全部波长下透射，而是仅透射需要的光以 便使用合适的光学检测方法。因而，透明区域对于从紫外线到红外线的一 些或所有波长是足够透明的。例如，透明区域对于在100到1000nm、大 约200到800nm或者大约250到750nm范围内的一些或全部波长是足够 透明的，在一个方面，足够透明是指给定波长的光的至少大约20％、至少 大约50％或至少大约75％透射通过该区域。
透明区域包含适当地透明的聚合物，其中该区域的孔隙率很低。孔使 光线散射，因此如果孔密度过高，则大量光将被散射，该区域不足够透明。 垫的剩余部分比较不透明，并且可充分地传导可用于光学终点检测的光。 剩余部分比较不透明，因为其孔密度使得孔散射入射光从而使得该区域较 不透明。在一种情况中，较不透明部分的空隙率很大，或者具有大量微孔， 使得其传导由透明区域传导的光的小于大约20％、小于大约10％、小于大 约5％或者小于大约1％。在较不透明部分上孔密度可以改变，从而垫的较 不透明部分的不同区域可阻挡不同量的光，但是如文中所述的，所有区域 由于孔隙率而阻挡足够的光。
下面的示例说明了新抛光垫的一些示例以及制造这种垫的方法。
示例1：用于形成带窗口的垫的工艺
可使用原位窗口成形制造工艺。该制造工艺设计成使得在混合之前或 在混合期间连续地分别添加下列产品流中的每一个：固化剂、二醇、预聚 物和微球。这在图21内示意性地示出。使用这种制造工艺，可容易地控制 每个所需的原料流以便传输希望量的固化剂、二醇、预聚物和微球。
尽管此工艺提供了很大的可调节性和灵活性，但是使用这种制造工艺 能够实现的其他目标之一是原位形成窗口。在制造过程期间，需要被填充 以制造垫的模具的每个部分均可由插入喷嘴以预定速度横穿。为了使某一 局部区域实现透明，当进料器横穿该特定区域时，微球流可被切断或者降 低流速。因为由通过固化剂、二醇(或胺)和预聚物的反应形成的聚氨酯 组成的固有聚合物基体是透明的，所以可实现透明性。垫的不透明性是由 于在无窗口区域中引入微球导致的。
尽管没有微球可以在整个垫内实现透明，但是这种透明垫可能不具有 用于抛光目的所需的柔性。没有微球可使得硬度增加大约5-10shore D。 因此，优选地出于终点检测目的使局部区域透明，然后为垫生成补偿分级 方案以便消除由于透明区域内的硬度变化导致的任何负面影响。图22中示 出这种垫的示例。利用预定的分级方案可非常有效地实现这种补偿分级。 这种分级方案可通过此示例内所述的制造工艺中允许的可调节性实现。例 如，可以通过添加较软的材料调节透明区域内的硬度。如果需要的话，这 种制造工艺还可用于制造多于一个的窗口。
示例2：具有对可见光透明的窗口的抛光垫的性质
作为示例，本配方被指定用于制造用于对晶片进行抛光的具有尺寸为 0.75×2.25英寸的窗口的分级CMP聚氨酯垫。制成具有预定硬度、孔尺 寸和孔隙率的聚氨酯抛光垫。垫的硬度为从大约65D到75D，并且对于孔 尺寸35-55μm，孔密度分别为垫材料的大约25％到15％。垫的硬度值通 常为45D-75D(肖氏硬度范围)，并且在一种情况下对于窗口优选为大约 70D。为了使用市场上可买到的CMP设备实现希望的光学终点检测目标， 垫窗口优选地对于可见光是透明的，因为在这样的检测方案中使用可见光。 图23示出完全透明的垫。
CMP用定制垫(该垫可通过部分I内所述的工艺和材料制成)的在部 分II-VIII内所述的特性方面可以组合，以实现希望的垫特性。表10列出 在部分H-VIII内所述的特性。
表10：在部分II-VIII内所述的垫特性
  编号   特性   1   孔隙率受控的垫   2   功能分级垫   3   低剪切力垫   4   亚表面被工程设计的垫   5   原位开槽的垫   6   嵌入磨料垫   7   具有用于光学终点检测的透明窗口的垫
除了在部分I内所述的聚合物配方之外，表10内列出的特性可组合以 便形成具有受控的微结构以及表10内列出的附加特性的定制垫。可与受控 的微结构结合的特性的组合如下(数字代表表10内的特性)：1，2，3，4， 5，6，7，1&2，1&3，1&4，1&5，1&6，1&7，2&3，2&4，2&5，2&6， 2&7，3&4，3&5，3&6，3&7，4&5，4&6，4&7，5&6，6&7，1&2&3， 1&2&4，1&2&5，1&2&6，1&2&7，1&3&4，1&3&5，1&3&6，1&3&7， 1&4&5，1&4&6，1&4&7，1&5&6，1&5&7，1&6&7，2&3&4，2&3&5， 2&3&6，2&3&7，2&4&5，2&4&6，2&4&7，2&5&6，2&5&7，3&4&5， 3&5&6，3&5&7，3&6&7，4&5&6，4&5&7，4&6&7，5&6&7，1&2&3&4， 1&2&3&5，1&2&3&6，1&2&3&7，1&2&4&5，1&2&4&6，1&2&4&7， 1&2&5&6，1&2&5&7，1&2&6&7，1&3&4&5，1&3&4&6，1&3&4&7， 1&3&5&6，1&3&5&7，1&3&6&7，1&4&5&6，1&4&5&7，1&4&6&7， 1&5&6&7，2&3&4&5，2&3&4&6，2&3&4&7，2&3&5&6，2&3&5&7， 2&3&6&7，2&4&5&6，2&4&5&7，2&4&6&7，2&5&6&7，3&4&5&6， 3&4&5&7，3&4&6&7，3&5&6&7，4&5&6&7，1&2&3&4&5， 1&2&3&4&6，1&2&3&4&7，1&2&3&5&6，1&2&3&5&7，1&2&3&6&7， 1&2&4&5&6，1&2&4&5&7，1&2&4&6&7，1&2&5&6&7，1&3&4&5&6， 1&3&4&5&7，1&3&4&6&7，1&3&5&6&7，1&4&5&6&7，2&3&4&5&6， 2&3&4&5&7，2&3&4&6&7，2&3&5&6&7，2&4&5&6&7，3&4&5&6&7， 1&2&3&4&5&6，1&2&3&4&5&7，1&2&3&4&6&7，1&2&3&5&6&7， 1&2&4&5&6&7，1&3&4&5&6&7，2&3&4&5&6&7，1&2&3&4&5&6&7。
IX.定制方法
垫的定制可以基于希望的垫特性进行。例如，可通过使用较高程度的 交联、使用基于TDI而不是MDI的系统以及使用较短的多元醇和聚胺链 制造氨基甲酸乙酯硬垫。可使用聚醚多醇并通过减小硬链段的尺寸而增加 硬链段的数量来制造具有较低玻璃化转变温度的垫。可使用聚酯多醇制造 抗撕强度提高的垫。可通过增加硬链段的数量、不允许较短的软链段发生 相分离、减小孔尺寸、使用具有较低芳香特性的多元醇并且使分子具有线 性(即化学定量关系大致为线性)来制造透明垫。可通过添加亲水且分子 量低的多元醇制造亲水垫。
A.根据将被抛光的材料定制垫的方法
通过在抛光垫的聚合物材料中添加嵌入磨料例如SiO2颗粒可实现对 氧化物例如SiO2抛光。
铜抛光涉及一三步骤工艺。图24是铜抛光工艺的示意图。第一步是大 量铜的去除。第二步是除去需要低COF的低K阻挡层。最后，第三步是 除去钽/氮化钽阻挡层。通常，对于各个步骤使用三种不同的垫。对于一些 如文中所述的Neopad垫，可实现单垫功能性(即单个垫可用于所有三个 步骤)。这可通过添加固体润滑剂例如氮化硼和/或并使用低剪切 力一体式垫实现。低剪切力一体式垫和包含固体润滑剂例如氮化硼或 ——其可为用于铜抛光的固体润滑剂——的垫允许较低的COF， 这是铜抛光工艺所需要的。
可通过添加嵌入磨料例如二氧化铈以及使用低剪切力一体式垫对STI (氮化物和氧化物堆叠结构)进行抛光。二氧化铈使得抛光工艺具有选择 性，因为二氧化铈可以选择性地抛光氮化物。低剪切力一体式垫内的界面 允许较低的COF。还可以使用磨料的功能分级来抛光STI。
可压缩性高于用于抛光氧化物的垫的较软的垫可用于抛光钨，钨是软 的脆性材料。垫硬度的降低可通过使用软聚合物例如使用较长链多元醇材 料制造的聚合物、并通过增加垫内的孔隙率实现。
非常脆且需要低去除速率的光学材料需要这样的方法例如具有非常低 的COF的微量或群(cluster)抛光。这可通过添加固体润滑剂和/或使用 具有多个界面的低剪切力一体式垫实现。
如同光学材料的情况，衬底内存在的非常脆且需要低去除速率的应变 硅、vertical gates、FinFet结构或SOI需要这样的方法例如具有非常低的 COF的微量或群抛光。这可通过添加固体润滑剂和/或使用具有多个界面 的低剪切力一体式垫实现。
如果存在SoC，则可通过添加固体润滑剂例如氮化硼或并使 用低剪切力一体式垫来实现抛光。如果存在大的图案密度则需要功能分级。
B.根据将被抛光的IC特性定制垫的方法
对于衬底上的大于70％的高IC图案密度，需要对垫特性例如长程有 序、孔尺寸和分布进行较严格的控制。对这些特性的较严格控制可通过控 制垫制造工艺——例如控制制造工艺期间温度的均匀性并且具有聚合物原 材料的均质混合物——来实现。
对于衬底上的高IC图案密度范围，需要对垫进行功能分级以适应密 度范围。对于高图案密度范围，例如衬底的大约50％-100％，可使用分别 如图7和10示意性示出的连续或不连续径向对称功能分级。对于更高的图 案密度范围，例如衬底的大约80％-100％，可使用如图9示意性示出的非 径向对称的分级以实现垫特性在抛光面上的更加定制的分布。
对于较小的IC线宽，需要垫具有较小的COF。这可以通过添加固体 润滑剂和/或使用低剪切力一体式垫来实现。
芯片尺寸可决定所需的CMP垫特性。对于大的芯片例如SoC芯片， 功能分级对于高芯片产量是重要的。
技术节点例如晶体管和金属线的尺寸可决定所需的抛光垫特性。对于 低于90nm的小技术节点，在垫材料内使用固体润滑剂以及使用低剪切力 一体式垫是重要的，因为它们提供了低COF。低COF是重要的，因为结 构越小，则在抛光期间它们破裂的可能性就越大，因此需要低COF。一些 Neopad的垫可以设计成在90nm和更高的所有技术节点以及例如65nm、 45nm、32nm和更小的技术节点处实现非常均匀的抛光性能。
C.CMP用定制垫的特性
垫的热特性(温度瞬态效应)
在抛光操作期间的温度瞬态效应会影响抛光性能。温度瞬态效应依赖 于多个变量，它们包括浆料流速以及垫的损耗模量(E″)和储能模量 (E′)。较小的温度瞬态效应是理想的，因为抛光温度的波动会导致去 除速率变化，从而影响抛光速率和工艺的均匀性。例如，已示出抛光温度 改变2℃会导致去除速率变化大约20％。在本发明中，开发出新方法以便 降低抛光期间的温度瞬态效应。通过保持硬区的类型、尺寸和密度在垫的 聚合物基体内均匀分布，具有高的E′和E″值，具有小的储能模量损失 ΔE′(20℃-40℃)——其应该大约小于20％，较小的tanδ值，并减小 硬区的尺寸和增加硬区的密度(可导致E′和E″值增加)，就可保持低 的温度瞬态效应。
Neopad的新颖定制垫的瞬态热效应在3℃以内(最大值)，而商用垫 的瞬态热效应大于10℃。图25示出三个定制的Neopad垫和两个商用垫 的温度随pxV的变化。
DMA/TMA特性
垫的热-机械特性对于CMP垫的抛光性能是重要的。关键特性是玻璃 化转变温度(Tg)、损耗模量(E″)、储能模量(E′)、tanδ(E″/E ′)、KEL(tanδ＊1012(E′(1+tan2δ)))、表面张力、可压缩性和 上述瞬态热效应。为了实现均匀和改进的抛光，需要较低的玻璃化转变温 度。较高的E″和E′值是需要的，因为它们能导致抛光性能提高。较高 的E″和E′值可通过减小CMP垫内的硬区的尺寸以及增加硬区的密 度来实现。此外，在抛光温度范围内需要较低的tanδ值，因为较低的值 可导致较低的温度瞬态效应。
表1内示出DMA/TMA特性。与商用垫的小于300MPa相比，Neopad 的新颖定制垫的储能模量(E′)大于大约400MPa。与商用垫的小于 250MPa相比，Neopad的新颖定制垫的损耗模量(E″)大于大约250MPa。 与商用垫的Tg大于-20℃相比，新颖垫的Tg低于大约-30℃。较低的Tg是 希望的，因为当Tg远离工作温度时，温度对垫特性的影响减小。在Tg处 或接近Tg，聚合物特性发生巨大变化并且具有大的温度依赖性。
此外，储能模量随温度的改变(ΔE′)减小是重要的。较低的值意 味着聚合物特性的改变最小(即，材料特性保持相同，显然此特性是希望 的)。如表11所示，与商用垫(30％以及更高)相比，Neopad垫在40℃ 和20℃之间的储能模量变化较小(19％)。储能模量的减小可通过在垫的 聚合物基体内保持硬区的类型、尺寸和密度的均匀分布实现。
表11：垫特性
  特性   典型值(Neopad)   典型值(商用)   储能模量20℃(E′) ＞400MPa，通常＞700Mpa   ＜300MPa   损耗模量20℃(E″) ＞250MPa，通常＞400Mpa   ＜250MPa   tanδ20℃(E″/E′) 0.4-0.8，通常＜.7   ＞1.0   ΔE′(％)(40℃-20℃) ＜20％，通常＜15％   ＞50％   Tg(℃) ＜-30℃，通常＜-35℃   ＞-20℃
  KEL(1/Pa) ＜100   100-1000   瞬态热效应(℃) ＜5℃，通常2-3℃   ＞15℃   表面张力 ＜25mN/m   ＞34mN/m   可压缩性 ＜1％   1-5％
表内示出的其他特性包括tanδ——对于Neopad垫其通常小于大 约.7而对于商用垫其大于1，KEL(tanδ＊1012(E′(1+tan2δ)))— —对于Neopad垫其小于大约100(1/Pa)而对于商用垫为100-1000，表面 张力——对于Neopad垫其小于大约25mN/m而对于商用垫其大于 34mN/m，以及可压缩性——对于Neopad垫其小于大约1％而对于商用垫 在1％-5％的范围内。表12示出希望的抛光垫的特性。
表12：希望的垫特性
  垫定制的目的   实现途径   均匀的去除速率(即通过最小的   Kp背离实现Prestonian行为)   a.在垫的聚合物基体内硬区的类型、尺   寸和密度均匀分布   b.具有低温度瞬态效应   c.抛光面上均匀的粗糙度尺寸和分布   d.抛光面上均匀的凹槽密度   e.垫的功能分级   f.聚合物原材料的较紧密的分子量分   布和均匀性   g.较高的E′和E″值(可通过调节聚   氨酯/聚脲比率实现)   在边界润滑状况下摩擦系数稳定   并延伸边界润滑状况(调整斯特   里贝克曲线)   a.在垫的聚合物基体内硬区的类型、尺   寸和密度均匀分布   b.具有低温度瞬态效应   c.抛光面上均匀的粗糙度尺寸和分布
  d.垫的功能分级   e.较高的E′(＞400Mpa)和E″   (＞250Mpa)值   f.各聚合物原材料的较紧密的分子量   分布和均匀性   低摩擦系数(COF)   a.在聚合物材料内加入固体润滑剂   b.低剪切力一体式垫   低温度瞬态效应   a.在垫的聚合物基体内硬区的类型、尺   寸和密度均匀分布   b.高E′和E″   c.储能模量损失(ΔE′)应较小   (＜20％)   d.垫内硬区的尺寸减小而密度增加(可   导致E′和E″值增加)   在抛光期间低浆料流速   a.在垫的聚合物基体内硬区的类型、尺   寸和密度均匀分布   b.孔形状例如为椭圆形孔   c.整个垫内的凹槽密度基本恒定   粗糙度的尺寸和分布均匀   a.在垫的聚合物基体内硬区的类型、尺   寸和密度均匀分布   b.预聚物链长度和分子量的紧密分布   c.孔尺寸和形状均匀分布   外缘产量增加   a.垫材料在抛光面上的径向对称功能   分级   缺陷性   a.垫的聚合物基体内硬区的类型、尺寸   和密度均匀分布   b.使用低剪切力一体式垫   c.高的E′和E″值(碟形凹陷和侵蚀
  量减小)   d.恒定的COF   e.添加固体润滑剂   平整化效率   a.垫的聚合物基体内硬区的类型、尺寸   和密度均匀分布   b.低可压缩性   c.垫中聚合物材料和/或嵌入磨料的功   能分级   d.较高的E′和E″值   局部区域透明   a.不应发生相位分离，具有较短的软链   b.小的硬区   c.孔尺寸减小或从窗口区域去除孔   d.使用的聚合物内具有较少的芳香特   性，因为芳香族材料会导致光散射   垫磨合   a.控制表皮厚度(＜2μm)   增加垫寿命   a.垫的聚合物基体内硬区的类型、尺寸   和密度均匀分布   b.较高的E′和E″值   阶梯高度控制(氧化物)   a.垫的聚合物基体内硬区的类型、尺寸   和密度均匀分布   b.较高的E′和E″值   c.垫内孔的尺寸和形状均匀分布
还可以使用定制来说明抛光工艺期间使用的浆料类型。根据所使用的 浆料，可以调节垫的表面张力以适应浆料的润湿性和粘性。适应润湿性可 通过使用更易于与使用的浆料类型混溶的聚合物材料实现。粘性浆料需要 具有更大的浆料保持力的垫和较软的垫。
在其上进行抛光的设备平台也会影响定制。不同的设备平台(即 AMAT、Ebara)使得垫的不同区域在晶片的不同区域暴露不同的时间量。 可以使用功能分级来适应由不同设备平台导致的具有较高和较低压力的不 同区域。还可以调节垫的尺寸以适应不同的设备平台。
X.示例性的垫性能
下面将说明非限制性的示例性制造方法以及对象垫与市场上可买到的 垫在CMP性能的一些关键方面的比较。
示例1：
设计用于抛光氧化物的定制垫A包含硬度为70D的氨基甲酸乙酯。垫 使用液体流延模制，并使用前文所述的方法配制。在组分中，70D的异氰 酸酯、多元醇增链剂、固化剂、用于UV保护的稳定剂以及成孔剂用于垫 制造。在大约150-160°F下进行灌注。在灌注之后，材料沉淀并固化大约 15分钟。然后，从模具中取出垫并且将其在烤炉内放置大约12个小时以 便在大约100°F-200°F的均匀温度下后固化。垫的厚度为80mil(密耳)而 垫的直径为20英寸。在背部粘附双面胶带以使垫准备进行抛光。定制垫B 在成形方面类似于定制垫A，但是硬度较低为大约65D。
给出了上述两个对象垫(图26a和26b)以及两个市场上可买到的垫 (图26c-26d)的Prestonian图示。在夹层电介质层的抛光期间，可获得 随变化的压力和速度变化的RR数据。如前文提到的，对于理想的 Prestonian行为预期为直线关系。比较对象垫(图26a和26b)与市场上 可买到的垫(图26c和26d)的图示，可发现与对象垫相比，市场上可买 到的垫没有显示出高度线性。对象垫和市场上可买到的垫之间的主要区别 是对象垫是以经由前文所述制造方法控制孔的尺寸、密度和形状的方式制 成的。
图27a-27d中示出定制垫的两个示例与两个市场上可买到的垫的斯特 里贝克曲线之间的比较。如前文所述，可在希望的边界润滑状况中获得恒 定的关系。对于定制垫，从这些图中可以看到获得了非常均匀的边界润滑 行为。相比较，市场上可买到的垫(图27c-27d)显示背离理想边界润滑 行为。如上文在说明Prestonian图示的数据时提到的，对象垫和市场上可 买到的垫之间的主要区别是对象垫是以控制这些垫的孔隙率的方式制成 的。
示例2：
用于抛光氧化物的垫以与示例1中所述方式类似的方式制造。另外， 垫已被功能分级以提高抛光性能。在图28-32中，使用形成图案的晶片比 较Neopad定制垫的平整化效率以及平整化长度。图28A示出管芯测量平 面图，其中每个晶片测量选择9个管芯。图28B示出每个管芯内的结构单 元。结果在图29和31中示出，这两个图比较了商用垫和Neopad定制垫 在三个抛光时间(30s、60s和120s)中一个管芯内氧化物厚度随布局图案 密度的变化。图29和31中的全局轴线是用于作为压力和速度的函数完成 的抛光。选择管芯2，因为其位于晶片中间，可感受得到来自垫的外缘以 及垫的内缘的影响。对于商用垫斜率为大约0.5-0.6而对于Neopad定制垫 斜率为大约0.2-0.3，这表明Neopad垫具有较大的平整化长度。通过比较 图29和31——这两个图中比较了所有管芯的随布局图案密度变化的氧化 物厚度，可见Neopad定制分级垫的平整化长度(图32)同样远大于商用 垫(图30)，如Neopad垫的线的较小斜率反映出的那样。
示例3：
制造了三种垫用于铜CMP。所有三种新颖垫都具有新颖的微结构， 沿径向分级，可在氮化硼作为固体润滑剂的情况下亚表面被工程设计，并 且可以是低剪切力一体式垫。三种新颖垫为：1)表面被工程设计的垫(新 颖垫A)，2)低剪切力垫(新颖垫B)以及3)低剪切力、表面被工程设 计的垫(新颖垫C)。
另外，使用x射线衍射(XRD)分析经受性能试验的晶片内的铜线， 并将其与未经处理的晶片比较以监控铜是否由于应力而发生巨大变化。
在图33中示出XRD数据。在使用五个实验用垫——(商用垫A和B) 和新颖垫(A、B和C)——中的每一个垫抛光的晶片上执行晶格常数测 量，并与从未被抛光的晶片获得的测量数据进行比较。未被抛光的铜膜的 晶格常数为并排示出使用Fujimi浆料和Cabot浆料抛光的晶片 的测得的晶格常数。所有XRD实验的测量误差范围为大约。为 了比较实验误差，在整个图中用阴影矩形标注未被抛光的薄膜的误差范围。
对于两种浆料，所测得的使用商用垫抛光的铜膜的晶格常数值远高于 所测得的未抛光薄膜的晶格常数。移动方向指示拉伸应力。测得的使用新 颖垫抛光的薄膜的晶格常数值低于使用商用垫抛光的薄膜内获得的晶格常 数值。对于使用新颖垫A(表面被工程设计的垫)抛光的薄膜，测得的晶 格常数值小于(两种浆料)。对于使用新颖垫B抛光的薄膜可以 获得类似的结果。对于使用新颖垫C(低剪切力且表面被工程设计的垫) 抛光的薄膜，在使用Fujimi浆料的情况下测得的晶格常数与 未被抛光的薄膜的晶格常数值匹配，因此表明是无应力抛光。当Cabot浆 料与新颖垫C一起使用时，被抛光薄膜的晶格常数的测量值为 对于Cabot浆料，比较使用新颖垫C抛光的薄膜与使用新颖垫A/新颖垫B 抛光的薄膜的晶格常数结果表明，表面工程设计的效果与使用低剪切力一 体式垫的效果没有直接叠加。但是，制造表面被工程设计的垫和低剪切力 垫的设计技术可以独立地降低铜CMP中工艺诱导的应力。此外，这些技 术在单独用于设计垫或者以协作方式设计垫时可以消除工艺诱导的应力。
在图34中，比较未被处理的晶片(BULK)、使用市场上可买到的垫 A和B、低剪切力一体式垫(新颖垫A)、低剪切力一体式垫与具有固体 润滑剂的垫结合(新颖垫B)和具有固体润滑剂且不是低剪切力一体式垫 的垫(新颖垫C)处理的晶片的由XRD数据生成的晶格常数值。给出针 对市场上可买到的浆料A(Fujimi)和市场上可买到的浆料B(cabot)的 数据。晶格常数是表示晶体排列中的原子之间的平均距离的基本特性。如 果材料在原子或分子水平被根本改变，则可以检测到晶格常数的改变。从 晶格常数数据可以清楚地看到，使用对象定制垫处理的晶片内的铜与未被 处理的晶片内的铜具有可比性，这表明使用对象定制的亚表面被工程设计 的垫处理的晶片内的铜没有发生显著改变。相反，使用市场上可买到的垫 A和B处理的晶片与对照例晶片的比较不能令人满意，这表明使用市场上 可买到的垫处理的晶片内的铜发生材料变化。
在图34中，比较未被处理的晶片(BULK)、使用市场上可买到的垫 A和B、以及新颖垫A、新颖垫B和新颖垫C处理的晶片的在222尖峰的 最大高度的一半处的总宽度(FWHM)。图34中使用的是市场上可买到 的浆料A和浆料B。已知如果抛光工艺在铜上引起不均匀的应变，则尖峰 缩窄或扩宽，因此FWHM指示在抛光工艺期间铜是否经受不均匀的应变。 在图34内可见，在减轻铜内的不均匀应变方面，不管浆料的类型如何，与 固体润滑剂结合的低剪切力定制垫(新颖垫B)和具有固体润滑剂但不是 低剪切力一体式垫的垫(新颖垫C)相比非常好。
在图36中，比较两个用于铜CMP的具有固体润滑剂但不是低剪切力 一体式垫的对象垫的斯特里贝克曲线以及Prestonian图示。这两个对象垫 之间的区别在于氮化硼的量。第一个垫内包括按重量计算5％的氮化硼， 而在第二个垫内包括按重量计算8％的氮化硼。在斯特里贝克曲线中，清 楚地示出两个垫都在边界润滑状况下操作，并且在图中看来是等同的。但 是，在Prestonian图示中，具有8％固体润滑剂的垫的RR远大于具有5％ 固体润滑剂的垫。这清楚地展示了在垫的亚表面内添加固体润滑剂如何增 加去除速率同时保持低摩擦系数。连同证明没有对晶片内的铜结构造成严 重损害的XRD数据一起，这展现了文中所述的对象垫的所希望的特征。 这些特征包括低剪切力、高去除速率、允许铜CMP的有效处理、没有对 晶片内的铜结构造成不希望的应力诱发的损害。
在图37中，示出了垫磨合的定量分析，其比较了商用垫A和新颖垫 C。监控随时间变化的归一化的去除速率。商用垫A经过大约30分钟实现 稳态。与之比较，新颖垫C经过少得多的时间(大约10-15分钟)实现稳 态。此结果直接归因于垫的微结构。据认为，均匀且大量的硬嵌段允许形 成大小一致的微贮液器。这些微贮液器在比较短的时间间隔内形成，并且 一旦形成就能够连续供给浆料。
针对三个浆料流速：40cc/分钟、60cc/分钟和80cc/分钟(Cabot浆料) 对商用垫A和新颖垫C进行时间过程稳定性分析。所研究的参数为在单个 晶片上运行150秒内的去除速率(图38(a))和COF(图38(b))。 商用垫A的去除速率随时间发生很大变化。特别地，在最低浆料流速(40cc/ 分钟)时变化超过2.5倍。新颖垫C的去除速率的变化要小得多。尽管对 于40cc/分钟的浆料流速变化大约为2倍，但是对于较高的浆料流速去除速 率的变化最小。COF测量(图38(b))表明，商用垫A的COF的变化 (0.5-0.8)要比从新颖垫C获得的COF值(0.5-0.65)大得多。新颖垫C 的一致的摩擦特性和均匀的去除速率是具有亚表面被工程设计的固体润滑 剂的垫的特性。
在图39中，示出两个市场上可买到的垫A和垫B以及新颖垫C的斯 特里贝克曲线。对于新颖垫C，可以观察到均匀的润滑行为，这表明其在 希望的边界润滑状况下操作。与之比较，两个市场上可买到的垫A和垫B 的斯特里贝克曲线没有显示出希望的边界润滑状况下的性能所期望的线性 趋势。用于生成图38中所示数据的对象定制垫和市场上可买到的垫之间的 主要区别在于孔尺寸的均匀性的差别，以及在垫的亚表面区域内固体润滑 剂的添加。垫特性与固体润滑剂的结合提供了更小且更均匀的COF，如斯 特里贝克曲线内示出的，这提供了令人满意的结果。
在图40中，示出了使用商用浆料(JSR浆料)的商用垫A和新颖垫 C在具有854掩膜图案的铜晶片上的大量铜抛光结果。通过碟形凹陷和侵 蚀的定量分析研究管芯内部均匀性(within die uniformity)。为了理解总 体影响，针对中心管芯、环形管芯和边缘管芯进行测量。在图39(a)中， 给出掩膜组的100μm线结构的铜碟形凹陷结果。进行两组测量：20％过 抛光的晶片和60％过抛光的另一个晶片。使用商用垫C获得的20％过抛 光晶片的碟形凹陷量对于所有三个管芯均超过。相反，使用新颖垫 A获得的结果显示对于20％过抛光晶片所有管芯上的碟形凹陷量少得多 ，这表明非常好的管芯内部均匀性。新颖垫的非常好的碟形凹 陷性能要直接归因于垫的微结构。此外，比较使用新颖垫C抛光的20％过 抛光晶片的三个管芯的碟形凹陷量，可以观察到管芯到管芯的变化非常小 。该改进的中心-边缘性能是垫的径向对称功能分级的结果，在 该垫中垫的外环比内部部分软。对于具有60％过抛光的晶片上的碟形凹陷 量获得类似的比较结果。在图40(b)中，给出了针对掩膜组内的9/1μm 特征的侵蚀结果。对于商用垫A，得到的侵蚀量(20％过抛光晶片) 远高于新颖垫C的侵蚀量。60％过抛光晶片的侵蚀量也显 示出类似的比较趋势。
在表13中，一些重要的平整化参数包括碟形凹陷、侵蚀和平整化效率 的比较趋势表明新颖垫C的性能要优于商用垫A。除了研究大量抛光之外， 还将新颖垫C获得的阻挡层抛光参数与商用垫C相比较。商用垫C是钽 阻挡层抛光的工业标准。结果表明对于所有重要的平整化参数新颖垫C的 性能都远远优于商用垫C。这些结果表明新颖垫可以用于大量抛光以及阻 挡层抛光，因此可以实现单垫功能性。
表13数据总结(1)用于大量铜抛光(平台P1)的新颖垫C和商用 垫A；(2)用于阻挡层抛光(平台P3)的新颖垫C和商用垫C(Politex)
  度量   新颖垫C   商用垫A   度量  新颖垫C   商用垫C   P1 RR   ～5500   ～6000   P3Cu RR   0   ～100   P1 WIWNU   2.5％   ～5％   P3Ta RR   350   ～500   P1 DCO柱   (Post)   ～110   ～1100   P3TEOS RR   365   ～700   P1 DWO柱   ～100   ～1000   P3DCO柱   698   5411   P1 DNO柱   ～35   ～600   P3DWO柱   502   5347   平整化效率   87％   80％   P3DNO柱   266   3016   100μm碟形   凹陷   ～270   ～500   100μm碟形   凹陷＊   137   ～250   10μm碟形   凹陷   ～75   ～250   10μm碟形   凹陷＊   44   ～250   90％侵蚀   ～25   ～275   90％侵蚀＊   108   ～300
＊post barrier
此外，可使用以下等式得到薄膜内累积的应力(σacc)的定量量度：
σacc＝E/(1-v)ε                  (4)
其中E＝弹性模量，
v＝泊松比，
ε＝晶格应变。
在等式4中，作为晶格常数基于基准值的单位变化计算晶格应变。在 此计算中，未被抛光的薄膜晶格常数用作基准。结合铜的弹性模量 (E＝120Mpa)和泊松比(v＝0.34)使用等式4计算累积应力(σacc)，可 得到从大约25Mpa到大约50Mpa的范围。对于使用新颖垫抛光的薄膜， 累积应力大大降低，并且对于使用低剪切力的表面被工程设计的垫抛光的 薄膜可获得最低的值(σacc＜～2MPa)。此外，针对商用垫测量的累积应力 的幅度高(σacc＞25MPa)，并且会影响铜膜的机械完整性以及电特性。
表14中示出用于铜CMP的垫的DMA特性。如接触角所确定的， Neopad定制垫在20℃和40℃下均具有较大的损耗和储能模量，在20℃到 40℃之间储能模量具有非常小的变化，具有较低的玻璃化转变温度和较大 的润湿性。
表14：铜CMP DMA特性
  垫   储能模量   (20℃)   储能模量   (40℃)   储能模量   的衰减   玻璃化转   变温度   接触角   Neopad   666Mpa   540Mpa   19％   -32.5℃   80°   IC1010   296MPa   210MPa   30％   -18.5℃   85°   JSR   875MPa   127MPa   86％   25.0℃   N/A
示例4：
将用于STI抛光的具有固体润滑剂且不是低剪切力一体式垫的亚表面 被工程设计的垫、两层一体式垫、以及与两层一体式垫结合的具有固体润 滑剂的亚表面被工程设计的垫与市场上可买到的单层垫相比较。两个两层 一体式垫均具有一个用作应力吸收器的界面。在比较中使用两种市场上可 买到的浆料：浆料A(图41a-c)和浆料B(图42a-c)。针对图40a和 40b、图41a和41b中所示的STI抛光步骤比较这些结果，其示出作为RR 指示器的Preston常数与COF关系的比较。比较是针对氧化物(图41a和 42a)以及氮化物(41b和42b)做出的，并且比较两个垫的选择性(图41c 和42c)。
在图40A中，使用浆料A，示出对于氧化物抛光，三个定制垫的COF 接近传统垫的COF的一半而去除速率保持在大约相同的水平。类似地， 在示出氮化物处理结果的图42b中，定制垫的COF比单层垫小大约33％， 而每个垫的去除速率大致相同。图41c示出定制垫的选择性与传统垫相当。
类似地，在图42a和42b中，使用浆料B，示出使用定制垫的氧化物 和氮化物抛光的COF比传统垫小大约20％，而RR相当。图42c示出定 制垫的选择性与传统垫相当。
这些结果给出了制造且试验的对象一体式垫的示例，其具有至少一个 用作减小COF的应力吸收器的界面，同时保持希望的RR。
上文公开了可以结合到下列各种器件和方法的示例中的各种特征，这 些示例当然是对本公开的补充而不是限制本发明的范围：
1.一种包括用于抛光衬底的单一式抛光垫的制品，所述抛光垫包含这 样的聚合物，即该聚合物在垫的第一和第二区域具有不同的特性，与在相 同操作条件下的比较单一式垫相比，所述垫能够使所述衬底的平整性或产 量提高，该比较单一式垫在与所述单一式抛光垫的所述不同区域相对应的 区域内是均匀的，而在其他方面与所述单一式抛光垫相同。
2.根据段落1的制品，其中所述特性是孔隙率。
3.根据段落2的制品，其中所述聚合物具有在第三和第四区域内不同 的第二特性，所述第二特性是硬度。
4.根据段落3的制品，其中所述第一和第三区域是相同区域，所述第 二和第四区域是相同区域。
5.根据段落1的制品，其中所述特性是硬度。
6.根据段落5的制品，其中所述垫具有圆形轮廓和旋转轴线，其中第 一区域具有围绕该旋转轴线的圆形轮廓，第二区域具有环形轮廓并且与第 一区域相邻，并且第一区域的硬度大于第二区域的硬度。
7.根据段落6的制品，其中第一区域和第二区域的硬度差为至少大约5 Shore D。
8.根据段落7的制品，其中所述差为至少大约10Shore D。
9.根据段落6的制品，其中所述垫的圆形轮廓具有一面积量度，所述 第一区域占据所述垫的圆形轮廓的所述面积量度的至少大约75％。
10.根据段落9的制品，其中所述第二区域以及所述第一和第二区域之 间的界面占据所述垫的圆形轮廓的剩余的面积量度。
11.根据段落5的制品，其中所述聚合物具有在第三和第四区域内不同 的第二特性，所述第二特性是所述聚合物的连续性。
12.根据段落11的制品，其中所述第三区域在所述单一式抛光垫内包 括一界面，所述第四区域远离所述界面。
13.根据段落12的制品，在所述垫的抛光面内包含固体润滑剂。
14.根据段落13的制品，其中所述固体润滑剂的摩擦系数在大约0.0001 和大约0.5之间。
15.根据段落13的制品，其中所述垫包含的所述固体润滑剂按重量计 算超过大约5％。
16.根据段落1的制品，其中所述第一和第二区域位于所述单一式抛光 垫内。
17.根据段落16的制品，其中所述第一和第二区域另外还位于所述单 一式抛光垫的抛光面处。
18.根据段落17的制品，其中所述特性是孔隙率。
19.根据段落18的制品，其中所述聚合物具有在第三和第四区域内不 同的第二特性，所述第二特性是硬度。
20.根据段落17的制品，其中所述特性是硬度。
21.根据段落1的制品，其中所述第一和第二区域位于所述单一式抛光 垫的抛光面处。
22.根据段落21的制品，其中所述特性是硬度。
23.根据段落22的制品，其中在所述单一式抛光垫中，所述第一区域 靠近所述单一式抛光垫的旋转轴线，所述第二区域靠近所述垫的外缘，并 且所述第二区域的硬度小于所述第一区域的硬度。
24.根据段落1的制品，其中所述特性是可压缩性。
25.根据段落1的制品，其中所述特性是恢复系数。
26.一种包含这样的抛光垫的制品，该抛光垫沿垂直于该垫的旋转轴线 的半径具有第一不均匀特性，其中所述抛光垫由于所述第一不均匀特性沿 该半径的值的差别而改善了半导体晶片的平整化。
27.根据段落26的制品，其中所述值的差别由所述衬底上的器件密度 确定。
28.根据段落27的制品，其中所述值的差别还由所述衬底上的技术节 点的尺寸确定。
29.根据段落26的制品，其中所述值的差别由所述衬底上的技术节点 的尺寸确定。
30.根据段落26的制品，其中所述特性是硬度。
31.根据段落30的制品，其中第二特性孔隙率沿与第一半径不同或相 同的第二半径不同。
32.根据段落26的制品，其中所述特性是孔隙率。
33.根据以上任何段落的制品，在所述垫的抛光面中包含固体润滑剂。
34.根据以上任何段落的制品，其中所述特性不是透明度。
35.根据段落34的制品，其中所述垫还具有比相邻区域较透明的区域。
36.根据以上任何段落的制品，其中所述特性是孔密度。
37.根据以上任何段落的制品，其中所述特性是孔尺寸。
38.根据以上任何段落的制品，其中所述特性是基于将被抛光的材料选 择的。
39.根据段落38的制品，其中所述材料包括铜。
40.根据以上任何段落的制品，其中所述特性是基于与该制品一起使用 的浆料选择的。
41.根据以上任何段落的制品，其中所述特性是基于与该制品一起使用 的抛光设备选择的。
42.根据以上任何段落的制品，其中所述衬底是半导体晶片，所述垫包 括化学机械平整化垫。
43.一种使具有形成图案的特征的半导体晶片的层平整化的方法，所述 形成图案的特征在所述层中形成高区域和较低区域，所述方法包括使该层 与这样的抛光垫接触，该抛光垫具有沿从垫的旋转轴线延伸出的一个或多 个半径变化的孔隙率、硬度、可压缩性和/或恢复系数，以及通过以一速率 去除高区域中的层来使半导体晶片的层平整化，该速率大于该抛光垫去除 较低区域中的层的速率。
44.一种使具有形成图案的特征的半导体晶片的层平整化的方法，所述 形成图案的特征在所述层中形成高区域和较低区域，所述方法包括使该层 与根据段落1-37中的任何一个的制品接触，并且使该层平整化。
45.一种聚合物抛光垫，所述抛光垫由合成聚合物形成，并且在该垫的 第一聚合物层和第二聚合物层之间具有一体式界面。
46.根据段落45的垫，其中第一聚合物层和第二聚合物层是相同的聚 合物。
47.根据段落46的垫，其中第一聚合物层具有第一孔隙率，第二聚合 物层具有第二孔隙率，并且第一孔隙率和第二孔隙率不同。
48.根据段落46的垫，其中第一聚合物层具有第一孔隙率，第二聚合 物层具有第二孔隙率，并且第一孔隙率和第二孔隙率相同。
49.根据段落45-48中的任何一个的垫，其中第一聚合物层和第二聚合 物层由相同反应物形成，但是在不同的条件下反应以便在第一和第二聚合 物层中形成不同的聚合物。
50.根据段落45-49中的任何一个的垫，其中该垫还包含固体润滑剂。
51.根据段落45-50中的任何一个的垫，其中该垫是单一式垫。
52.根据段落45-51中的任何一个的垫，其中与其他方面与所述聚合物 抛光垫相同但是缺少所述界面的比较垫相比，所述界面可有效地降低所述 垫的摩擦系数。
53.一种包含聚氨酯热固性材料并且tanδ小于大约1.0的聚合物化学 机械平整化垫。
54.根据段落53的垫，其中tanδ小于大约0.5。
55.根据段落53或54的垫，其中该垫的E′值大于大约400Mpa。
56.根据段落53-55中的任何一个的垫，其中该垫的E″值大于大约 250MPa。
57.根据段落53-56中的任何一个的垫，其中聚氨酯的Tg值小于大约 -30℃。
58.根据段落53-57中的任何一个的垫，其中聚氨酯还包含脲键。
59.根据段落53-58中的任何一个的垫，其中该垫的ΔE′(20℃-40℃) 小于大约20％。
60.根据段落53-59中的任何一个的垫，其中该垫的可压缩性小于大约 1％。
61.根据段落53-60中的任何一个的垫，其中该垫的表面张力小于大约 25mN/m。
62.根据段落53-61中的任何一个的垫，其中该垫的KEL值小于大约 100。
63.一种包含聚氨酯热固性材料并且E′值大于大约400MPa的聚合物 化学机械平整化垫。
64.一种包含聚氨酯热固性材料并且E″值大于大约250MPa的聚合物 化学机械平整化垫。
65.一种包含聚氨酯热固性材料并且Tg值小于大约-30℃的聚合物化 学机械平整化垫。
66.一种包含聚氨酯热固性材料并且可压缩性小于大约1％的聚合物 化学机械平整化垫。
67.一种包含聚氨酯热固性材料并且表面张力小于大约25mN/m的聚 合物化学机械平整化垫。
68.一种包含聚氨酯热固性材料并且KEL值小于大约100的聚合物化 学机械平整化垫。
69.根据段落53-68中的任何一个的垫，其中所述垫包含界面。
70.根据段落69的垫，其中所述界面是一体式界面。
71.根据段落53-70中的任何一个的垫，其中所述垫在所述垫的抛光面 中包含固体润滑剂。
72.根据段落53-71中的任何一个的垫，其中所述垫在所述垫的抛光面 上具有这样的区域，即该区域的特性的值与所述抛光面的不同区域中的相 同特性的值不同。
73.根据段落53-72中的任何一个的垫，其中所述垫包含比相邻区域更 透射光的区域。
74.一种包括由热固性聚合物形成的单一式化学机械抛光垫的制品，其 中所述垫在所述垫的抛光面中包含硬聚合物区和软聚合物区，所述聚合物 包含硬链段和软链段，当固化时硬链段形成硬聚合物区而软链段形成软聚 合物区，并且所述聚合物包含聚(氨基甲酸乙酯脲)。
75.根据段落74的制品，其中所述硬区的尺寸小于大约20nm。
76.根据段落74或75的制品，其中所述软区的尺寸小于大约100nm。
77.根据段落74-76中的任何一个的制品，其中所述软区的尺寸大于 10nm。
78.根据段落74-77中的任何一个的制品，其中所述软区大于所述硬区。
79.根据段落74-78中的任何一个的制品，其中所述硬区具有总数在1 个和大约20个之间的氨基甲酸乙酯和脲基团。
80.根据段落79的制品，其中所述硬区具有总数在2个和大约6个之 间的氨基甲酸乙酯和脲基团。
81.根据段落74-80中的任何一个的制品，其中所述垫是单一式化学机 械抛光垫，该抛光垫是通过将聚合物熔体或形成聚合物的反应物的混合物 或这两者放置在其尺寸适合于形成所述单一式化学机械抛光垫的模具中形 成的。
82.根据段落74-81中的任何一个的制品，其中所述垫在垫的抛光面上 具有第一和第二聚合物区域，该第一和第二区域都包括所述硬区和所述软 区，并且所述第一区域的特性的值与所述第二区域中的所述特性的值不同。
83.根据段落82的制品，其中所述特性选自硬度、孔隙率、孔尺寸、 可压缩性、恢复系数和连续性。
84.根据段落74-83中的任何一个的制品，其中所述垫包含一体式界面。
85.根据段落74-84中的任何一个的制品，其中所述垫包含固体润滑剂。
86.根据段落74-85中的任何一个的制品，其中所述垫包含磨料。
87.一种制造化学机械抛光垫的方法，该方法包括形成聚合物熔体或形 成聚合物的反应物的混合物，将所述熔体或混合物放置到模具内，并固化 所述熔体或混合物以便形成具有硬聚合物区和软聚合物区的所述化学机械 抛光垫。
88.一种由闭孔的多孔聚合物形成并且具有抛光面的抛光垫，其中，大 部分孔沿平行于所述垫的抛光面的方向延长。
89.根据段落88的抛光垫，其中所述闭孔的多孔聚合物的孔室沿平行 于垫的抛光面的方向延长。
90.根据段落88或89的抛光垫，其中所述闭孔的多孔聚合物的孔室由 微球形成。
91.根据段落88-90中的任何一个的抛光垫，其中所述延长孔的长宽比 大于大约2。
92.一种制造具有闭孔的多孔聚合物的抛光垫的方法，该方法包括将微 球并入聚合物熔体或形成聚合物的反应物的混合物内，并且使用足以压缩 所述微球的压力压缩模塑所述熔体或混合物。
93.一种包括由热固性聚合物形成的化学机械抛光垫的制品，其中所述 垫在所述垫的抛光面中包含硬聚合物区和软聚合物区，所述聚合物包含硬 链段和软链段，当固化时硬链段形成所述硬聚合物区而软链段形成所述软 聚合物区，并且所述聚合物包含具有重复的烷氧基单元的聚(氨基甲酸乙 酯脲)。
94.根据段落93的制品，其中所述硬区沿任何方向的宽度都小于大约 100nm。
95.根据段落94的制品，其中所述硬区的宽度小于大约20nm。
96.根据段落93-95中的任何一个的制品，其中所述软区大于大约 100nm。
97.根据段落93-96中的任何一个的制品，其中所述硬区具有总数在1 个和大约20个之间的氨基甲酸乙酯和脲基团。
98.根据段落97的制品，其中所述硬区具有总数在2个和大约6个之 间的氨基甲酸乙酯和脲基团。
99.根据段落93-98中的任何一个的制品，其中所述垫是单一式化学机 械抛光垫，该抛光垫是通过将聚合物熔体或形成聚合物的反应物的混合物 或这两者放置在其尺寸适合于形成所述单一式化学机械抛光垫的模具内形 成的。
100.根据段落93-99中的任何一个的制品，其中所述垫在垫的抛光面 上具有第一和第二聚合物区域，该第一和第二区域都包括所述硬区和所述 软区，并且所述第一区域的特性的值与所述第二区域中的所述特性的值不 同。
101.根据段落100的制品，其中所述特性选自硬度、孔隙率、孔尺寸、 可压缩性、恢复系数和连续性。
102.根据段落93-101中的任何一个的制品，其中所述垫包含一体式界 面。
103.根据段落93-102中的任何一个的制品，其中所述垫包含固体润滑 剂。
104.根据段落93-103中的任何一个的制品，其中所述垫包含磨料。
105.根据段落1的制品，其中在所述单一式抛光垫中，所述第一区域 靠近所述单一式抛光垫的旋转轴线，所述第二区域靠近所述垫的外缘。
106.根据段落105的制品，其中在抛光面中包含固体润滑剂。
107.根据段落106的制品，其中固体润滑剂是氮化硼。
108.根据段落105的制品，所述制品在抛光垫中包含局部透明区域， 该透明区域构造用于终点检测。
109.根据段落105的制品，所述制品在抛光面上具有原位凹槽。
110.根据段落109的制品，其中凹槽的深度在10μm-100μm的范围 内。
111.根据段落109的制品，其中凹槽的深度在25μm-40μm的范围内。
112.根据段落109的制品，其中凹槽的宽度在10μm-100μm的范围 内。
113.根据段落109的制品，其中凹槽的宽度在25μm-40μm的范围内。
114.根据段落109的制品，其中在旋转轴线附近的凹槽是同心圆形凹 槽和沿径向延伸的重叠直线凹槽，凹槽在旋转轴线附近是直线的，在远离 旋转轴线并且在抛光垫的外缘附近是弯曲的，弯曲凹槽与同心圆形凹槽相 交。
115.根据段落114的制品，该制品包含另外的远离旋转轴线且靠近抛 光面周边的弯曲凹槽。
116.根据段落114或115的制品，其中凹槽构造成在抛光面上具有恒 定的凹槽密度。
117.根据段落114或115的制品，其中凹槽构造成在抛光面上保持恒 定的浆料密度。
118.根据段落105的制品，其中垫包含遍及抛光垫的微孔。
119.根据段落118的制品，其中第一区域和第二区域中微孔的密度不 同。
120.根据段落105的制品，其中所述第二区域的硬度小于所述第一区 域的硬度。
121.根据段落105的制品，其中垫包含垂直于抛光面的一体式界面， 该界面位于两个聚合物层之间。
122.根据段落121的制品，其中第一聚合物层和第二聚合物层是相同 的聚合物。
123.根据段落121的制品，其中第一聚合物层和第二聚合物层是不同 的聚合物。
124.根据段落105的制品，其中聚合物由热固性材料形成。
上述组合中的任一个当然可以具有上述物理、化学和/或DMA特性中 的任何一种特性。
尽管已经说明了定制抛光垫的示例性变型，但是可以对所述对象垫进 行多种修改而不会背离在此公开的本发明的范围或精神。在此的各种定制 抛光垫的公开内容不应解释为受上文所述的特定示例和附图限制。此外， 本领域中的技术人员应认识到，可以从这些示例和附图得到多种等同的定 制抛光垫。
相关申请的交叉引用
本申请要求2005年10月14日提交的美国专利申请No.11/251547的 优先权。本申请要求2005年7月15日提交的PCT申请No.US2005/025330 的权益。本申请要求2005年2月18日提交的美国专利申请No.11/060898 的优先权。本申请要求2005年2月18日提交的美国专利申请No.60/654104 的优先权。本申请要求2005年2月18日提交的美国专利申请No.60/654173 的优先权。本申请要求2005年5月2日提交的美国专利申请No.60/677062 的优先权。美国专利申请No.11/251547是2004年3月25日提交的美国专 利申请No.10/810070的部分继续申请。美国专利申请No.10/810070要求 2003年3月25日提交的美国临时申请No.60/457273的优先权，并且是2005 年2月18日提交的美国专利申请No.11/060898以及2004年6月3日提交 的PCT申请US2004/017638的部分继续申请。PCT申请US2004/017638 要求2003年6月3日提交的美国临时申请No.60/457305的优先权，并且 是2004年7月21日提交的美国专利申请No.10/897192的部分继续申请。 上述申请整体引入作为参考。
下列申请整体引入作为参考，如同下文充分公开一样。
2004年3月25日提交的PCT申请No.US2004/009535，其要求2003 年3月25日提交的美国申请No.60/457273的优先权。
2003年6月3日提交的美国临时申请No.60/475374。
2003年6月3日提交的美国临时申请No.60/475283。
2003年6月3日提交的美国临时申请No.60/475307。
2005年7月15提交的PCT申请No.US2005/025330，其要求2004年 7月21日提交的美国专利申请10/897192的优先权。
2003年4月28日提交的美国临时申请No.60/486306。
2004年5月3日提交的美国临时申请No.60/567893。