化学机械平整方法、氧化铝粉浆料的用途和定制加工的磨料技术

本发明专利技术涉及一种ＣＭＰ方法，它采用含有α氧化铝颗粒的氧化铝，所述氧化铝颗粒的宽度小于５０ｎｍ，表面积至少为５０ｍ↑［２］／ｇｍ。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
专利技术的背景本专利技术涉及CMP(化学机械平整化)用的材料，具体地说，涉及含有作为磨料的α氧化铝粉的CMP材料。CMP是用来制备在多种电子用途中很重要的半导体产品的方法。半导体装置一般是通过在非导电结构之间的空间内沉积金属例如铜，然后去除金属层，直至露出非导电结构，其余空间被金属占据而制成。对磨料的要求在多方面是抵触的。它必须去除金属，但是应不得去除非导电材料。它的去除效果必须高，但去除又不是太快，以致当达到所要求的去除量时却来不及终止。CMP方法能采用磨料在液体介质中的浆料的形式实施，并且在浆料中除了磨料外，一般还包括其他的添加剂，包括氧化剂(例如过氧化氢，硝酸铁，碘酸钾等)；缓蚀剂例如苯并三唑；清洁剂；表面活性剂。但是，它也能够采用被固定的磨料来实施，所述磨料颗粒分散并固定在固化的树脂材料内，所述树脂还可以具有有一定外形的表面。CMP方法能用于任何含有金属层和绝缘体层的层状装置，所述金属层和绝缘体层各自依次以一定量沉积到基材上，然后需要将其量减少至均匀厚度和非常均匀的表面粗糙度(Ra)。CMP是将沉积层减少至所要求厚度和平整度的过程。问题是最好的去除材料用的磨料会留下不合格的相当粗糙的表面，或者材料去除得太快，常常超过所要求的终止点。而以中等的速率去除材料的那些磨料又缺乏选择性或留下质量差的表面。过去，这些相互抵触的要求通过使用较软磨料例如γ-氧化铝和二氧化硅可以进行妥协。这就降低了去除速率，但是不能分辨金属和非导电材料之间的区别。有人建议采用平均粒径约为100nm的α-氧化铝，发现它可有区别地相对于非导电材料优先去除金属。然而不幸地，它的去除作用又太强，很容易形成“凹进”，它是在位于相邻非导电材料结构之间的金属层内形成的凹陷现象。凹进对半导体的性能有不利影响，因此认为是很不好的。因此，需求这样的磨料，它能在CMP用途中对基材有选择地去除金属并且去除较慢，使凹进现象能减到最小。EP0554908 A1中的抛光申请内容中揭示了覆有二氧化硅的氧化铝细粉，WO-A-9749647中描述了用氧化铝与二氧化硅制成的陶瓷材料。USP5693239描述了含有二氧化硅和/或氧化铝的CMP配制物。专利技术的概述本专利技术提供一种CMP方法，它包括用一种磨料抛光含有金属和非导电材料的基材，所述磨料含有氧化铝粉，其中氧化铝粉颗粒具有二氧化硅涂层，该粉的BET表面积至少为50m2/gm，氧化铝含量至少为90重量％和α-氧化铝含量至少为90重量％，优选95重量％，其中至少90％颗粒的最终颗粒宽度不大于50nm，例如20～50nm，不超过10％颗粒的最终粒度大于100nm。下面为简便计，有时将具有该粒度范围和表面积的氧化铝粉称为“纳米级氧化铝”粉末或颗粒。氧化铝粉颗粒上有二氧化硅涂层，但是要明白，本文中使用的术语“二氧化硅”除二氧化硅以外，还包括二氧化硅与金属氧化物的复合氧化物，例如多铝红柱石、碱金属的硅铝酸盐和硼硅酸盐、碱土金属的硅酸盐等。这样，所指出的“二氧化硅”百分率实际上也含有二氧化硅以外的其他成分。纳米级氧化铝粉的氧化铝含量是至少90％，α-氧化铝的含量至少为90％，优选至少为95％。其余是二氧化硅和少量在勃姆石转化成α相过程中为中间体的其他相氧化铝。他们是煅烧过程中不完全转化的结果，该煅烧过程要尽量不要过分，以保证颗粒不过度地聚结因而难于分开。在此后讨论所述纳米级氧化铝颗粒的“宽度”时，要明白，除了上下文清楚地说明了是其他意思外，它是指与颗粒最长尺寸垂直的最大尺寸的数均值，在实践中，发现纳米级氧化铝颗粒的外观多少呈块状，使颗粒看起来是等轴尺寸的。测试方法以使用、JEOL 2000SX仪器之类的扫描或透射电子显微镜为基础。α-氧化铝是氧化铝最硬并且最致密的形式，是在高温下煅烧其他形式氧化铝或水合的氧化铝形成的。因此它是最适用于研磨的氧化铝形式。α-氧化铝常规用熔融方法形成，其中氧化铝水合物在约2000℃以上煅烧，然后冷却粉碎之。在这样的高温下煅烧可引起α-氧化铝晶体生长到数微米，并且烧结在一起形成极其硬的材料。以这种方式制成的高密度和高硬度氧化铝颗粒使粉碎过程困难。为了得到小颗粒，如果必需破碎烧结粘合物需要更小的颗粒，例如约数微米或以下的粒度，甚至要破+碎基本晶粒本身。这当然是一项极其困难的任务，需要花费许多能量。虽然烧结粘合物很难破碎，尤其当烧结达到实质上的理论密度时，但最终的晶体本身破裂甚至更为困难。最近溶胶凝胶，尤其施加晶种溶胶凝胶方法的发展，使得能够制成微晶结构的氧化铝，其最终晶粒(经常称为微晶粒)的尺寸约为0.1微米即100nm。这样的施加晶种过程要加入晶种颗粒，该晶种颗粒能够使得在较低温度下勃姆石(α-氧化铝水化物)转化成α氧化铝相形成晶核。晶种颗粒的晶粒形状和晶格尺寸方面的性质应当尽可能接近目标材料，以便有效地成核，所以合理的选择是α-氧化铝本身。实际上一旦形成了α-相，即粒度1微米以下的α-氧化铝微晶粒的颗粒，颗粒就有烧结起来的趋势，此时它们彼此接触。这个趋势随温度升高而增大。所以要保持形成α相的温度低，使得颗粒烧结在一起的程度最小，使得粉碎成最终粒度的过程容易些。在授予鲍尔等人的美国专利4,657,754中，揭示了将经干燥的施加晶种的溶胶凝胶氧化铝进行煅烧，使至少一部分转化成α-相，然后将干燥制品粉碎成α颗粒粉，小心不要在煅烧期间引起过度烧结或颗粒生长。这就可保证发生很少的烧结。这样粉碎时就仅需要破碎少量烧结粘合物，而不是破碎最终颗粒。因此就能以产物已是粉末形成的情况够进行煅烧以完成转化。这仍然是困难并且昂贵的操作，并且实际上受到产品内α-氧化铝最终粒度(100nm)的限制。但是，这样的颗粒比本专利技术的纳米级氧化铝颗粒大得多。细的α-氧化铝粉广泛地用作抛光或精研的磨料。在这样的精研用途中，磨料粉末粒度线细越均匀，就能够获得越好的光洁度。但是，对于CMP用途，由上述方法(称为Bauer方法)制成的这样细的α-氧化铝，其去除材料的作用极强，易于形成凹进。本专利技术通过提供更小粒度(纳米级氧化铝颗粒)的含α-氧化铝的磨料就解决了该问题，并形成侵蚀性其去除材料的作用不是太强。十分意外地发现，它还有足够的选择性能方便地用于CMP应用中。纳米级氧化铝磨料粉能以浆料形式施加在要抛光的表面上，此时抛光垫在该表面上运动。根据一个实施方式，本专利技术包括一种CMP方法，其中一个可变形的抛光垫在与要抛光的表面接触情况下运动，同时施加浆料，该资料含有纳米级氧化铝粉，其氧化铝颗粒是有二氧化硅涂层，所述粉的BET表面积至少为50m2/gm，氧化铝含量至少为92重量％，α-氧化铝含量至少为90重量％，至少95％颗粒的最终颗粒宽度为20-50nm，小于5％的最终粒度大于100nm。根据另一个实施方式，使用分散于固化的粘合剂内的被固定的磨料，来将α-氧化铝磨料提供给表面进行CMP处理，所述被固定的磨料含有纳米级氧化铝粉，其中的氧化铝颗粒具有二氧化硅涂层，所述粉的BET表面积至少为50m2/gm，氧化铝含量至少为92重量％，α-氧化铝含量至少为90重量％，至少95％颗粒的最终颗粒宽度为20-50nm，小于5％的最终粒度大于100nm。粘合剂/磨料能是磨轮外部例如轮缘上的涂层，或者它可以在粘合剂固化形成磨具之前，在柔软片材例如盖、盘或带的平面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化学机械平整方法，它包括使用含有氧化铝粉的磨料抛光包含金属和非导电材料的基材，其特征在于所述氧化铝粉的颗粒具有二氧化硅涂层，并且所述氧化铝粉的ＢＥＴ表面积至少为５０ｍ↑［２］／ｇｍ，氧化铝含量至少为９０重量％，α－氧化铝含量至少为９０重量％，并且其中至少９０％氧化铝颗粒的最终颗粒宽度不大于５０ｎｍ，最终粒度大于１００ｎｍ的颗粒少于１０％。

【技术特征摘要】
US 1999-10-6 09/413,5181.一种化学机械平整方法，它包括使用含有氧化铝粉的磨料抛光包含金属和非导电材料的基材，其特征在于所述氧化铝粉的颗粒具有二氧化硅涂层，并且所述氧化铝粉的BET表面积至少为50m2/gm，氧化铝含量至少为90重量％，α-氧化铝含量至少为90重量％，并且其中至少90％氧化铝颗粒的最终颗粒宽度不大于50nm，最终粒度大于100nm的颗粒少于10％。2.如权利要求1所述的化学机械平整方法，其特征在于所述氧化铝粉的α-氧化铝含量至少为95％。3.如权利要求1所述的化学机械平整方法，其特征在于所述氧化铝磨料的二氧化硅含量为1-8重量％。4.如权利要求1所述的化学机械平整方法，其特征在于所述氧化铝磨料以浆料形式提供给工件，该浆料含有2-7重量％氧化铝。5.如权利要求1所述的化学机械平整方法，其特征在于所述氧化铝磨料以固定的磨料形式提供给...

【专利技术属性】
技术研发人员：AK加格，BV塔尼克拉，WR德莱尼，
申请(专利权)人：圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]