CN105408063A - 低密度抛光垫 - Google Patents

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Abstract

描述了低密度抛光垫和制造低密度抛光垫的方法。在一个实例中，用于将基质抛光的抛光垫包含具有小于0.5g/cc的密度且包含热固性聚氨酯材料(220)的抛光体(222)。多个闭孔(214,218)分散于热固性聚氨酯材料(220)中。

Description

低密度抛光垫
技术领域
本发明实施方案是化学机械抛光(CMP)的领域，特别是低密度抛光垫，和制造低密度抛光垫的方法。
背景
化学机械平坦化或化学机械抛光，通常缩写为CMP，为在半导体制造中用于将半导体晶片或其它基质平坦化的技术。
方法涉及使用研磨剂和腐蚀性化学品淤浆(通常胶体)与通常具有比晶片更大直径的抛光垫和扣环。通过动态抛光头将抛光垫和晶片挤压在一起并通过塑料扣环保持在一定位置。动态抛光头在抛光期间旋转。该路线帮助除去材料并倾向于使任何不规则形貌平坦，使得晶片为平或平面的。这可能是需要的以设置用于形成其它电路元件的晶片，例如这可能是需要的以使整个表面在光刻体系的景深(depthoffield)内，或者基于其位置选择性地除去材料。对于最新的亚50纳米技术节点，典型的景深要求降至埃等级。
材料除去方法不像在木头上研磨刮擦如砂纸一样简单。淤浆中的化学品也与待除去的材料反应和/或使待除去的材料弱化。研磨剂促进该弱化过程，抛光垫帮助将反应的材料从表面上擦除。除淤浆技术的进展外，抛光垫在越来越复杂的CMP操作中起明显作用。
然而，在CMP垫技术的进展中需要另外的改进。
概述
本发明实施方案包括低密度抛光垫和制造低密度抛光垫的方法。
在一个实施方案中，用于将基质抛光的抛光垫包含具有小于0.5g/cc的密度且包含热固性聚氨酯材料的抛光体。多个闭孔(closedcellpore)分散于热固性聚氨酯材料中。
在另一实施方案中，用于将基质抛光的抛光垫包含具有小于约0.6g/cc的密度且包含热固性聚氨酯材料的抛光体。多个闭孔分散于热固性聚氨酯材料中。多个闭孔具有双峰直径分布，所述双峰直径分布具有拥有第一粒度分布峰的第一直径模式和拥有第二不同粒度分布峰的第二直径模式。
在又一实施方案中，制造抛光垫的方法涉及将预聚物和增链剂或交联剂与多个微型元件混合以形成混合物。多个微型元件各自具有初始尺寸。该方法还涉及在成型模具中将混合物加热以提供包含热固性聚氨酯材料和分散于热固性聚氨酯材料中的多个闭孔的模制抛光体。多个闭孔通过在加热期间使多个微型元件各自膨胀至最终较大尺寸而形成。
附图简述
图1A为根据现有技术的POLITEX抛光垫的自上而下视图。
图1B为根据现有技术的POLITEX抛光垫的截面图。
图2A-2G阐述根据本发明一个实施方案用于制造抛光垫的操作的截面图。
图3阐述根据本发明一个实施方案的包含闭孔的低密度抛光垫在100x和300x放大倍数下的截面图，所述闭孔都基于致孔剂填料。
图4阐述根据本发明一个实施方案的包含闭孔的低密度抛光垫在100x和300x放大倍数下的截面图，所述闭孔一部分基于致孔剂填料且一部分基于气泡。
图5A阐述根据本发明一个实施方案，对于低密度抛光垫中的宽单峰孔径分布，总体作为孔径的函数的图。
图5B阐述根据本发明一个实施方案，对于低密度抛光垫中的窄单峰孔径分布，总体作为孔径的函数的图。
图6A阐述根据本发明一个实施方案，具有闭孔的约1:1双峰分布的低密度抛光垫的截面图。
图6B阐述根据本发明一个实施方案，对于图6A的抛光垫中的窄孔径分布，总体作为孔径的函数的图。
图6C阐述根据本发明一个实施方案，对于图6A的抛光垫中的宽孔径分布，总体作为孔径的函数的图。
图7阐述根据本发明一个实施方案，与低密度抛光垫相容的抛光设备的等轴侧视图。
详述
本文描述低密度抛光垫和制造低密度抛光垫的方法。在以下说明中，描述了大量具体细节，例如具体抛光垫设计和组成，以提供对本发明实施方案的彻底理解。本领域技术人员了解可不用这些具体细节而执行本发明的实施方案。在其它情况下，没有详细描述熟知的加工技术，例如关于将淤浆与抛光垫组合以进行半导体基质的化学机械平坦化(CMP)的细节，为了不必要地使本发明实施方案难理解。此外，应当理解图中所示各个实施方案为说明性显示，且未必按比例绘出。
本文所述一个或多个实施方案涉及制造具有小于约0.6克/立方厘米(g/cc)的低密度，特别是小于约0.5g/cc的低密度的抛光垫。所得垫可基于具有提供低密度的闭孔孔隙率的聚氨酯材料。低密度垫可例如用作磨光抛光垫或者用作设计用于专业化学机械抛光(CMP)应用如衬垫/屏障去除的抛光垫。在一些实施方案中，可制造本文所述抛光垫以具有与0.3g/cc至0.5g/cc，例如约0.357g/cc一样低的密度。在一个特定实施方案中，低密度垫具有与约0.2g/cc一样低的密度。
为提供上下文，典型的CMP垫具有约0.7-0.8g/cc的密度，且通常为至少高于0.5g/cc。通常，典型的CMP磨光垫具有使用对表面开放的大孔的“多孔”设计。复合聚氨酯皮包含在载体上，例如在POLITEX抛光垫的情况下。通常，磨光垫是非常柔软且以开孔隙率制成低密度的(例如纤维垫和“多孔”垫)。这类垫通常与CMP的两个基本问题有关：与常规闭孔聚氨酯(但较高密度)CMP垫相比的短寿命和较不一致的性能。图1A和1B分别为根据现有技术的POLITEX抛光垫的自上而下视图和截面图。参考图1A，POLITEX抛光垫的一部分100A在扫描电子显微镜(SEM)图像中放大300倍显示。参考图1B，POLITEX抛光垫的一部分100B在扫描电子显微镜(SEM)图像中放大100倍显示。参考图1A和1B，现有技术垫的开孔结构容易可见。
更一般而言，一个基本挑战是制造高孔隙率和低密度的闭孔聚氨酯垫。我们自己在通过模塑或浇铸方法制造低密度聚氨酯垫中的研究显示仅在将提高体积的致孔剂加入垫配制剂混合物中以最终在基于加入的致孔剂的垫材料中提供闭孔方面的难度。特别是，加入比用于典型垫配制剂的更多的致孔剂使配制剂的粘度提高至对浇铸或模塑方法而言不可操控的水平。该情况对包含在整个模塑或浇铸方法中保持基本相同体积的预膨胀致孔剂或致孔剂而言可能是特别困难的。根据本发明一个实施方案，在整个模塑或浇铸方法中提高体积的未膨胀致孔剂或致孔剂包含在用于最终生产的垫配制剂中。然而，在一个该实施方案中，如果所有最终闭孔由未膨胀致孔剂产生，则配制剂的粘度对铸造或模塑中的可操控性而言可能是太低的。因而，在一个实施方案中，除形成包含在整个模塑或浇铸方法中提高体积的未膨胀致孔剂或致孔剂的配制剂外，还包含在整个模塑或浇铸方法中保持基本相同体积的预膨胀致孔剂或致孔剂以能够调节垫配制剂的粘度。
因此，在一个实施方案中，在高于环境温度下膨胀的未膨胀致孔剂填料或不足膨胀致孔剂填料(都称为UPF)用于在通过铸造或模塑制造期间在抛光垫中产生多孔性。在一个该实施方案中，大量UPF包含在聚氨酯形成混合物中。UPF在垫铸造过程期间膨胀并产生具有闭孔的低密度垫。以上产生抛光垫的路线可具有与用于形成具有开孔的低密度垫的其它技术相比的优点。例如，仅基于气体注入或夹带而制造最终垫孔隙率可能要求专业设备，并且可能伴随在控制最终垫密度方面的困难和在控制最终孔径大小和分布中的困难。在另一实例中，仅基于就地气体生成，例如水与异氰酸酯结构部分(NCO)反应以产生CO2气泡而制造最终垫孔隙率可能伴随在控制空间分布方面的困难。
在本发明一方面中，低密度抛光垫可在模塑方法中制造。例如，图2A-2G阐述根据本发明一个实施方案，用于制造抛光垫中的操作的截面图。
参考图2A，提供成型模具200。参考图2B，将预聚物202和固化剂204(例如增链剂或交联剂)与多个微型元件混合以形成混合物。在一个实施方案中，多个微型元件为多个致孔剂206，例如填充或中空微球。在另一实施方案中，多个微型元件为多个气泡或液滴或者二者208。在另一实施方案中，多个微型元件为多个致孔剂206和多个气泡或液滴或者二者208的组合。
参考图2C，在成型模具200的底部显示来自图2B的所得混合物210。混合物210包含第一多个微型元件212，第一多个微型元件各自具有初始尺寸。如下文更详细地描述，第二多个微型元件214也可包含在混合物210中。
参考图2D，使成型模具200的盖216与成型模具200的底部结合，且混合物210采取成型模具200的形状。在一个实施方案中，在使成型模具200的盖216和底部结合时或者期间将模具200除气使得在成型模具210内部形成空穴或空隙。应当理解描述使成型模具的盖下降的本文所述实施方案仅需要实现成型模具的盖和底部结合。即，在一些实施方案中，成型模具的底部向成型模具的盖上升，而在其它实施方案中，当底部向盖上升时，成型模具的盖向成型模具的底部下降。
参考图2E，将混合物210在成型模具200中加热。多个微型元件212各自在加热期间膨胀至最终较大尺寸218。另外，参考图2F，加热用于将混合物210固化以提供围绕微型元件218以及如果存在的话微型元件214的部分或完全固化垫材料220。在一个该实施方案中，固化形成基于预聚物的材料和固化剂的交联基体。
集合地参考图2E和2F，应当理解微型元件212膨胀至最终较大尺寸218和使混合物210固化的顺序未必以所述顺序进行。在另一实施方案中，在加热期间，混合物210的固化在微型元件212膨胀至最终较大尺寸218以前进行。在另一实施方案中，在加热期间，混合物210的固化与微型元件212膨胀至最终较大尺寸218同时进行。在又一实施方案中，进行两个分开的加热操作以分别使混合物210固化和使微型元件212膨胀至最终较大尺寸218。
参考图2G，在一个实施方案中，上述方法用于提供低密度抛光垫220。低密度抛光垫222包含固化材料220且包含膨胀微型元件218以及在一些实施方案中其它微型元件214。在一个实施方案中，低密度抛光垫222包含热固性聚氨酯材料且膨胀微型元件218提供分散于热固性聚氨酯材料中的多个闭孔。再次参考图2G，图的下部为沿着a-a’轴取得的上部截面图的平面图。如平面图中所见，在一个实施方案中，低密度抛光垫222具有其中具有槽图案的抛光表面228。在一个特定实施方案中，如所示，槽图案包含径向槽226和同心圆形槽228。
再次参考图2D和2E，在一个实施方案中，多个微型元件212各自通过使多个微型元件各自的体积提高约3-1000个因子而膨胀至最终尺寸218。在一个实施方案中，多个微型元件212各自膨胀至最终尺寸214以提供多个微型元件218各自为约10-200μm的最终直径。在一个实施方案中，多个微型元件212各自通过使多个微型元件212各自的密度降低约3-1000个因子而膨胀至最终尺寸218。在一个实施方案中，多个微型元件212各自通过形成具有最终尺寸的多个微型元件218各自的基本球形形状而膨胀至最终尺寸218。
在一个实施方案中，多个微型元件212为加入的致孔剂、气泡或液泡，其然后在垫材料配制剂内膨胀以形成最终抛光垫材料内的闭孔。在一个该实施方案中，多个闭孔为通过使相应较小致孔剂膨胀而形成的多个较大致孔剂。例如，术语“致孔剂”可用于表示具有“中空”中心的微米-或纳米级球形或稍微球形颗粒。中空中心不用固体材料填充，而是可包含气体或液体核。在一个实施方案中，多个闭孔开始作为分布于整个混合物中的未膨胀气体填充或液体填充EXPANCELTM。在例如通过模塑方法由混合物形成抛光垫时和/或期间，未膨胀气体填充或液体填充EXPANCELTM膨胀。在一个具体实施方案中，EXPANCELTM用戊烷填充。在一个实施方案中，多个闭孔各自在其膨胀状态下，例如在最终产物中具有约10-100μm的直径。因此，在一个实施方案中，具有初始尺寸的多个微型元件各自包含物理壳，且具有最终尺寸的多个微型元件各自包含膨胀物理壳。在另一实施方案中，具有初始尺寸的多个微型元件212各自为液滴，且具有最终尺寸的多个微型元件218各自为气泡。在又一实施方案中，为形成具有最终尺寸的多个微型元件218，混合形成混合物210进一步涉及将气体注入预聚物和增链剂或交联剂中或者注入由其形成的产物中。在一个具体的该实施方案中，预聚物为异氰酸酯，且混合进一步涉及将水加入预聚物中。在任何情况下，在一个实施方案中，多个闭孔包括彼此离散的孔。这与开孔相反，所述开孔可通过通道相互连接，例如普通海绵中的孔的情况。
再次参考图2C-2E，在一个实施方案中，将预聚物202和增链剂或交联剂204与多个微型元件212混合进一步涉及与第二多个微型元件214混合以形成混合物210。第二多个微型元件214各自具有一定尺寸。在一个该实施方案中，与图2E相关描述的加热在足够低的温度下进行使得第二多个微型元件214各自的尺寸在加热以前和以后是基本相同的，如图2E中所述。在一个具体的该实施方案中，加热在约100℃或更小的温度下进行，且第二多个微型元件214具有大于约130℃的膨胀阈值。在一个其它实施方案中，第二多个微型元件214具有比多个微型元件212的膨胀阈值更大的膨胀阈值。在一个具体的该实施方案中，第二多个微型元件214的膨胀阈值为大于约120℃，且多个微型元件212的膨胀阈值为小于约110℃。因而，在一个实施方案中，在加热期间，微型元件212在加热期间膨胀以提供膨胀微型元件218，同时微型元件214基本保持不变。
在一个实施方案中，第二多个微型元件214各自包含分布在整个(例如作为其中的其它组分)抛光垫中的预膨胀且气体填充的EXPANCELTM。即，对于微型元件214可能发生的任何显著膨胀在其包含在抛光垫形成中以前，即在包含在混合物210中以前进行。在一个具体实施方案中，预膨胀EXPANCELTM用戊烷填充。在一个实施方案中，微型元件214提供具有约10-100μm的直径的多个闭孔(也显示为214，在模塑方法期间具有很少或不具有变化)。在一个实施方案中，所得多个闭孔包括彼此离散的孔。这与开孔相反，所述开孔可通过通道相互连接，例如普通海绵中的孔的情况。
如上所述，通过加入比用于典型垫配制剂更多的致孔剂而提高孔隙率可使配制剂的粘度提高至对浇铸或模塑方法而言不可操控的水平。该情况对包含在整个模塑或浇铸方法中保持基本相同体积的预膨胀致孔剂或致孔剂而言可能是特别困难的。另一方面，如果所有最终闭孔由未膨胀致孔剂产生，则配制剂的粘度对铸造或模塑中的可操控性而言可能是太低的。为解决这种情况，根据本发明一个实施方案，概念上讲，预聚物202、增链剂或交联剂204和第二多个微型元件214的混合物具有一定粘度。同时，预聚物202、增链剂或交联剂204、具有初始尺寸的多个微型元件212和第二多个微型元件214的混合物基本具有相同的粘度。即，包含具有初始(较小)尺寸的多个微型元件212对混合物的粘度具有很少或不具有影响。在一个实施方案中，用于最佳模塑条件的所述粘度则可基于包含具有在整个模塑方法中保持基本恒定的尺寸的第二多个微型元件而选择。在一个该实施方案中，粘度则为预定粘度，且混合物210中第二多个微型元件214的相对量基于预定粘度选择。并且，在一个实施方案中，多个微型元件212对混合物210的粘度具有很少或者不具有影响。
再次参考图2E，在一个实施方案中，在包含两种不同的多个微型元件的情况下，如所述，具有膨胀最终尺寸的多个微型元件218各自具有与在加热过程中不膨胀的多个微型元件214各自近似相同的形状和尺寸。然而，应当理解具有膨胀最终尺寸的多个微型元件218各自未必具有与多个微型元件214各自相同的形状和/或尺寸。在一个实施方案中，如下文关于图6A-6C更详细地描述，所得垫222的模制抛光体包含具有拥有第一粒度分布峰的第一直径模式的多个膨胀微型元件218作为闭孔。也作为闭孔包含在内的是具有拥有第二不同粒度分布峰的第二直径模式的第二多个微型元件214。在一个该实施方案中，微型元件218的多个闭孔和微型元件214的第二多个闭孔在热固性聚氨酯材料中提供为低密度抛光垫222的热固性聚氨酯材料总体积的约55-80％的总孔体积。
再次参考图2D-2G，在一个实施方案中，将混合物210加热以提供模制抛光体222涉及形成具有小于0.5g/cc的密度的抛光体222。然而，在一个该实施方案中，混合物210在加热以前具有大于0.5g/cc的密度。在一个实施方案中，预聚物202为异氰酸酯且增链剂或交联剂204为芳族二胺化合物，且抛光垫222包含热固性聚氨酯材料220。在一个该实施方案中，形成混合物210进一步涉及将不透明填料加入预聚物202和增链剂或交联剂204中以最终提供不透明模塑抛光体222。在一个具体的该实施方案中，不透明填料为一种材料，例如但不限于氮化硼、氟化铈、石墨、氟化石墨、硫化钼、硫化铌、滑石、硫化钽、二硫化钨或特氟隆。在一个实施方案中，如上文简短地提到的，混合物210在模具200中仅部分固化，且在一个实施方案中，在从成型模具220中取出以后在炉中进一步固化。
在一个实施方案中，使用抛光垫前体混合物210以最终形成包含热固性闭孔聚氨酯材料的模制均匀抛光体222。在一个该实施方案中，使用抛光垫前体混合物210以最终形成硬垫，且仅使用单一类型的固化剂204。在另一实施方案中，使用抛光垫前体混合物210以最终形成软垫，并使用主要和二级固化剂的组合(一起作为210提供)。例如，在一个具体实施方案中，预聚物202包含聚氨酯前体，主固化剂包含芳族二胺化合物，且二级固化剂包含醚键。在一个特定实施方案中，聚氨酯前体为异氰酸酯，主固化剂为芳族二胺，且二级固化剂为固化剂，例如但不限于聚四亚甲基二醇、氨基官能化二醇或氨基官能化聚氧化丙烯。在一个实施方案中，预聚物202、主固化剂和二级固化剂(一起为204)具有106份预聚物、85份主固化剂和15份二级固化剂的近似摩尔比，即提供约1:0.96预聚物:固化剂的化学计量。应当理解比的变化可用于提供具有改***度值的抛光垫，或者基于预聚物以及第一和第二固化剂的具体性质。
再次参考图2G，如上所述，在一个实施方案中，在成型模具200中加热涉及在模制抛光体222的抛光表面224中形成槽图案。所示槽图案包含径向槽和同心圆形圆周槽。应当理解可省略径向槽或圆周槽。此外，同心圆周槽可代替地为多边形，例如嵌套三角形、正方形、五边形、六边形等。作为选择，抛光表面可代替地基于凸起而不是槽。此外，可制造抛光表面中不具有槽的低密度抛光垫。在一个该实例中，使用模制设备的非图案化盖代替图案化盖。或者作为选择，可省略模制期间盖的使用。在模制期间使用盖的情况下，可将混合物210在约2-12磅/平方英寸的压力下加热。
一方面，可制造具有闭孔的低密度垫。例如，在一个实施方案中，抛光垫包含具有小于0.6的密度且包含热固性聚氨酯材料的抛光体。多个闭孔分散于热固性聚氨酯材料中。在一个特定实施方案中，密度为小于0.5g/cc。在一个实施方案中，多个闭孔在热固性聚氨酯材料中提供为热固性聚氨酯材料总体积的约55-80％的总孔体积。在一个实施方案中，多个闭孔各自为基本球形的。在一个实施方案中，抛光体进一步包含第一有槽表面；和与第一表面相对的第二平表面，如关于图2G所述。在一个实施方案中，抛光体为均匀抛光体，如下文更详细地描述。
在一个示例实施方案中，多个闭孔各自包含含有不同于热固性聚氨酯材料的材料的物理壳。在这种情况下，闭孔可如上所述通过用于最终垫制造的混合物中包含致孔剂而制造。
在另一示例实施方案中，多个闭孔各自包含含有不同于热固性聚氨酯材料的材料的物理壳。第一部分多个闭孔的物理壳包含与第二部分多个闭孔的物理壳不同的材料。在这种情况下，闭孔可如上所述通过用于最终垫制造的混合物中包含两类致孔剂(例如膨胀和未膨胀的)而制造。
在另一示例实施方案中，仅一部分多个闭孔各自包含含有不同于热固性聚氨酯材料的材料的物理壳。在这种情况下，闭孔可如上所述通过用于最终垫制造的混合物中包含致孔剂和气泡或液滴而制造。
在另一示例实施方案中，多个闭孔各自不包含具有不同于热固性聚氨酯材料的材料的物理壳。在这种情况下，闭孔可如上所述通过用于最终垫制造的混合物中包含气泡或液体或者二者而制造。
图3阐述根据本发明一个实施方案的包含闭孔的低密度抛光垫300在100x和300x放大倍数下的截面图，所述闭孔都基于致孔剂填料。参考图3，所述所有孔由致孔剂形成，因而都包含物理壳。一部分孔由预膨胀Expancel致孔剂形成。另一部分由未膨胀Expancel致孔剂形成，其在用于制造抛光垫300的模塑方法期间膨胀。在一个该实施方案中，未膨胀Expancel刻意在低温下膨胀。模塑或浇铸方法温度高于膨胀温度，且Expancel在模塑或浇铸期间快速膨胀。垫300的密度为约0.45，且垫中的所有孔为闭孔。
图4阐述根据本发明一个实施方案的包含闭孔的低密度抛光垫400在100x和300x放大倍数下的截面图，所述闭孔一部分基于致孔剂填料且一部分基于气泡。参考图4，所示小孔由致孔剂形成，因而包含物理壳。更具体而言，小孔由预膨胀Expancel致孔剂形成。大孔使用气体形成。更具体而言，大孔使用恰在模塑或浇铸以前注入垫配制剂混合物中的少量水和表面活性剂形成。在用于链延长的化学反应期间，存在水与NCO的竞争化学反应以形成CO2并产生孔。应当理解表面活性剂类型和浓度，以及催化剂类型和含量控制孔径大小和闭孔/开孔比。垫400的密度为约0.37且垫中明显大部分孔为闭孔。
一方面，抛光垫中的孔径分布可具有钟形曲线或单峰分布。例如，图5A阐述根据本发明一个实施方案，对于低密度抛光垫中的宽单峰孔径分布，总体作为孔径的函数的图。参考图5A的图500A，单峰分布可以为相对宽的。作为另一实例，图5B阐述根据本发明一个实施方案，对于低密度抛光垫中的窄单峰孔径分布，总体作为孔径的函数的图。参考图5A的图500B，单峰分布可以为相对窄的。在窄分布或宽分布中，在抛光垫中仅提供一个最大直径总体，例如在40μm下的最大总体(如作为实例所示)。
另一方面，低密度抛光垫可替代地以双峰孔径分布制造。作为实例，图6A阐述根据本发明一个实施方案，具有闭孔的约1:1双峰分布的低密度抛光垫的截面图。
参考图6A，抛光垫600包含均匀抛光体601。均匀抛光体601包含热固性聚氨酯材料且具有置于均匀抛光体601中的多个闭孔602。多个闭孔602具有多峰直径分布。在一个实施方案中，多峰直径分布为包含小直径模式604和大直径模式606的双峰直径分布，如图6A所述。
在一个实施方案中，多个闭孔602包括相互离散的孔，如图6A所述。这与开孔相反，所述开孔可通过通道相互连接，例如普通海绵中的孔的情况。在一个实施方案中，闭孔各自包含物理壳，例如致孔剂的壳。然而，在另一实施方案中，一些或所有闭孔不包含物理壳。在一个实施方案中，多个闭孔602以及因此的多峰直径分布在整个均匀抛光体601的热固性聚氨酯材料中基本均匀且均一地分布，如图6A所述。
在一个实施方案中，多个闭孔602的双峰孔径分布可以为约1:1，如图6A所述。为了更好地阐述该概念，图6B阐述根据本发明一个实施方案，对于图6A的抛光垫中的窄孔径分布，总体作为孔径的函数的图620。图6C阐述根据本发明一个实施方案，对于图6A的抛光垫中的宽孔径分布，总体作为孔径的函数的图630。
参考图6A-6C，大直径模式606的最大总体的直径值为小直径模式604的最大总体的直径值的大约两倍。例如，在一个实施方案中，大直径模式606的最大总体的直径值为约40μm，且小直径模式604的最大总体的直径值为约20μm，如图6B和6C所述。作为另一实例，大直径模式606的最大总体的直径值为约80μm且小直径模式604的最大总体的直径值为约40μm。
参考图6B的图620，在一个实施方案中，孔径分布是窄的。在一个具体实施方案中，大直径模式606的总体基本不与小直径模式604的总体重叠。然而，参考图6C的参考图630，在另一实施方案中，孔径分布为宽的。在一个具体实施方案中，大直径模式606的总体与小直径模式604的总体重叠。应当理解双峰孔径分布未必为1:1，如上文关于图6A-6C所述。另外，双峰孔径分布未必为均匀的。在另一实施方案中，闭孔的多峰直径分布在整个热固性聚氨酯材料中以从第一有槽表面至第二平表面的梯度分级。在一个该实施方案中，分级多峰直径分布为双峰直径分布，其包含接近第一有槽表面的小直径模式和接近第二平表面的大直径模式。
在一个实施方案中，低密度抛光垫则具有拥有双峰直径分布的多个闭孔，所述双峰直径分布具有拥有第一粒度分布峰的第一直径模式和拥有第二不同粒度分布峰的第二直径模式。在一个该实施方案中，第一直径模式的闭孔各自包含含有不同于热固性聚氨酯材料的材料的物理壳。在一个具体的该实施方案中，第二直径模式的闭孔各自包含含有不同于热固性聚氨酯材料的材料的物理壳。在一个特定的该实施方案中，第二直径模式的闭孔各自的物理壳包含与第一直径模式的闭孔的物理壳的材料不同的材料。
在一个实施方案中，第一直径模式的第一粒度分布峰具有约10-50μm的直径，且第二直径模式的粒度分布的第二峰具有约10-150μm的直径。在一个实施方案中，第一直径模式与第二直径模式重叠。然而，在另一实施方案中，第一直径模式基本与第二直径模式不重叠。在一个实施方案中，第一直径模式的计数数目总体不等于第二直径模式的计数数目总体。然而，在另一实施方案中，第一直径模式的计数数目总体近似地等于第二直径模式的计数数目总体。在一个实施方案中，双峰直径分布基本均匀地分布于整个热固性聚氨酯材料中。然而，在另一实施方案中，双峰直径分布以分级方式分布于整个热固性聚氨酯材料中。
在一个实施方案中，本文所述低密度抛光垫，例如抛光垫222、300或400或其上述变体适于将基质抛光。在一个该实施方案中，抛光垫用作磨光垫。基质可以为用于半导体制造工业中的一种，例如具有置于其上的器件或其它层的硅基质。然而，基质可以为一种，例如但不限于用于MEMS器件、光罩或太阳能模块的基质。因此，如本文所用提及“用于将基质抛光的抛光垫”意欲包括这些和相关可能性。
本文所述低密度抛光垫，例如抛光垫222、300或400或其上述变体可包含热固性聚氨酯材料的均匀抛光体。在一个实施方案中，均匀抛光体包含热固性闭孔聚氨酯材料。在一个实施方案中，术语“均匀”用于表示热固性闭孔聚氨酯材料的组成在抛光体的整个组成中是一致的。例如，在一个实施方案中，术语“均匀”不包括包含例如浸渍毡或具有多个不同材料层的组合物(复合物)的抛光垫。在一个实施方案中，术语“热固性”用于表示不可逆地固化的聚合物材料，例如材料前体通过固化不可逆地变成不可熔、不可溶聚合物网络。例如，在一个实施方案中，术语“热固性”不包括包含例如“热塑性”材料或“热塑性塑料”的抛光垫—那些材料包含当加热时转变成液体并在充分冷却时恢复非常玻璃态的聚合物。应当指出，由热固性材料制成的抛光垫通常由在化学反应中反应形成聚合物的较低分子量前体制造，而由热塑性材料制成的垫通常通过将预先存在的聚合物加热以导致相变使得抛光垫以物理方法形成而制造。聚氨酯热固性聚合物可基于其稳定的热和机械性能、对化学环境的抗性和抗磨性倾向而选择用于制造本文所述抛光垫。
在一个实施方案中，均匀抛光体在调节和/或抛光时具有约1-5μm均方根的抛光表面粗糙度。在一个实施方案中，均匀抛光体在调节和/或抛光时具有约2.35μm均方根的抛光表面粗糙度。在一个实施方案中，均匀抛光体具有在25℃下约30-120兆帕斯卡(MPa)的储能模量。在另一实施方案中，均匀抛光体具有在25℃下约小于30兆帕斯卡(MPa)的储能模量。在一个实施方案中，均匀抛光体具有约2.5％的可压缩性。
在一个实施方案中，本文所述低密度抛光垫，例如抛光垫222、300或400或其上述变体包含模制均匀抛光体。术语“模制”用于表示均匀抛光体在成型模具中形成，如上文关于图2A-2G更详细地描述的。应当理解在其它实施方案中，可代替地使用浇铸方法以制造低密度抛光垫，例如上述那些。
在一个实施方案中，均匀抛光体为不透明的。在一个实施方案中，术语“不透明”表示容许约10％或更少可见光通过的材料。在一个实施方案中，均匀抛光体在多数部分中为不透明的，或者由于在整个均匀抛光体的均匀热固性闭孔聚氨酯材料中包含不透明填料(例如作为其中的其它组分)。在一个具体实施方案中，不透明填料为材料，例如但不限于氮化硼、氟化铈、石墨、氟化石墨、硫化钼、硫化铌、滑石、硫化钽、二硫化钨或特氟隆。
低密度抛光垫，例如垫222、300或400的尺寸可根据应用变化。虽然如此，可使用某些参数用于制造与常规加工设备或者甚至与常规化学机械加工操作相容的抛光垫。例如，根据本发明一个实施方案，低密度抛光垫具有约0.075英寸至0.130英寸，例如约1.9-3.3mm的厚度。在一个实施方案中，低密度抛光垫具有约20英寸至30.3英寸，例如约50-77cm的直径，以及可能约10英寸至42英寸，例如约25-107cm。
在本发明另一实施方案中，本文所述低密度抛光垫进一步包含置于抛光垫中的局部面积透明(LAT)区。在一个实施方案中，LAT区置于抛光垫中，并与抛光垫共价结合。合适LAT区的实例描述于2010年1月13日提交且授予NexPlanarCorporation的美国专利申请12/657,135和2010年9月30日提交且授予NexPlanarCorporation的美国专利申请12/895,465中。在可选或另外的实施方案中，低密度抛光垫进一步包含置于抛光表面和抛光体中的孔(aperture)。该孔可容纳，例如包含在抛光工具的压板中的检测装置。粘结片置于抛光体的背面上。粘结片提供对抛光体背面上的孔的不透性密封。合适孔的实例描述于2011年7月15日提交且授予NexPlanarCorporation的美国专利申请13/184,395中。在另一实施方案中，低密度抛光垫进一步包含例如与涡流检测***一起使用的检测区。合适的涡流检测区的实例描述于2010年9月30日提交并授予NexPlanarCorporation的美国专利申请12/895,465中。
本文所述低密度抛光垫，例如抛光垫222、300或400或其上述变体可进一步包含置于抛光体背面上的基底层。在一个该实施方案中，结果是具有与抛光表面的材料不同的本体或基底材料的抛光垫。在一个实施方案中，复合抛光垫包含由稳定的基本不可压缩惰性材料制造的基底或本体层，抛光表面层置于其上。较硬的基底层可提供对垫完整性的支持和强度，而较软的抛光表面层可降低刮擦，从而能使抛光垫的抛光层和其余部分的材料性能去耦。合适基底层的实例描述于2011年11月29日提交且授予NexPlanarCorporation的美国专利申请13/306,845中。
本文所述低密度抛光垫，例如抛光垫222、300或400或其上述变体可进一步包含置于抛光体背面上的子垫，例如CMP领域中已知的常规子垫。在一个该实施方案中，子垫包含材料，例如但不限于泡沫、橡胶、纤维、毡或高度多孔材料。
作为描述的基础，再次参考图2G，在低密度抛光垫如本文所述那些中形成的槽图案的各个槽在各个槽上的任何给定点处可以为约4至约100密耳深。在一些实施方案中，槽在各个槽上的任何给定点处可以为约10至约50密耳深。槽可具有均匀深度、可变深度或其任何组合。在一些实施方案中，槽都具有均匀深度。例如，槽图案的槽可都具有相同的深度。在一些实施方案中，槽图案的一些槽可具有特定均匀深度，而相同图案的其它槽可具有不同的均匀深度。例如，槽深度可随着从抛光垫中心的距离提高而提高。然而，在一些实施方案中，槽深度随着从抛光垫中心的距离提高而降低。在一些实施方案中，具有均匀深度的槽与具有可变深度的槽交替。
在低密度抛光垫如本文所述那些中形成的槽图案的各个槽在各个槽上的任何给定点处为约2至约100密耳宽。在一些实施方案中，槽在各个槽上的任何给定点处为约15至约50密耳宽。槽可具有均匀宽度、可变宽度或其任何组合。在一些实施方案中，槽都具有均匀宽度。然而，在一些实施方案中，同心的一些槽具有特定均匀宽度，而相同图案的其它槽具有不同的均匀宽度。在一些实施方案中，槽宽度随着从抛光垫中心的距离提高而提高。在一些实施方案中，槽宽度随着从抛光垫中心的距离提高而降低。在一些实施方案中，具有均匀宽度的槽与具有可变宽度的槽交替。
根据先前描述的深度和宽度尺寸，本文所述槽图案的各个槽，包括在抛光垫的孔位置处或附近的槽可具有均匀体积、可变体积或其任何组合。在一些实施方案中，槽都具有均匀体积。然而，在一些实施方案中，槽体积随着从抛光垫中心的距离提高而提高。在一些实施方案中，槽体积随着从抛光垫中心的距离提高而降低。在一些实施方案中，具有均匀体积的槽与具有可变体积的槽交替。
本文所述槽图案的槽可具有约30至约1000密耳的间距。在一些实施方案中，槽具有约125密耳的间距。对于圆形抛光垫，槽间距沿着圆形抛光垫的半径测量。在CMP带中，槽间距从CMP带的中心至CMP带的边缘测量。槽可具有均匀间距、可变间距或其任何组合。在一些实施方案中，槽都具有均匀间距。然而，在一些实施方案中，槽间距随着从抛光垫中心的距离提高而提高。在一些其它实施方案中，槽间距随着从抛光垫中心的距离提高而降低。在一些实施方案中，一个区域中槽的间距随着从抛光垫中心的距离提高而改变，而相邻区域中槽的间距保持为均匀的。在一些实施方案中，一个区域中槽的间距随着从抛光垫中心的距离提高而提高，同时相邻区域中槽的间距以不同的比率提高。在一些实施方案中，一个区域中槽的间距随着从抛光垫中心的距离提高而提高，同时相邻区域中槽的间距随着从抛光垫中心的距离提高而降低。在一些实施方案中，具有均匀间距的槽与具有可变间距的槽交替。在一些实施方案中，具有均匀间距的槽的区域与具有可变间距的槽的区域交替。
本文所述抛光垫可适用于多种化学机械抛光设备。作为实例，图7阐述根据本发明一个实施方案，与低密度抛光垫相容的抛光设备的等轴侧视图。
参考图7，抛光设备700包括压板704。压板704的顶面702可用于支撑低密度抛光垫。压板704可配置用于提供主轴旋转706和滑块振动708。试样载体710用于在将半导体晶片用抛光垫抛光期间将例如半导体晶片711保持在一定位置。试样载体710进一步由悬浮机制712支持。包括淤浆进料714以在将半导体晶片抛光以前和期间将淤浆供入抛光垫的表面。还可包括调节装置790，在一个实施方案中，包括用于调节抛光垫的金刚石尖。
因此，公开了低密度抛光垫和制造低密度抛光垫的方法。根据本发明一个实施方案，用于将基质抛光的抛光垫包含具有小于0.5g/cc的密度且包含热固性聚氨酯材料的抛光体。多个闭孔分散于热固性聚氨酯材料中。在一个实施方案中，抛光体为均匀抛光体。

Claims (61)

1.用于将基质抛光的抛光垫，所述抛光垫包含：
具有小于0.5g/cc的密度的抛光体，所述抛光体包含：
热固性聚氨酯材料；和
分散于热固性聚氨酯材料中的多个闭孔。
2.根据权利要求1的抛光垫，其中抛光体为均匀抛光体。
3.根据权利要求1的抛光垫，其中多个闭孔各自包含物理壳，所述物理壳含有不同于热固性聚氨酯材料的材料。
4.根据权利要求3的抛光垫，其中第一部分多个闭孔的物理壳包含与第二部分多个闭孔的物理壳不同的材料。
5.根据权利要求1的抛光垫，其中仅一部分多个闭孔各自包含物理壳，所述物理壳含有不同于热固性聚氨酯材料的材料。
6.根据权利要求1的抛光垫，其中多个闭孔各自不包含具有不同于热固性聚氨酯材料的材料的物理壳。
7.根据权利要求1的抛光垫，其中多个闭孔在热固性聚氨酯材料中提供为热固性聚氨酯材料总体积的约55-80％的总孔体积。
8.根据权利要求1的抛光垫，其中抛光体进一步包含：
第一有槽表面；和
与第一表面相对的第二平表面。
9.根据权利要求1的抛光垫，其中多个闭孔各自为基本球形的。
10.根据权利要求1的抛光垫，其中多个闭孔具有双峰直径分布，其具有拥有第一粒度分布峰的第一直径模式和拥有第二不同粒度分布峰的第二直径模式。
11.根据权利要求10的抛光垫，其中第一直径模式的闭孔各自包含物理壳，所述物理壳含有不同于热固性聚氨酯材料的材料。
12.根据权利要求11的抛光垫，其中第二直径模式的闭孔各自包含物理壳，所述物理壳含有不同于热固性聚氨酯材料的材料。
13.根据权利要求12的抛光垫，其中第二直径模式的闭孔各自的物理壳包含与第一直径模式的闭孔的物理壳不同的材料。
14.根据权利要求10的抛光垫，其中第一直径模式的第一粒度分布峰具有约10-50μm的直径，且其中第二直径模式的粒度分布的第二峰具有约10-150μm的直径。
15.根据权利要求10的抛光垫，其中第一直径模式与第二直径模式重叠。
16.根据权利要求10的抛光垫，其中第一直径模式基本不与第二直径模式重叠。
17.根据权利要求10的抛光垫，其中第一直径模式的计数数目总体不等于第二直径模式的计数数目总体。
18.根据权利要求10的抛光垫，其中第一直径模式的计数数目总体近似地等于第二直径模式的计数数目总体。
19.根据权利要求10的抛光垫，其中双峰直径分布基本均匀地分布在整个热固性聚氨酯材料中。
20.根据权利要求1的抛光垫，其中抛光体为模制抛光体。
21.根据权利要求1的抛光垫，其中抛光体进一步包含：近似均匀地分布在整个抛光体中的不透明填料。
22.根据权利要求1的抛光垫，其进一步包含：置于抛光体的背面上的基底层。
23.根据权利要求1的抛光垫，其进一步包含：置于抛光体的背面上的检测区。
24.根据权利要求1的抛光垫，其进一步包含：置于抛光体的背面上的子垫。
25.根据权利要求1的抛光垫，其进一步包含：置于抛光体中并与抛光体共价结合的局部面积透明(LAT)区。
26.用于将基质抛光的抛光垫，所述抛光垫包含：
具有小于约0.6g/cc的密度的抛光体，所述抛光体包含：
热固性聚氨酯材料；和
分散于热固性聚氨酯材料中的多个闭孔，所述多个闭孔具有双峰直径分布，所述双峰直径分布具有拥有第一粒度分布峰的第一直径模式和拥有第二不同粒度分布峰的第二直径模式。
27.根据权利要求26的抛光垫，其中抛光体为均匀抛光体。
28.根据权利要求26的抛光垫，其中第一直径模式的闭孔各自包含物理壳，所述物理壳含有不同于热固性聚氨酯材料的材料。
29.根据权利要求28的抛光垫，其中第二直径模式的闭孔各自包含物理壳，所述物理壳含有不同于热固性聚氨酯材料的材料。
30.根据权利要求29的抛光垫，其中第二直径模式的闭孔各自的物理壳包含与第一直径模式的闭孔的物理壳的材料不同的材料。
31.根据权利要求26的抛光垫，其中第一直径模式的第一粒度分布峰具有约10-50μm的直径，且其中第二直径模式的第二粒度分布峰具有约10-150μm的直径。
32.根据权利要求26的抛光垫，其中第一直径模式与第二直径模式重叠。
33.根据权利要求26的抛光垫，其中第一直径模式基本不与第二直径模式重叠。
34.根据权利要求26的抛光垫，其中第一直径模式的计数数目总体不等于第二直径模式的计数数目总体。
35.根据权利要求26的抛光垫，其中第一直径模式的计数数目总体近似地等于第二直径模式的计数数目总体。
36.根据权利要求26的抛光垫，其中双峰直径分布基本均匀地分布于整个热固性聚氨酯材料中。
37.制造抛光垫的方法，所述方法包括：
将预聚物和增链剂或交联剂与多个微型元件混合以形成混合物，所述多个微型元件各自具有初始尺寸；和
在成型模具中将混合物加热以提供包含热固性聚氨酯材料和分散于热固性聚氨酯材料中的多个闭孔的模制抛光体，所述多个闭孔通过在加热期间使多个微型元件各自膨胀至最终较大尺寸而形成。
38.根据权利要求37的方法，其中使多个微型元件各自膨胀至最终尺寸包括使多个微型元件各自的体积提高约3-1000个因子。
39.根据权利要求37的方法，其中使多个微型元件各自膨胀至最终尺寸包括提供多个微型元件各自为约10-200μm的最终直径。
40.根据权利要求37的方法，其中使多个微型元件各自膨胀至最终尺寸包括使多个微型元件各自的密度降低约3-1000个因子。
41.根据权利要求37的方法，其中使多个微型元件各自膨胀至最终尺寸包括形成具有最终尺寸的各多个微型元件的基本球形形状。
42.根据权利要求37的方法，其中将预聚物和增链剂或交联剂与多个微型元件混合包括与第二多个微型元件混合以形成混合物，所述第二多个微型元件各自具有一定尺寸。
43.根据权利要求42的方法，其中加热在足够低的温度下进行使得第二多个微型元件各自的尺寸在加热以前和以后是基本相同的。
44.根据权利要求43的方法，其中加热在约100℃或更小的温度下进行，且其中第二多个微型元件具有大于约130℃的膨胀阈值。
45.根据权利要求42的方法，其中第二多个微型元件具有比多个微型元件的膨胀阈值更大的膨胀阈值。
46.根据权利要求45的方法，其中第二多个微型元件的膨胀阈值大于约120℃，且多个微型元件的膨胀阈值小于约110℃。
47.根据权利要求42的方法，其中预聚物、增链剂或交联剂和第二多个微型元件的混合物具有粘度，且预聚物、增链剂或交联剂、具有初始尺寸的多个微型元件和第二多个微型元件的混合物基本具有该粘度。
48.根据权利要求47的方法，其中粘度为预定粘度，且混合物中第二多个微型元件的相对量基于预定粘度选择。
49.根据权利要求47的方法，其中多个微型元件对混合物的粘度具有很少或不具有影响。
50.根据权利要求42的方法，其中加热提供模制抛光体，所述模制抛光体包含热固性聚氨酯材料、分散于热固性聚氨酯材料中且通过使多个微型元件各自膨胀至最终尺寸而形成且具有拥有第一粒度分布峰的第一直径模式的多个闭孔，和分散于热固性聚氨酯材料中且由第二多个微型元件形成且具有拥有第二不同粒度分布峰的第二直径模式的第二多个闭孔。
51.根据权利要求50的方法，其中多个闭孔和第二多个闭孔在热固性聚氨酯材料中提供为热固性聚氨酯材料总体积的约55-80％的总孔体积。
52.根据权利要求37的方法，其中将混合物加热以提供模制抛光体包括形成具有小于0.5g/cc的密度的抛光体。
53.根据权利要求52的方法，其中混合物在加热以前具有大于0.5g/cc的密度。
54.根据权利要求37的方法，其中混合进一步包括将气体注入预聚物和增链剂或交联剂中，或者注入由其形成的产物中。
55.根据权利要求37的方法，其中预聚物为异氰酸酯，且混合进一步包括将水加入预聚物中。
56.根据权利要求37的方法，其中将预聚物和增链剂或交联剂混合包括分别将异氰酸酯和芳族二胺化合物混合。
57.根据权利要求37的方法，其中混合进一步包括将不透明填料加入预聚物和增链剂或交联剂中以提供不透明模塑抛光体。
58.根据权利要求37的方法，其中将混合物加热包括首先在成型模具中部分地固化，然后在炉中进一步固化。
59.根据权利要求37的方法，其中在成型模具中加热包括在模制抛光体的抛光表面中形成槽图案。
60.根据权利要求37的方法，其中具有初始尺寸的多个微型元件各自包含物理壳，且其中具有最终尺寸的多个微型元件各自包含膨胀物理壳。
61.根据权利要求37的方法，其中具有初始尺寸的多个微型元件各自为液滴，且其中具有最终尺寸的多个微型元件各自为气泡。
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