一种用于化学机械研磨的研磨垫及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体来说是一种用于化学机械研磨的研磨垫及其制备方法。

背景技术

化学机械抛光技术是通过将磨粒的机械研磨与氧化剂的化学作用有机结合，用化学腐蚀和机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平滑处理，完成对抛光件表面化学反应物的去除，获得光洁表面来实现超精密无损伤表面加工，满足电路在0.35μm下的平整要求，主要用于超精密表面(如硅晶片、微型集成电路、存储器等)的加工。

抛光垫的使用方法为：将硅片固定在抛光头的最下面，将抛光垫放置在研磨盘上，抛光时，旋转的拋光头以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的研磨液在硅片表面和抛光垫之间流动，然后研磨液在抛光垫的传输和离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层研磨液液体薄膜。此时研磨液中的化学成分与硅片表面材料产生化学反应，将不溶的物质转化为易溶物质，或者将硬度高的物质进行软化，然后通过磨粒的微机械摩擦作用将这些化学反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学去膜和机械去膜的交替过程中实现平坦化的目的。

抛光垫是化学机械抛光系统的重要组成部分，抛光垫的材料性能和结构直接影响着抛光垫的性能，主要体现在抛光垫材料、转速、磨粒含量、密度及厚度，这些参数均影响着化学机械抛光过程及加工效果。

半导体抛光垫是集成电路和超大规模集成电路中对基体材料硅晶片的抛光原件，现阶段主要基材为聚氨酯弹性体；公知的是，使用低硬度的聚氨酯能够有效地降低拋光过程中产生的划痕等缺陷，有利于形成更好甚至无缺陷的表面，可改善晶片内非均匀性，但是与之相对应的则会降低去除速率；反之高硬度的聚氨酯虽然能够有效提高去除速率，对平整性有较好的作用，但同时抛光过程中的划痕数量也会增加。

为了得到良好的芯片非均匀性和芯片内非均匀性，现有技术常组合使用软硬垫，采用“上硬下软”的上下2层复合结构抛光垫，满足刚性及弹性的双重要求，虽然现有技术的聚氨酯“上硬下软”复合结构实现了更少的划痕数量和更好的平坦性，但是抛光垫在抛光过程中表面会逐渐变平，出现“釉化”现象，使材料去除率随时间迅速下降，出现使用寿命低、去除不均衡的技术缺陷，因此如何在划痕与去除速率之间达到一个理想的平衡，此时对聚氨酯进行改性和修饰极为重要，是拋光垫研发中需要关注的重要话题。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供了一种用于化学机械研磨的研磨垫及其制备方法，本发明对聚氨酯进行了改性，将聚亚安酯与聚氨酯预聚体形成复合材料，通过聚亚安酯预聚物树脂的共混实现提升聚氨酯性能的目的，延长使用寿命并延缓抛光的“釉化”，増加耐磨性能；同时对研磨垫进行设计，克服被研磨面的表面不均匀和平坦性不充分问题，从而制得能够保证更均衡切除速率的改性抛光垫。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于化学机械研磨的研磨垫，由如下重量份数的原料制成：聚亚安酯预聚物树脂50-90份；多元醇30-70份；二异氰酸酯20-50份；填料1-15份；固化剂5-30份。

优选的，所述聚亚安酯预聚物树脂由如下重量份数的原料制成：多亚甲基多苯基多异氰酸酯17-30份；二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯13-26份；异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚32-42份。

优选的，所述二异氰酸酯选自亚甲基双-4,4'-环己基二异氰酸酯、环己基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、己二异氰酸酯、亚丙基-1,2-二异氰酸酯、四亚甲基-1,4-二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯、十二烷-1,12-二异氰酸酯、环丁烷-1,3-二异氰酸酯、环已烷-1,3-二异氰酸酯、环已烷-1,4-二异氰酸酯、1-异氰酸酯基-3,3,5-三甲基-5-异氰酸酯基甲基环已烷、甲基环已烯二异氰酸酯、己二异氰酸酯的三异氰酸酯、2,4,4-三甲基-1,6-己烷二异氰酸酯的三异氰酸酯、乙二异氰酸酯、2,2,4-三甲基己二异氰酸酯、2,2,4-三甲基己二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、粗MDI、脲二酮改性的MDI、碳二亚胺改性的MDI中的一种或多种的混合物。

优选的，所述填料为玻璃微珠或聚合物微珠。

优选的，所述固化剂为含有苯环的二元氨或者多元氨。

优选的，所述研磨垫包括研磨面和非研磨面，所述研磨面的算数表面粗糙度为0.1-0.5μm、10点平均厚度为30-90μm、核心粗糙深度为10-30μm、衰减峰高度为10-20μm。

优选的，所述研磨垫的厚度为1.5-2.5mm。

优选的，所述聚亚安酯预聚物树脂的制备方法包括如下步骤：

(1)称量：按照如下重量份数称取原料：多亚甲基多苯基多异氰酸酯17-30份；二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯13-26份；异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚32-42份，备用；

(2)聚亚安酯预聚物树脂的制备：将多亚甲基多苯基多异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯和异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚于45-60℃下混合均匀，得到聚亚安酯预聚物树脂。

本发明还保护了一种用于化学机械研磨的研磨垫的制备方法，包括如下步骤：

(1)称量：按照如下重量份数称取原料：聚亚安酯预聚物树脂50-90份；多元醇30-70份；二异氰酸酯20-50份；填料1-15份；固化剂5-30份，备用；

(2)研磨垫的制备：

将多元醇和二异氰酸酯在催化剂作用下，于50-75℃反应1.5-3h，得到聚氨酯预聚体；

其中，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡，多元醇和二异氰酸酯总物质的量与二月桂酸二丁基锡物质的量之比为200-250:1；

在聚氨酯预聚体中加入聚亚安酯预聚物，然后通过浇注设备将固化剂、填料、聚氨酯预聚体和聚亚安酯预聚物均匀混合在一起，浇注在模具中，后经过开模、二次硫化、切片后得到所要求厚度的研磨垫。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、聚亚安酯质地柔软、富有弹性、具有良好的柔韧性；聚氨酯抛光垫具有抗撕裂强度高、耐磨性强、耐酸碱腐蚀性优异的特点，使其能够在超精密表面加工过程中能够有效确保表面抛光效果；本发明采用聚亚安酯与聚氨酯共混制备复合材料，通过聚亚安酯降低聚氨酯的硬度，使得抛光垫的硬度维持在60-65之间，克服高硬度聚氨酯抛光过程中划痕数量增加的技术缺陷；同时采用聚亚安酯提升聚氨酯的柔韧性，具有更好的动态性能，满足产品在后期使用高速抛光过程中高平整度的要求；另外，聚亚安酯采用多亚甲基多苯基多异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯和异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚制备，其结构与聚氨酯结构相似，易于二者混合均匀，保证制备产品切片后的硬度和均匀性一致，减少后期抛光过程中电子元件的破损率，因此采用聚亚安酯提升聚氨酯的综合性能；本发明采用聚氨酯预聚体而非聚氨酯的原因在于：聚氨酯预聚体室温下不结晶、初始粘度低，在与聚亚安酯预聚物树脂混合时能够实现更加均匀的混合，保证产品切片后的均匀性和力学性能，大大减少抛光过程中电子元件的破损率。

2、本发明对聚氨酯进行了改性，将聚亚安酯与聚氨酯预聚体形成复合材料，通过聚亚安酯预聚物树脂的共混实现提升聚氨酯综合性能的目的，延长使用寿命并延缓抛光的“釉化”；同时对研磨垫进行设计，研磨面的算数表面粗糙度为0.1-0.5μm、10点平均厚度为30-90μm、核心粗糙深度为10-30μm、衰减峰高度为10-20μm，研磨垫的厚度为1.5-2.5mm，克服被研磨面的表面不均匀和平坦性不充分问题，从而制得能够保证更均衡切除速率的改性抛光垫。

具体实施方式

下面结合本发明实施例，用以较佳的实施例配合详细的说明。

实施例1

一种用于化学机械研磨的研磨垫的制备方法，包括如下步骤：

(1)称量：按照如下重量份数称取原料：聚亚安酯预聚物树脂50份；乙二醇70份；亚丙基-1,2-二异氰酸酯50份；玻璃微珠15份；3,3'-二氯-4,4'-二苯基甲烷二胺5份，备用；

(2)聚亚安酯预聚物树脂的制备：

称量：按照如下重量份数称取原料：多亚甲基多苯基多异氰酸酯17份；二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯26份；异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚32份，备用；

聚亚安酯预聚物树脂的制备：将多亚甲基多苯基多异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯和异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚于45℃下混合均匀，得到聚亚安酯预聚物树脂；

(3)研磨垫的制备：

将乙二醇和亚丙基-1,2-二异氰酸酯在催化剂二月桂酸二丁基锡作用下，于75℃反应1.5h，得到聚氨酯预聚体；

其中，乙二醇和亚丙基-1,2-二异氰酸酯总物质的量与二月桂酸二丁基锡物质的量之比为250:1；

在聚氨酯预聚体中加入聚亚安酯预聚物树脂，然后通过浇注设备将玻璃微珠、3,3'-二氯-4,4'-二苯基甲烷二胺、聚氨酯预聚体和聚亚安酯预聚物树脂于55℃、3500r/min下均匀混合在一起，浇注至80℃模具中，室温下胶凝25min后脱模，然后在100℃下二次硫化18h，切片后得到所要求厚度的研磨垫。

实施例2

一种用于化学机械研磨的研磨垫的制备方法，包括如下步骤：

(1)称量：按照如下重量份数称取原料：聚亚安酯预聚物树脂70份；丙三醇60份；二苯甲烷二异氰酸酯40份；聚合物微珠10份；3,5-二甲硫基甲苯二胺15份，备用；

(2)聚亚安酯预聚物树脂的制备：

称量：按照如下重量份数称取原料：多亚甲基多苯基多异氰酸酯20份；二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯25份；异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚40份，备用；

聚亚安酯预聚物树脂的制备：将多亚甲基多苯基多异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯和异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚于50℃下混合均匀，得到聚亚安酯预聚物树脂；

(3)研磨垫的制备：

将丙三醇和二苯甲烷二异氰酸酯在催化剂二月桂酸二丁基锡作用下，于60℃反应2h，得到聚氨酯预聚体；

其中，丙三醇和二苯甲烷二异氰酸酯总物质的量与二月桂酸二丁基锡物质的量之比为200:1；

在聚氨酯预聚体中加入聚亚安酯预聚物树脂，然后通过浇注设备将聚合物微珠、3,5-二甲硫基甲苯二胺、聚氨酯预聚体和聚亚安酯预聚物树脂于55℃、3500r/min下均匀混合在一起，浇注至80℃模具中，室温下胶凝25min后脱模，然后在100℃下二次硫化18h，切片后得到所要求厚度的研磨垫。

实施例3

一种用于化学机械研磨的研磨垫的制备方法，包括如下步骤：

(1)称量：按照如下重量份数称取原料：聚亚安酯预聚物树脂90份；新戊二醇30份；环已烷-1,4-二异氰酸酯20份；玻璃微珠1份；4,4'-亚甲基双(2,6-二异丙基)苯胺30份，备用；

(2)聚亚安酯预聚物树脂的制备：

称量：按照如下重量份数称取原料：多亚甲基多苯基多异氰酸酯30份；二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯26份；异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚34份，备用；

聚亚安酯预聚物树脂的制备：将多亚甲基多苯基多异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯和异氰酸聚亚甲基聚亚苯基酯与α-氢-ω-羟基聚于60℃下混合均匀，得到聚亚安酯预聚物树脂；

(3)研磨垫的制备：

将新戊二醇和环已烷-1,4-二异氰酸酯在催化剂二月桂酸二丁基锡作用下，于50℃反应3h，得到聚氨酯预聚体；

其中，新戊二醇和环已烷-1,4-二异氰酸酯总物质的量与二月桂酸二丁基锡物质的量之比为200:1；

在聚氨酯预聚体中加入聚亚安酯预聚物树脂，然后通过浇注设备将4,4'-亚甲基双(2,6-二异丙基)苯胺、玻璃微珠、聚氨酯预聚体和聚亚安酯预聚物树脂于55℃、3500r/min下均匀混合在一起，浇注至80℃模具中，室温下胶凝25min后脱模，然后在100℃下二次硫化18h，切片后得到所要求厚度的研磨垫。

下面对实施例1-3制得的研磨垫进行力学性能测试，硬度按照ASTM D2240-2015进行测试；拉伸强度和断裂伸长率按照ASTM D412-16(2016)进行测试，具体性能参数和测试结果见表1：

表1实施例1-3制得的研磨垫的力学性能结果

使用该化学机械研磨垫进行研磨，对表面均匀性进行评价，具体结果如表2所示：

表2实施例1-3制得的研磨垫的表面均匀性结果

结果表明，本发明制得的化学机械研磨垫在保证速率的情况下，具有优异的良品率，有效克服被研磨面的表面不均匀和平坦性不充分问题，从而制得能够保证更均衡切除速率的改性抛光垫。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。