一种高抛光稳定性的化学机械抛光垫及其制备方法

文献发布时间：2023-06-19 19:28:50

技术领域

本发明涉及的是化学机械抛光技术领域，B24B37/24，尤其涉及一种高抛光稳定性的化学机械抛光垫及其制备方法。

背景技术

化学机械抛光(CMP)是半导体芯片生产过程中必不可少的一道工序。CMP是化学反应、机械摩擦、流体动压综合作用的过程，主要利用抛光粒子与抛光液，将硅晶圆片与抛光垫的抛光面进行接触，去除表面多余的材料和杂质，同时减少表面粗糙、划痕等微小瑕疵，更重要的是通过CMP处理后能得到其他平面加工手段很难达到的光滑平坦表面，以此来满足半导体芯片的性能需求。

在CMP工艺中，分为粗抛和精抛两个部分。其中，粗抛是指利用较硬的抛光垫来抛光达到平面化晶圆片并且去除大量多余材料的目的；而精抛则是通过柔软的抛光垫进行，并且该抛光垫需要对非平坦的硅晶圆表面有更好的追随性。而且抛光垫还需要将抛光液均匀的供给到抛光界面，并提供均匀的支撑力使用凝结成膜法制备的抛光垫能很好的满足精抛的需要。但现有技术中制备得到的聚氨酯多孔膜，通过形成上小下大的水滴形孔洞结构来存储抛光液，进而在抛光时供给到抛光界面，但是这些孔洞尺寸大小并不均一且互不贯通，会导致抛光界面的抛光液供给不均匀。进而无法进一步提升待抛光物的表面平坦度，限制了其在高端制程的芯片生产过程中的应用。

中国专利CN101056742公开了一种抛光垫以及垫磨除速率和平坦化的改进方法，该抛光垫的顶层为聚氨酯材料，且含有一种至少含有淀粉的添加剂，能够显著减小弹性回跳，从而增加该垫的化学机械平坦化磨除速率，在聚氨酯树脂混合期间，通过加入空气或者刻意地加入细孔制造器其一而制造细孔，并通过硅表面活性剂调节泡孔大小，但是该抛光垫中微孔结构的相互贯通无法得到控制。若将共混碱溶性聚合物粉末或混酸溶性化合物粉末加入到聚氨酯树脂溶液中后降解，虽然都能得到具有大量相互贯通微孔洞聚氨酯多孔膜的制备方法，但由于使用碱性水溶液降解碱溶性聚合物时同时容易导致聚氨酯树脂水解，降解不彻底容易残留粉末颗粒等缺陷，且粉末制备复杂，难以实现批量化的生产。而使用酸性水溶液降解时会产生大量金属离子，若金属离子在水洗时清洗不彻底残留于材料中，在此材料应用于半导体芯片抛光时，容易掺杂进入半导体材料中，导致污染，若降解不彻底则微小的酸溶性化合物容易在抛光时划伤晶圆表面导致划痕等缺陷。

发明内容

为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种高抛光稳定性的化学机械抛光垫的制备方法，包括：

S1.将水溶性聚合物加入到水溶性溶剂中，机械搅拌形成混合物；

S2.将S1所得混合物加入到树脂溶液中，形成树脂浆料；

S3.将S2所得树脂浆料涂布于透明薄膜材料上，浸入凝结液中凝结，获得多孔树脂膜；

S4.将S3所得树脂膜在清洗液中浸泡并清洗挤压，随后经过清洗，即得。

S1中

在一些优选的实施方式中，所述水溶性聚合物选自天然水溶性聚合物、水溶性改性天然聚合物、有机合成水溶性聚合物中的一种或两种以上的混合。

在一些优选的实施方式中，所述天然水溶性聚合物选自瓜儿豆胶、阿拉伯胶、果胶、琼脂、卡拉胶、海藻酸钠、明胶、干酪素、黄原胶中的一种或两种以上的混合。

在一些优选的实施方式中，所述水溶性改性天然聚合物选自改性淀粉、改性纤维素中的至少一种。

在一些优选的实施方式中，所述改性淀粉选自氧化淀粉、醚化淀粉、无机酸酯淀粉、有机酸酯淀粉中的一种或两种以上的混合；优选为无机酸酯淀粉；进一步优选为乙酰化二淀粉磷酸酯。

在一些优选的实施方式中，所述改性纤维素选自阳离子纤维素醚、阴离子纤维素醚、非离子纤维素醚中的一种或两种的混合；优选为非离子纤维素醚；进一步优选为羟丙基甲基纤维素。

所述羟丙基甲基纤维素在2％水溶液粘度为300～120000mpa·s；优选为400～100000mpa ·s。

在一些优选的实施方式中，所述有机合成水溶性聚合物选自聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚马来酸酐、聚季胺盐、聚乙二醇中的一种或两种以上的混合；优选为聚乙烯吡咯烷酮和/或聚乙二醇。

所述聚乙烯吡咯烷酮的平均相对分子质量为5000～650000，25℃时5％(w/v)水溶液中的粘度为0.7～46mPa·s；优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮的平均相对分子质量为5500～630000， 25℃时5％(w/v)水溶液中的粘度为0.9～45.8mPa·s。

所述聚乙二醇的相对分子质量为10000～20000；优选为20000。

在树脂浆料中，水溶性聚合物形成的混合物与树脂溶液形成分子链层面的共混掺杂，并一起凝固定型，因此，水溶性聚合物的选择是形成微孔结构的关键。本发明人发现使用不同类型或同类型不同规格的水溶性聚合物在相同添加量下可以获得不同结构和不同尺寸的微孔，特别是选择阿拉伯胶、改性淀粉、改性纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的一种，能够使所得抛光垫的微孔结构好，研磨速率高且平整度高。推测原因有：树脂凝结时水溶性聚合物部分溶解于凝结液，影响了凝结液与树脂中有机溶剂间的溶剂置换，由于水溶性聚合物的水溶性、分子量的不同，影响置换过程的效果也具有很大差异，这就影响了水滴形孔的形成，同时树脂凝结过程中未溶解的部分水溶性聚合物与树脂一起凝固定型，在清洗时洗脱形成微孔洞。本发明通过选择不同的水溶性聚合物，调整改性淀粉、改性纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇的相对分子质量、溶液粘度，同样能够形成稳定均一的混合物体系，进而自由调节水滴形孔结构以及微孔洞的孔径尺寸和孔径分布，增加微孔结构的均匀性，进一步增加所得抛光垫的平整度、抛光性能，同时还能提供足够强的支撑力。

在一些优选的实施方式中，所述水溶性溶剂选自水、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、醇类、醚类中的一种或两种以上的混合；优选为水和/或N,N-二甲基甲酰胺。

在一些优选的实施方式中，所述水溶性聚合物与水溶性溶剂的重量比为(1～10)：(1～10)；优选为(2～5)：(2～5)；进一步优选为1：1。

S2中

在一些优选的实施方式中，所述树脂浆料包括：混合物、树脂溶液、极性溶剂。

在一些优选的实施方式中，按重量份计，所述树脂浆料包括：混合物2～25份、树脂溶液100份、极性溶剂17～65份；优选地，所述树脂浆料包括：混合物2～20份、树脂溶液100份、极性溶剂20～60份。

在一些优选的实施方式中，所述树脂溶液中的树脂选自氨基树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、聚丙烯酸酯树脂、聚硅氧烷树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂中的一种或两种以上的混合；优选为聚氨酯树脂。

在一些优选的实施方式中，所述树脂溶液为聚氨酯树脂的DMF溶液；优选地，所述聚氨酯树脂溶液中聚氨酯树脂的固含量为25～37wt％；优选为30wt％。

在一些优选的实施方式中，所述极性溶剂选自甲酰二甲胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO)、环丁砜、水、1,4-环氧丁烷(THF)、二甲基乙酰胺(DMA)中的一种或两种以上的混合；优选为DMF。

S3中，

所述透明薄膜材料不做特殊限定。

优选地，所述透明薄膜材料选自聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)中的一种或两种以上的混合；优选为PP。

在一些优选的实施方式中，所述涂布方式为刮刀涂布。

在一些优选的实施方式中，所述凝结液选自DMF、THF、DMSO中的一种或两种的混合；优选为DMF；进一步优选为DMF的水溶液。

在一些优选的实施方式中，所述DMF的水溶液中DMF的质量浓度为17-30％；优选为20-25％；进一步优选为20％。

S4中

在一些优选的实施方式中，所述清洗液为清水。

所述清洗挤压，是指将凝固的树脂膜经过清水浸泡挤压，洗脱其中的水溶性聚合物，进而形成微孔结构。

优选地，所述微孔结构中微孔直径为0.1微米至100微米；优选为5微米至30微米。

本发明中清洗液处理后还可包括后处理工序。所述后处理工序为本领域中常规的抛光垫制作后处理工序。

优选地，所述后处理工序为干燥、打磨、清洁工序。

本发明第二方面提供了一种由上述制备方法得到的高抛光稳定性的化学机械抛光垫，在半导体芯片制造的化学机械抛光工艺中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明中所述水溶性聚合物易溶于水，先将其溶解于适合的水溶性溶剂中混合均匀形成混合物，再将溶液分散于树脂溶液中，此时水溶性聚合物以分子状态与树脂溶液共混，在凝结成膜的过程中，在水致相分离形成水滴形微孔结构的同时水溶性聚合物与树脂一起凝固定型，同时小部分溶解于凝结液中，参与调节树脂的凝固速度，再通过清水反复浸泡挤压清洗树脂固相内部残留的大部分水溶性聚合物，洗脱后形成相互贯通的微孔，使抛光液可以在这些微孔中相互流通，增加抛光效率和抛光稳定性。

(2)抛光垫中微孔的存在，使抛光垫的微观力学结构更加均衡，抛光垫上的任何一点对待抛光物的支撑力都更加均匀，抛光液的供给也更加均匀稳定，进一步改善其研磨速率，且增加抛光后的晶片表面平坦化程度，对非平坦的硅晶圆表面具有良好的追随性，为提高高端制程芯片的良品率提供了有利支持。

附图说明

图1一种高抛光稳定性的化学机械抛光垫的制备方法的流程图。

图2实施例4所得化学机械抛光垫的截面电镜图。

图3实施例6所得化学机械抛光垫的截面电镜图。

具体实施方式

实施例1

1、一种高抛光稳定性的化学机械抛光垫的制备方法，包括：

S1.将水溶性聚合物加入到水溶性溶剂中，机械搅拌形成混合物；

S2.将S1所得混合物加入到树脂溶液中，形成树脂浆料；

S3.将S2所得树脂浆料涂布于透明薄膜材料上，浸入凝结液中凝结，获得多孔树脂膜；

S4.将S3所得树脂膜在清洗液中浸泡并清洗挤压，随后经过清洗，即得。

S1中

所述水溶性聚合物为天然水溶性聚合物。

所述天然水溶性聚合物为阿拉伯胶(购自法国Nexira的食品级阿拉伯胶粉末)。

所述水溶性溶剂为水。

所述水溶性聚合物与水溶性溶剂的重量比为1：1。

S2中

按重量份计，所述树脂浆料包括：混合物10份、树脂溶液100份、极性溶剂40份。

所述树脂溶液中的树脂为聚氨酯树脂(浙江华大树脂HDW-20M)。

所述树脂溶液为聚氨酯树脂的DMF溶液；所述聚氨酯树脂溶液中聚氨酯树脂的固含量为30wt％。

所述极性溶剂为DMF。

如图1所示，S3中，

所述透明薄膜材料为PP(购自常州市鑫美新材料包装厂)。

所述涂布方式为刮刀涂布。

所述凝结液为DMF的水溶液。

所述DMF的水溶液中DMF的质量浓度为20％。

S4中

所述清洗液为清水。

本发明中清洗液处理后还包括后处理工序。

所述后处理工序为干燥、打磨、清洁工序。