[发明专利]磨粒材料和用该磨粒材料对工件平面化的方法

说明书

发明领域

本发明一般性涉及磨粒材料，具体地，用于抛光应用和其他应用的磨粒材 料。

技术背景

磨粒材料可用于如各种应用中的磨削、抛光和精整表面的宽范围的各种应 用。磨料粉可以以干态或湿态使用，使用湿态磨料粉通常需要将磨料粉分散在 溶剂中，以产生磨料浆。特定的磨料浆通常用于抛光应用，如半导体器件制造 工业的化学机械平面化(CMP)。

磨料与如CMP的抛光应用有关的特性包括材料去除速率、选择性和缺陷 (defectivity)。材料去除速率是对磨料浆在确定抛光条件下一定时间内去除 材料的容量的度量。选择性是对磨料浆去除一种类型材料(如，金属)同时使另 一种类型的材料的一部分或者基本部分(如，介电材料)保持完好的能力的度 量。磨料浆的选择性特别与半导体器件制造工业相关，这些半导体制造工业要 求显现层或层的部分，构成不同材料的基础层，留下平坦的复合物表面。

与磨料浆相关的普遍问题是颗粒倾向于沉降或形成不稳定的悬浮液。通常 在磨料浆中进入添加剂或其他稳定剂，以提高稳定性并将颗粒保持在悬浮液 中。然而，运输和储存稳定化的磨料浆的费用很高，还因为额外重量的水和添 加剂而是棘手的方法。因而，并不优选运输和/或储存磨料浆。当然，额外的 处理和在磨料浆中添加另外的材料来稳定或再稳定悬浮液都需要费用，理想情 况下应减少或避免。

致力于提高材料去除速率和缩短抛光时间的一种工业方法是利用高温相 氧化铝，即α氧化铝。α氧化铝可以通过含铝前体通常在1000-1200℃左右的温 度下进行转化形成。参见，例如Harato等(美国专利第5,302,368号)和Kaisaki 等(美国专利第6,194,317号)。α氧化铝可以通过以下方式在较低温度形成， 将氧化铝的水合形式热转变为过渡相(transition phase)(γ相)氧化铝，并进行 研磨，以用刚玉相(α相)接种该过渡相。参见“Effect of mechanochemical activation on the thermal reactions of boehmite(γ-AlOOH)and γ-Al₂O₃(对 勃母石(γ-AlOOH)和γ-Al₂O₃)热反应的机械化学激活作用”，MacKenzie，K.J.D.， Temuujin，J，Smith，M.E.，Angerer，P.，Kameshima，Y.，Thermochimica Acta 359(2000)87-94。

主要含α氧化铝的磨料化合物能以高的材料去除速率对金属表面进行抛 光。虽然α氧化铝是多晶氧化铝中最硬的相，并提供了理想的高材料去除速率， 但是因为α氧化铝的选择性差并具有产生不希望的表面缺陷如划痕和桔皮的倾 向其用途限于某些应用。

为减少主要含α氧化铝颗粒的磨料浆的表面缺陷和选择性差的努力中，将 较软形式的磨粒(如，氢氧化铝和过渡型氧化铝(transition alumina))与α氧 化铝颗粒组合。参见，例如Wang等(美国专利第5,693,239号)。然而，这种 浆料具有有限的比表面积的特性，并且试验表明在CMP应用中产生相当多的表 面缺陷。

已形成的其他磨料化合物和磨料浆主要含有较软的晶粒(相对于α氧化铝， 如过渡型氧化铝)。参见例如，Chelle(美国公报第2005/0194358号)，公开一 种高纯度的热解法γ氧化铝颗粒。其他磨料中除了其他化合物(如氧化铈)以 外也包括较软的氧化铝晶粒。参见，例如Sakatani等(美国专利第5,804,513 号)和Ueda等(美国专利第5,697,992号)。这类材料一般是不均匀的(同时具 有氧化铝和其他金属氧化物)，限于γ过渡型氧化铝颗粒，并具有低的比表面积 和大的粒度，其特点是影响抛光性能和磨料浆中材料的稳定性。

该领域还结合了非晶相氧化铝和晶体过渡型氧化铝相。参见，例如Neville 等(美国专利第5,527,423号)，该专利公开一种含非晶相和γ氧化铝相的材料。 这种材料的特性是高的干粉密度。检查按照5,527,423专利获得的实际样品， 表明粉末密度为3.78g/cm³，影响到浆料的稳定性和抛光性能。