CN107553313B - 一种抛光垫、聚氨酯抛光层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种抛光垫、聚氨酯抛光层及其制备方法，属于化学机械平面化处理的抛光技术领域。热膨胀系数为70‑200ppm/℃的聚氨酯抛光层含有由多成分反应生成的反应产物。多成分包括：异氰酸酯封端的预聚物，中空微孔聚合物，及固化剂组合物。固化剂组合物包含：5～55wt％脂肪族二元胺组合物、0～8wt％多元胺组合物、40～90wt％芳香族双官能组合物。聚氨酯抛光层密度为0.6～1.1g/cm³，邵氏硬度为45～70D，断裂伸长率为50～450％。所述聚氨酯抛光层的制备工艺简单、成本低、能耗小。由所述工艺制备的聚氨酯抛光层具有水解稳定性高、密度均一、去除率稳定等优点。

Description

一种抛光垫、聚氨酯抛光层及其制备方法

技术领域

本发明涉及化学机械平面化处理的抛光技术领域，具体而言，涉及一种抛光垫、聚氨酯抛光层及其制备方法。

背景技术

在半导体器件制备过程中，随着制程技术的升级，导线与栅极之间的尺寸不断缩小，光刻技术对晶圆表面的平坦程度要求越来越高。自1991年IBM将化学机械研磨(CMP)技术成功应用到64Mb DRAM的生产中后，CMP技术得到了快速发展，目前已广泛应用于半导体晶片、存储磁盘以及高精光学材料的平坦化应用中。化学机械研磨亦称为化学机械抛光，是将化学腐蚀同机械去除相结合的技术，是目前机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术。常规的CMP过程如下：将待加工材料固定在支架上，以待抛光表面朝下的方式在一定压力下压向固定在机台上的抛光垫上，借助于待加工材料和抛光垫的相对旋转，在抛光液存在下，利用磨粒的机械切削以及氧化剂的化学腐蚀，完成对工件表面的材料去除，并获得光洁表面。

随着集成电路的特征尺寸向着深纳米制程的发展过程中，制造工艺对介电材料提出了更高的要求，为了抑制金属线间串扰增大带来的互联延迟，越来越多的低κ，甚至超低κ介电材料应用于其中。然而，低κ以及超低κ介电材料，通常是以提高材料的孔隙率的方式来获得的。因而与常规的电介质相比，低κ和超低κ电介质倾向于具有更低的机械强度和更差的粘附力，从而使得平整化处理更困难。

此外，随着特征尺寸的减小，CMP过程导致的缺陷，例如划痕变成了更大的问题，因此，先进制程的工艺，例如特征尺寸为28nm以及低于28nm的工艺，要求抛光垫具有更低的缺陷、更少的划痕以及对于低κ和超低κ材料更好的去除率。

聚氨酯抛光垫是高精密抛光领域中应用最多的抛光垫类型，其以良好的耐磨性能、极高的抗撕裂强度以及适当的耐酸碱腐蚀性能而能够应用于抛光硅晶片、图案化的晶片、平板显示器以及磁盘存储器的制备工艺中。公知的是，使用低硬度的聚氨酯能够有效地降低抛光过程中产生的划痕等缺陷，但是与之相对应的则会降低去除速率，如何在划痕与去除速率之间达到一个理想的平衡，是抛光垫中研发中需要关注的重要话题。

另一方面，在抛光层的制造中，将聚氨酯浇铸成块状，然后再切割成一定厚度的薄片的方法已经被证明是一种行之有效的制造具有稳定的可再现性抛光性质的抛光垫的方法。然而不幸的是，使用浇铸切割法制造的聚氨酯抛光层会由于抛光垫的浇铸位置的不同而在抛光时产生一些或大或小的不同。

例如，从块状聚氨酯底部浇铸位置切割的抛光垫和顶部浇铸位置切割的抛光垫会具有不同的密度和孔隙率，通常而言，底部切割的抛光垫密度大于顶部，而孔隙率则呈现相反的结果。此外，在同一片抛光垫中，从中心到边缘，抛光垫也会显示出不同的密度分布，越靠近中心位置，密度越小；越靠近边缘，密度则越大。这些不同会对要求很高的用途，例如带低k图案的晶片造成负面影响。

发明内容

本发明的第一方面，提供了一种聚氨酯抛光层。所述的聚氨酯抛光层采用异氰酸酯封端的预聚物、中空微孔聚合物以及固化剂组合物为原料固化制作而成。其采用熔点和使用温度较低的多组分(如两组分和三组分)的固化剂，在初始反应低于70℃条件下通过固化反应得到密度均一，且具有较好的硬度、断裂伸长率、水解稳定性以及热膨胀系数的抛光层。另外，聚氨酯抛光层具有相对较均一的密度，从而使其边缘效应被改善，抛光作业时边缘部分和中心部分的去除率更接近。

本发明的第二方面，提供了一种上述聚氨酯抛光层的制备方法。所述的制备方法采用具有多组分且熔点低的组合物为固化剂，实现了70℃以下的初始反应温度，并且还可通过引入官能度大于等于3的原料，使得聚氨酯形成体型交联网状结构，改变弱相互作用的氢键为强相互作用的化学键，从而降低了抛光层的热膨胀系数，提高水解稳定性和去除率稳定性。

本发明的第三方面，提供了一种基于上述聚氨酯抛光层的抛光垫，其采用上述的聚氨酯抛光层作为功能层。所述的抛光垫可以实现对晶圆表面的更高精度的平坦化处理，获得更加光洁的表面。

本发明是这样实现的：

一种聚氨酯抛光层，用于制备化学机械抛光垫。聚氨酯抛光层密度为0.6～1.1g/cm³，邵氏硬度为45～70D，断裂伸长率为50～450％，聚氨酯抛光层的热膨胀系数为70-200ppm/℃。

聚氨酯抛光层含有由多成分反应生成的反应产物。

多成分包括：异氰酸酯封端的预聚物，中空微孔聚合物，及固化剂组合物。

固化剂组合物包含：5～55wt％脂肪族二元胺组合物，其中，脂肪族二元胺组合物的数均分子量为1000～5000；0～8wt％多元胺组合物，其中，多元胺组合物分子结构中至少含有三个伯胺基或至少含有三个仲胺基，多元胺组合物的数均分子量为250～6000；40～90wt％芳香族双官能组合物。

一种上述聚氨酯抛光层的制备方法包括：将液体状态的所述异氰酸酯封端的预聚物与所述中空微孔聚合物混合，真空脱气后得到第一产物。将所述第一产物在50℃下与所述固化剂组合物在高速剪切下混合，得到第二产物。控制所述第二产物的温度，以使所述第一产物、所述固化剂组合物的初始反应温度≤70℃，且反应峰值温度≤80℃。

一种抛光垫，其具有前述的聚氨酯抛光层。

本发明实施例的有益效果：

本发明提供的聚氨酯抛光层采用具有低熔点、低使用温度的多组分组合物作为固化剂，并且结合异氰酸酯封端的预聚物和中空微孔聚合物，使预聚物的反应初始温度被降低(70℃以下)，并且能够有效地控制固化反应放热速度，进而获得均一性更好的抛光层。此外，固化剂含有官能度大于等于3的物质，可以使聚氨酯形成体型交联网状结构，从而降低抛光层的热膨胀系数，降低脱胶风险以及提高耐水解性，提高平坦化过程中去除率的均一性，并且，可以通过调节多元胺的添加量，有效地调节抛光垫的交联密度，使之达到更优的抛光效果。以此抛光层制备的抛光垫具有多种优异的特性，可获得突出的抛光效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为采用本发明实施例提供的抛光层进行抛光作业的过程示意图；

图2是实施例1和对比例1分别提供的抛光层的密度分布对比图；

图3是实施例1和对比例1分别提供的单一抛光层的径向密度分布对比图；

图4是对比例2、实施例13、16、19提供的抛光层的使用寿命对比图；

图5是采用实施例12的聚氨酯抛光层制备的抛光垫与市售抛光垫在进行抛光作业时的去除率效果对比图。

图标：1-待抛光材料，2-抛光垫，3-抛光机台，4-支架，5-抛光液。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

聚氨酯抛光层是一种应用较多的抛光器械，但是，随着加工制造的技术标准要求越来越高，现有的聚氨酯抛光器械已难以满足需要。发明人已知的是，基于聚氨酯的抛光器械，多采用浇铸-切割工艺制备而成。其制作工序为：将异氰酸酯封端的预聚物加热至一定温度使其具有合适的黏度，真空脱气除去预聚物中的小分子化合物，接下来混入中空微孔聚合物，再次真空脱气一定时间，然后该混合物与固化剂组合物混合，浇铸成聚氨酯块，通过切割形成抛光层薄片。

发明人经过研究发现，异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物在常温下是粘稠的液体，需要升至一定温度来降低其黏度，方便在真空下将其中气体排出。另一方面也需要较低的黏度以便与固化剂混合。

黏度过高，则会使得两者混合不均匀，进而影响抛光垫的抛光效果。若温度过高则会使黏度过低，此时中空微孔聚合物呈现出更加容易分相的特性，导致其在预聚物中分布不均一，使得浇铸所得聚氨酯块从顶部和底部位置切割出来的抛光层密度呈现出较大差异，即顶部偏低而底部偏高。另一方面，若预聚物温度过高，则会使其与固化剂混合后反应过快，在短时间内释放出大量的热量，使聚氨酯浇铸块发生不可逆的膨胀，这表现在同一片抛光层中的中心密度偏低，而边缘密度偏高。

根据Arrhenius方程式(1)可知温度每升高10℃，反应速率会增加2～4倍。形成聚氨酯的反应过程中，异氰酸基团(-NCO)与固化剂中羟基(-OH)以及伯胺基(-NH₂)反应时，是一个放热反应。若起始反应温度过高，则会在短时间内释放出大量的热量，使得聚氨酯块出现不可控的膨胀。因此，要抑制这种放热过快引起的膨胀，必须控制反应的初始温度，即如何控制预聚物和固化剂的初始反应温度显得尤为重要。

式(1)中k是反应速率常数，A是指前因子，e是自然底数，Ea是反应活化能，R是摩尔气体常数，T是温度。

根据上述分析，异氰酸酯封端的预聚物温度需要控制在一个合适的范围内，不能过高或者过低。温度过高，预聚物与固化剂反应太快；温度过低，预聚物与固化剂混合不均匀。将温度控制在50±1℃是一个可选的做法。

发明人发现采用低熔点的固化剂、控制预聚物的初始反应温度是控制预聚物与固化剂的反应温度的一种行之有效的方法。因此，采用一种熔点和使用温度更低的固化剂，将对生产带来极大的便利。通过采用具有低的使用温度和熔点的固化剂，可获得具有均匀性改进的密度和孔隙率的聚氨酯抛光层，从而能够被更好地应用于先进制程半导体工艺，尤其是28nm以下工艺。

基于以上的描述，发明人提出了一种多组分(如2，或3，或更多组分)固化剂组合物，其具有低的使用温度、低的熔点。换言之，所述的固化剂组合物可以在较低的初始反应温度下使预聚物发生反应进而固化，以获得改善了性能的固化产品(如聚氨酯浇铸块)。进一步地，采用前述的固化产品，还可获得化学机械抛光性能优异的抛光垫。

脂肪族多元胺组合物在常温下是液体或者粘稠液体。发明人发现将之与芳香族固化剂例如4,4'-二氨基-3,3'-二氯二苯甲烷(MOCA)混合后，混合物的熔点出现明显的降低。而且，脂肪族多元胺组合物的用量越大，混合物的熔点越低。此外，由于过冷现象，在温度下降过程中，混合物往往表现出更低的凝固温度。

一些实例中，发明人惊奇的发现，在向芳香族固化剂(MOCA)中添加20wt％的聚醚多元胺D2000后，混合物在温度降低至70℃时仍为低黏度的液体。采用上述使用温度为70℃的固化剂组合物与异氰酸酯封端的预聚物反应时，与使用温度为116℃的MOCA固化剂(单组份固化剂)相比较，前者(70℃的固化剂组合物)的混合后温度比后者低了近20℃，亦即反应的初始温度有着近20℃的下降，并且有效地抑制了反应过程中的剧烈放热，使得热量能够缓慢而平稳地释放出来，从而得到了密度高度均一的固化物。

另外，发明人还发现，在固化剂体系中加入适量的官能度大于或等于3的多官能固化剂，能够有效地降低抛光垫的热膨胀系数并提高水解稳定性。

基于固化剂组合物，发明人还提出了一种聚氨酯抛光层，以及包括所述的聚氨酯抛光层的抛光垫。

以下针对本发明实施例的一种抛光垫、聚氨酯抛光层及其制备方法进行具体说明：

聚氨酯抛光层是指基于聚氨酯制作的抛光层。其中，"聚氨酯"是衍生自二官能或多官能异氰酸酯的产物，例如聚醚脲、聚异氰脲酸酯、聚氨基甲酸酯、聚脲、聚氨酯脲中的两种以上的混合物或共聚物。此外，通过化学成分调整，可以有效的改善制作的抛光层的抛光效果。

在一些优选例中，抛光层由多异氰酸酯与聚醚类多元醇反应所得异氰酸酯封端的预聚物再与固化剂混合物相反应制备的产物。抛光层中还可以被添加适当的改性材料，以便获得更优的综合性能改进。

本发明中，聚氨酯抛光层包括多成分反应生成的反应产物。所述的多成分包括异氰酸酯封端的预聚物，中空微孔聚合物，及固化剂组合物。中空微孔聚合物被混合于异氰酸酯封端的预聚物中，与固化剂组合物混合后的初始反应温度可低于70℃，优选地，初始反应温度低于60℃，并且其峰值反应温度出现在混合后第2～5分钟，峰值反应温度低于80℃。

其中，预聚物由多官能异氰酸酯和聚醚类多元醇反应而得。较佳地，异氰酸酯封端的预聚物含有8.5～9.5wt％的未反应异氰酸基团(-NCO)，特别地，预聚物具有两个-NCO基团封端的预聚物。

在一些可选的示例中，在预聚物中，未反应的-NCO基团与固化剂组合物中的活性氢基团(氨基或羟基)的化学计量比为1.0～1.25，更优选为1.05～1.2。在具体实施例中，活性氢基团的总和(包括-NH₂与-OH)与未反应NCO的比例(化学计量比)被称之为扩链系数。

在另一些示例中，多官能异氰酸酯和聚醚类多元醇反应时，可控制NCO基团与含有活性氢的-OH(羟基)的比例在1.1～5.0之间，优选在1.2～2.5。在-NCO基团与含有活性氢的-OH基团的比例小于1.1的条件下，合成过程中，预聚物倾向于高分子量化，进行固化或凝胶化。另一方面，在-NCO基团与含有活性氢的-OH基团的比例超过5.0时，由于未反应的异氰酸酯大量残存，因此与增链剂的反应速度过快，聚氨酯树脂浇铸体的成型加工性倾向于变差。

优选地，聚氰酸酯封端的预聚物是基于聚醚的异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物。前述氨基甲酸酯预聚物中未反应的-NCO含量在8.5～9.5wt％之间，更优选地控制未反应的-NCO含量在8.6～9.25wt％之间。

预聚物可以是市售的基于聚醚与TDI和MDI反应所得预聚物，可以列举但不限于例如科聚亚(Chemtura)公司生产的系列预聚物LF800A、LF900A、LF910A、LF930A、LF931A、LF939A、LF950A、LF952A、LF600D、LF601D、LF650D、LF667D、LF700D、LF750D、LF751D、LF752D、LF753D、L325、LFG963A、LFG964A、LFG740D。

预聚物的制备原料中，多官能异氰酸酯包括但不限于芳香族异氰酸酯、脂肪族异氰酸酯中的一种或两种。优选使用90摩尔％以上的芳香族异氰酸酯，更优选95摩尔％以上，特别优选100摩尔％。

芳香族异氰酸酯可以是芳香族二异氰酸酯类。芳香族二异氰酸酯类包括但不限于2,4-甲苯二异氰酸酯、2,6-甲苯二异氰酸酯、2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、间苯二异氰酸酯、对苯二亚甲基二异氰酸酯、间苯二亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种。

脂肪族异氰酸酯可以是脂肪族二异氰酸酯类。脂肪族二异氰酸酯类包括但不限于亚乙基二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、1,6-六亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种。脂肪族异氰酸酯还可以是脂环式二异氰酸酯类。脂环式二异氰酸酯类包括但不限于1，4-环己烷二异氰酸酯、4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、降冰片烷二异氰酸酯中的一种或多种。

预聚物的制备原料中，聚醚类多元醇可以是基于聚醚的高分子量多元醇。例如，聚醚类多元醇包括但不限于聚四亚甲基醚二醇(PTMEG)、聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)以及聚四亚甲基醚二醇-聚乙二醇、聚四亚甲基醚二醇-聚丙二醇、聚乙二醇-聚丙二醇中的任一种，或两种以上的共聚物，或两种以上的混合物。作为一种可选的示例，聚醚类多元醇的数均分子量可以是500～5000，或500～2000，或500～1500。需要说明的是，当使用数均分子量小于500的聚醚类多元醇时，得到的聚氨酯树脂不具有足够的弹性特性，容易成为脆的聚合物。由前述的聚氨酯树脂(脆的聚合物)形成的研磨垫变得过硬，易成为研磨对象物表面的划痕的产生原因，并且也易磨耗而导致研磨点的寿命缩短。当使用数均分子量大于5000的聚醚类多元醇时，得到的聚氨酯树脂形成的研磨垫变得柔软，难以得到能够充分满意的平面性。

其中，固化剂组合物主要由脂肪族固化剂以及芳香族固化剂混合而得。换言之，固化剂组合物可以是双组分的固化剂。脂肪族固化剂可以被选用为聚醚多元胺。聚醚多元胺包括但不限于亨斯曼(Huntsman)公司的聚醚系列，例如D230、D400、D2000、D4000、HK511、ED600、ED900、ED2003、SD231、SD401、SD404、SD2001以及其中的两种以上的混合物。较佳地，脂肪族固化剂采用聚醚多元胺时，优选采用的聚醚多元胺的分子量为1000～5000。当分子量小于1000时，导致前述预聚物固化反应过快，迅速凝胶。聚醚多元胺分子量大于5000时，会使形成的抛光垫变得柔软，难以得到能够充分满意的平面性。在一些示例中，双组份的固化剂组合物可以包括脂肪族二元胺组合物和芳香族双官能组合物，其中，所述脂肪族二元胺组合物的数均分子量为1000～5000。

进一步地，固化剂组合物还可以是三组分的固化剂。作为一种示例，固化剂组合物包含5～55wt％的脂肪族二元胺组合物、0～8wt％的多元胺组合物、40～90wt％的芳香族双官能组合物。其中，脂肪族二元胺组合物的数均分子量为1000～5000。多元胺组合物分子结构中至少含有三个伯胺基或至少含有三个仲胺基，多元胺组合物的数均分子量为250～6000。

更进一步地，三组分的固化剂组合物包括5～55wt％的脂肪族二元胺组合物、0.1～8wt％的多元胺组合物以及40～90wt％的芳香族双官能组合物。其中，脂肪族二元胺为聚醚二元胺，脂肪族二元胺组合物的数均分子量为1000～5000。其中，多元胺组合物分子结构中含有三个伯胺基或三个仲胺基，多元胺组合物为脂肪族多元胺、芳香族多元胺及其混合物，脂肪族多元胺数均分子量为2000～6000，脂肪族多元胺数均分子量为250～2000。

如前述，固化剂组合物中多元胺组合物的含量为0.1～8wt％。在一些优选的示例中，多元胺组合物占比为1～5wt％，最优地，占比2.5～3.5％。通过适当增加多元胺组合物的含量，可有效地调节聚氨酯的交联密度，然而，若多元胺组合物添加量大于8％，则会使得体系交联密度过大，表现为抛光垫弹性不足、易碎。而若多元胺的含量小于0.1％时，对于提升体系的交联密度不明显。

以下对固化剂组合物中的各个组分作进一步的分别阐述。

脂肪族二元胺组合物可以选用在常温(通常为室温，如25～30℃)下为液体的固化剂。较佳地，采用的脂肪族二元胺组合物的数均分子量可以为1000～5000，或2000～3000，或4000～5000，或1050～2500，或3500～4600。另外，当脂肪族双官能度高分子固化剂(脂肪族二元胺)在固化剂组合物中的占比低于5wt％时，对固化剂组合物的熔点降低作用不明显；当脂肪族双官能度高分子固化剂的占比高于55％时，会使得固化得到的聚氨酯抛光层变得柔软，其平坦化能力降低。

多元胺组合物可以是脂肪族多元胺和/或芳香族多元胺。多元胺组合物可以列举但不限于如亨斯曼(Huntsman)的聚醚胺T5000、T403、ST404、4,4',4”-三氨基(三苯基甲烷)、4,4',4”-三氨基(三苯基乙烷)、N,N'N”-三异丙基-4,4',4”-三氨基(三苯基甲烷)、N,N'N”-三异丙基-4,4',4”-三氨基(三苯基乙烷)、均苯三胺、偏苯三胺及其中的两种以上的混合物。

优选地，多元胺组合物的数均分子量为250～6000，或1000～2000，或3000～4000，或5000～6000，或1500～2200，或3500～5600。

当多元胺组合物是脂肪族多元胺时，针对脂肪族多元胺而言，其分子量为2000～6000。当分子量低于2000时，在反应过程中脂肪族多元胺的反应过快，会使得聚氨酯迅速凝胶，具有极差的可操作性。而当脂肪族多元胺分子量大于6000时，其对于体系的交联能力大大降低，不能起到有效提高体系交联密度，降低抛光垫的热膨胀系数以及提高水解稳定性的目的。

当多元胺组合物是芳香族多元胺时，针对芳香族多元胺而言，其分子量为250～2000。当芳香族多元胺分子量低于250时，反应活性过高，使得聚氨酯迅速凝胶，可操作性差。当分子量高于2000，芳香族多元胺熔点太高，不适应于制备聚氨酯浇铸体。

芳香族双官能组合物包括但不限于二乙基甲苯二胺(DETDA)、N,N’-二烷基二氨基二苯甲烷、3,5-二乙基-2,4-甲苯二胺及其异构体(例如,3,5-二乙基-2,6-甲苯二胺)、3,5-二甲硫基-2,4-甲苯二胺及其异构体、4,4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(MOCA)、4,4’-双-(仲丁基氨基)-二苯甲烷、1,4-双-(仲丁基氨基)-苯、4,4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)、4,4’-亚甲基-双-(3-氯-2,6-二乙苯胺)(MCDEA)、聚氧化四亚甲基-二-对氨基苯甲酸酯；、p,p’-亚甲基双苯胺(MDA)；间苯二胺(MPDA)；4,4’-亚甲基-二-(2,6-二乙基苯胺)(MDEA)、4,4’-亚甲基-二-(2,3-二氯苯胺)(MDCA)、4,4’-二氨基-3,3’-二乙基-5,5’-二甲基二苯甲烷、2,2’,3,3’-四氯二氨基二苯甲烷、丙二醇-二-对氨基苯甲酸酯及其混合物。更优选,所用双官能固化剂B3选自4,4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)、4,4’-亚甲基-双-(3-氯-2,6-二乙苯胺)(MCDEA)及其异构体中一种或多种。

此外，对于聚氨酯抛光层而言，其良好的尺寸稳定性以及水解稳定性对于抛光过程尤其重要。一方面，抛光作业过程通常会涉及到抛光液的使用。而抛光液通常具有一定的酸碱性，且pH值介于2～12之间。在连续抛光工作时，抛光液会对抛光垫形成持续的腐蚀作用，进而造成抛光层溶胀，从而使抛光层的硬度降低。在研磨时表现为同一抛光层，研磨前期去除率高，而随着抛光时间延长，去除率逐渐下降。另一方面，由于研磨过程中的摩擦作用，在基于上述聚氨酯抛光层制备的抛光垫中，抛光层的温度逐渐上升，可上升至接近85℃，而缓冲层温度仍然较低，抛光层与缓冲层之间有着巨大的温度差，因而在水平方向上，抛光层由于热膨胀而与缓冲层之间出现应力，大大增加了脱胶的风险。

发明人发现，控制聚氨酯的交联度是一个有效的控制抛光层脱胶和硬度降低的方法。本发明实施例中，提高聚氨酯本体的交联度的方式例如可以是，通过引入官能度大于等于3的分子(以作为固化剂组合物中的一种组分被提供)，将线性聚氨酯转化为体型交联网状结构。体型交联的网状结构聚氨酯中，分子链之间的相互作用力，由微弱的物理作用——氢键——转化为较强的化学键。而化学键可以有效地降低抛光层的热膨胀系数，降低脱胶风险以及提高耐水解性，提高平坦化过程中去除率的均一性。另外，通过调节多元胺组合物的添加量，能够有效地调节抛光垫的交联密度，使之达到最优的抛光效果。

作为一种可选的示例，每个多元胺组合物分子中至少含有3个伯氨基团或者仲氨基团。如，四个伯氨基团，或五个仲氨基团，或六个伯氨基团，或七个仲氨基团。更优选地，多元胺组合物每个分子中含有3个伯氨基或者仲氨基。通过采用具有多个活性氢的基团(氨基和羟基)的物质作为固化剂组合物中的一种组分，可以适当地改善聚氨酯抛光层中的交联程度，进而改善抛光层的性能。

其中，中空微孔聚合物主要是一种膨胀微球体。其可以采购自阿克苏诺贝尔公司、松本油脂制药株式会社或积水化学工业株式会社任一家公司的微球或微珠，优选阿克苏诺贝尔公司(Akzo Nobel)Expancel系列中空微球或松本微珠F系列。作为一种中空微孔聚合物的可选示例，中空微孔聚合物包括具有聚丙烯腈和聚丙烯腈共聚物外壁的囊状结构。

发明人通过调整中空微孔聚合物在聚氨酯抛光层中分布方式(如密度)而实现了对聚氨酯抛光层的抛光效果的调整。例如，在制作聚氨酯抛光层的工艺流程中，优选使中空微孔聚合物均匀地分散在抛光层中，更优选地，中空微孔聚合物以10～40％的孔隙率均匀地分布于所述抛光层中。通过使中空微孔聚合物均匀地分散在抛光层，并结合调节中空微孔聚合物的粒度，可以进一步调节抛光层的抛光性能。例如，控制其直径小于120微米；更优选地，直径小于60微米，最优选地，直径介于10～50微米之间。

采用上述原料制备的聚氨酯抛光层是一种可应用于化学机械抛光作业的抛光层。所制备的聚氨酯抛光层可以是多孔结构或者非孔的结构，本发明并不做具体限定。

基于以上阐述，采用本发明实施例中提供原料制备的聚氨酯抛光层可具有以下理化特性：

在一些示例中，所获得聚氨酯抛光层的密度大致为0.6～1.1g/cm³，优选地密度为0.7～1.05g/cm³，最优选地密度为0.8～1.0g/cm³。

邵氏D硬度为35～75D，更优选地硬度为45～70D，最优选地，硬度为55～65D。当硬度大于75D时，聚氨酯抛光层具有很高的去除速率，但是与之带来的则是诸如划痕等缺陷过多的问题。而当硬度小于35D时，虽然能有效地降低划痕，但是去除速率却严重下降，因而为了保持划痕以及去除速率的平衡，应选择具有适当硬度的抛光层。

断裂伸长率为50～450％，或50～200％。更优地，断裂伸长率为60～350％。最优地，断裂伸长率为70～300％。通常而言邵氏D硬度小于45的抛光层通常具有非常高的断裂伸长率(即，>500％)，而在进行机械加工时，具有如此高断裂伸长率的材料会产生可逆的形变，导致不能接受的差的沟槽形成以及在金刚石修整时无法足够形成纹理。然而在本发明提出的聚氨酯抛光层体系中，可以通过控制固化剂组合物中的多元胺组合物的含量，从而控制聚氨酯的交联密度，以有效地降低获得的聚氨酯抛光层的断裂伸长率。

热膨胀系数为50～250ppm/℃，或100～150ppm/℃，或100～200ppm/℃。更优选地，热膨胀系数为60～200ppm/℃，最优选地，热膨胀系数为70～160ppm/℃。研磨作业时，过高的热膨胀系数会导致抛光垫中抛光层与缓冲层之间较大的温度差而出现应力，进而导致脱胶风险增大。但是，通过多元胺组合物的交联作用，可以有效地降低聚氨酯抛光层的热膨胀系数，并将热膨胀系数控制其在250ppm/℃以内。

80小时水解稳定性小于1.5％。本文所指80小时水解稳定性，是将相同的组成和制备方法获得同批次的不同抛光层分别浸没在pH为2～5的盐酸溶液、pH为9～12的NaOH溶液中，于80小时后测量其直径变化小于1.5％。进一步地，抛光层在pH为2～5的盐酸溶液中的80小时水解稳定性小于0.65％；抛光层在pH为9～12的氢氧化钠溶液中的80小时水解稳定性小于0.80％。

聚氨酯抛光层良好的尺寸稳定性以及水解稳定性对于抛光过程尤其重要，一方面，抛光液通常具有一定的酸碱性，其pH介于2～12之间，在连续工作时会对抛光垫形成持续的腐蚀作用，造成抛光层溶胀，使得其硬度逐渐下降。在研磨时表现为同一抛光层，研磨前期去除率高，而随着抛光时间延长，去除率逐渐下降。发明人已知的是，一张抛光垫的抛光时长通常为50～70小时。在抛光过程中，稳定的去除速率对于连续工业化生产有着重要作用，为了维持稳定的去除速率(抛光初始阶段与末尾阶段具有相同或近似的去除速率)，通过多元胺组合物的加入，提高抛光层的交联密度，可以提高其水解稳定性，保证其在工作寿命时间段以内，具有稳定的理化性质。

本发明中，经过设计的固化剂组合物具有低的熔点和使用温度的优点。通过采用前述经过设计的固化剂组合物对预聚物进行固化，降低固化剂与预聚物反应的初始反应温度、控制反应放热速度，并且在预聚物中添加中空微孔聚合物，实现了综合性能优异的聚氨酯抛光层的制备。

进一步地，基于实际的需要，还可对聚氨酯抛光层的结构进行改进以使其实用性更强。例如，在聚氨酯抛光层形成至少一个终点检测区域。

在进行抛光作业时，聚氨酯抛光层的终点检测区域能够进行高精度的光学终点检测。检测的方法例如可以是光学检测。通过使终点检测区域由适当的材料制作而成，其具有适当的光透过率，以便观测被抛光物体(如硅晶片)。优选地，形成终点检测区域的材料是在波长300～800nm的整个范围内光透过率为40％以上，更优选光透过率为60％以上的高透过率材料。

作为一种可选的示例，终点检测区域的材料，优选聚氨酯树脂、聚酯树脂、酚树脂、尿素树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂及丙烯酸树脂等热固性树脂；聚氨酯树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、纤维素类树脂、丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂、含卤素树脂(聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等)、聚苯乙烯及烯烃类树脂(聚乙烯、聚丙烯等)等热塑性树脂中的一种或组合物。

进一步地，基于在研磨作业时进行的需要，终点检测区域也需要适当的机械性能。例如，终点检测区域的邵氏硬度优选为40～70D，更优选为45～55D。小于40D时，光透过区域容易产生蠕变，难以稳定地进行光学终点检测，超过70D时被研磨材料表面容易产生划痕。

具有终点检测区域的聚氨酯抛光层的制作方法可以是通过预先采用前述材料成型一个检测窗口。然后，将检测窗口浇铸在聚氨酯抛光层内。

基于所述的聚氨酯抛光层，可以通过在基底上形成缓冲层，再将聚氨酯抛光层通过胶合的方式固定于缓冲层，即可获得基于聚氨酯的化学机械抛光垫。

采用如上述的化学机械抛光垫进行抛光处理的工艺流程可参阅图1所示。其中，抛光垫2被固定在抛光机台3上。待抛光材料1被固定在支架4上。抛光作用时，首先使抛光垫2在抛光机台的作用下进行旋转。然后，通过支架4将待抛光材料1以垂直于抛光垫2的方式靠近(由上至下)，支架在向下运动的同时进行旋转，且支架4的转动方向与抛光台3的转动方向一致，以使抛光垫2与待抛光材料1的转转动方向一致。在抛光的同时，向抛光垫2上喷洒抛光液5。

以下结合实施例对本发明的固化剂组合物、聚氨酯抛光层及抛光垫作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种抛光层，其制作方法如下：

步骤一、异氰酸酯封端的聚氨基甲酸酯预聚物(或简称预聚物)的处理。

将100质量份由甲苯二异氰酸酯和聚四氢呋喃反应所得的异氰酸酯封端的预聚物(含有未反应NCO基团质量百分数为8.75～9.05％)升温至80℃，真空(-0.095MPa)下脱气2小时，以便将预聚物中的气体以及小分子化合物除去；然后加入0.77质量份的平均直径为40微米的中空微孔聚合物，搅拌下使中空微孔聚合物均匀地分散于预聚物中，真空(-0.095MPa)下再次脱气2小时，然后降温至50℃，待用；

步骤二、固化剂组合物的配制。

将23.27质量份的MOCA升温至116℃，使其完全熔化成澄清透明液体，向其中加入5.92质量份的由氨基封端的聚氧化丙烯醚D2000，搅拌下使两者混合均匀，形成均一的透明液体，然后降温至70℃，待用；

步骤三、采用固化剂组合物对含有中空微孔聚合物的预聚物进行固化。

将预聚物与固化剂组合物在高速剪切下混合，然后浇铸到圆柱形模具中，形成厚度为12厘米的浇铸块，并且使之在70℃下凝胶15分钟，然后在30分钟内将浇铸体升温至100℃，固化16小时。固化完成后使其在烘箱内自动降温至室温，然后切割成厚度为2毫米的薄片，总计60片。

对比例1

本实施例提供了一种抛光层，其制作方法如下：

步骤一、异氰酸酯封端的聚氨基甲酸酯预聚物(以下简称预聚物)的处理。

将100质量份由甲苯二异氰酸酯和聚四氢呋喃反应所得的异氰酸酯封端的预聚物(含有未反应的NCO基团质量百分数为8.75～9.05％)升温至80℃，真空(-0.095MPa)下脱气2小时，以便将预聚物中的气体以及小分子化合物除去；然后加入0.77质量份的平均直径为40微米的中空微孔聚合物，搅拌下使中空微孔聚合物均匀地分散于预聚物中，真空(-0.095MPa)下再次脱气2小时，然后降温至50℃，待用；

步骤二、固化剂的配制。

将23.46质量份的MOCA升温至116℃，使其完全熔化成澄清透明液体，待用；

步骤三、采用固化剂对含有中空微孔聚合物的预聚物进行固化。

将预聚物与固化剂在高速剪切下混合，然后浇铸到圆柱形模具中，形成厚度为12厘米的浇铸块，并且使之在70℃下凝胶15分钟，然后在30分钟内将浇铸体升温至100℃，固化16小时。固化完成后使其在烘箱内自动降温至室温，然后切割成厚度为2毫米的薄片，总计60片。

试验例1

抛光层的密度均一性评价。

实验方法1：将实施例1和对比例1中切割所得抛光层薄片分别计为第一组和第二组，并且分别将第一组和第二组的薄片从上至下依次编号为1～60，分别测试每一片的密度，并将其结果总结于图2中。

实验方法2：取出实施例1以及对比例1最中间，即编号为29号的薄片，沿半径方向，从内(圆心)至外(边缘)分别取直径为4厘米的小圆片，依次编号1～10号，并测试其密度，并将其结果总结于图3中。

分析图2和图3可以得到以下结果。

图2中，对比例1的密度分布呈现出中间低，两端高的“微笑曲线”。这是由于浇铸后的反应过程中，中间的热量比两端更难以放出，使得温度比两端高，导致聚氨酯本体以及中空微孔聚合物发生一定的膨胀，因而密度较低。而实施例1中，由于降低了固化剂组合物的初始温度，使得聚氨酯反应过程中的热量能够均匀而平稳的释放出来，虽然中间的密度仍然比两端稍低，但是聚氨酯本体以及中空微孔聚合物的膨胀得到了有效的抑制，因而表现出更加平直的曲线。

图3所示的径向密度分布中，对比例1和实施例1中的薄片密度均呈现出越靠近圆心，密度越低、越靠近边缘，密度越高的现象。但是，实施例1中的密度均一性，远优于对比例1中结果，其原因也是较低的起始反应温度所致。总之，采用更低温度的固化剂组合物，有效地抑制了反应剧烈放热的过程，可以得到密度均一性更好的抛光层。

实施例2～11

采用同实施例1相同的工艺，选取不同种类的脂肪族二元胺以及不同NCO含量的预聚物、平均直径不同的中空微孔聚合物以及不同的扩链系数，可获得不同效果的抛光层，其各原料比例和结果总结于表1和表2中。其中所有物料的量为质量份数。

表1聚氨酯抛光层原料

表2聚氨酯抛光层理化特性

对比例2

本实施例提供了一种抛光层，其制作方法如下：

异氰酸酯封端的聚氨基甲酸酯预聚物(以下简称预聚物)的处理：将100质量份由甲苯二异氰酸酯和聚四氢呋喃反应所得的异氰酸酯封端的预聚物(含有未反应的NCO基团质量百分数为8.75～9.05％)升温至80℃，真空(-0.095MPa)下脱气2小时，以便将预聚物中的气体以及小分子化合物除去；然后加入0.77质量份的平均直径为40微米的中空微孔聚合物，搅拌下使中空微孔聚合物均匀地分散于预聚物中，真空(-0.095MPa)下再次脱气2小时，然后降温至50℃，待用；

固化剂组合物的配制：将23.46质量份的MOCA升温至116℃，使其完全熔化成澄清透明液体，向其中加入5质量份的由氨基封端的聚氧化丙烯醚D2000，搅拌下使两者混合均匀，形成均一的透明液体，然后降温至70℃，待用；

将预聚物与固化剂组合物在高速剪切下混合，然后浇铸到圆柱形模具中，形成厚度为12厘米的浇铸块，并且使之在70℃下凝胶15分钟，然后在30分钟内将浇铸体升温至100℃，固化16小时。固化完成后使其在烘箱内自动降温至室温，然后切割成厚度为2毫米的薄片，总计60片。

实施例12

本实施例提供了一种抛光层，其制作方法如下：

异氰酸酯封端的聚氨基甲酸酯预聚物(以下简称预聚物)的处理：

将100质量份由甲苯二异氰酸酯和聚四氢呋喃反应所得的异氰酸酯封端的预聚物(含有未反应的NCO基团质量百分数为8.75～9.05％)升温至80℃，真空(-0.095MPa)下脱气2小时，以便将预聚物中的气体以及小分子化合物除去；然后加入0.77质量份的平均直径为40微米的中空微孔聚合物，搅拌下使中空微孔聚合物均匀地分散于预聚物中，真空(-0.095MPa)下再次脱气2小时，然后降温至50℃，待用；

固化剂组合物的配制：将23.46质量份的MOCA升温至116℃，使其完全熔化成澄清透明液体，向其中加入4质量份的由氨基封端的聚氧化丙烯醚D2000以及1质量份的三官能度聚醚胺T5000，搅拌下使两者混合均匀，形成均一的透明液体，然后降温至70℃，待用；

将预聚物与固化剂组合物在高速剪切下混合，然后浇铸到圆柱形模具中，形成厚度为12厘米的浇铸块，并且使之在70℃下凝胶15分钟，然后在30分钟内将浇铸体升温至100℃，固化16小时。固化完成后使其在烘箱内自动降温至室温，然后切割成厚度为2毫米的薄片，总计60片。

实施例13～20

采用同实施例12相同的工艺，控制脂肪族二元胺和多元胺的总量不变，调节两者的比例，可获得一系列交联密度不同的抛光垫，其各原料比例和结果总结于表3和表4中。

表3聚氨酯抛光层的制备原料

表4聚氨酯抛光层的理化特性

试验例2

热膨胀系数以及耐水解性评价。

实验方法1：取实施例13～20以及对比例2的抛光层，分别裁剪出直径为127mm的圆片，然后浸没于pH＝2的盐酸溶液和pH＝12的氢氧化钠溶液中，浸没80小时后测量其尺寸，计算其尺寸变化情况，结果总结于表5中。

实验方法2：将抛光层取样通过热机械分析(TMA)对其线性热膨胀系数进行测试，结果也一并罗列于表5中。

表5抛光层的热膨胀系数以及耐水解性

分析表5可得到如下结果：

从实施例13到20，随着配方中多元胺组合物含量的提高，其耐酸、耐碱水解性能都有着大幅提高，并且直径变化率均小于对比例2，说明即使较低的交联(实施例13)，也能在一定程度上提升抛光垫的耐水解性。此外，随着抛光层的交联密度的提升，其热膨胀系数呈现出明显下降的趋势，并且多元胺组合物的含量越高，热膨胀系数越小。

试验例3

抛光层的去除速率评价。

实验方法：将实施例13、16、19以及对比例2所得抛光层，制备成抛光垫。在研磨中记录其寿命周期内的去除速率变化，结果总结于图4中。

分析图4可知，随着研磨时间的延长，抛光垫的去除速率均呈现出逐渐下降的趋势，但是，交联密度越高的体系，去除率下降得越缓慢。

试验例4

抛光垫的使用寿命评价。

实验方法：将实施例13～20以及对比例2所得抛光层制备成抛光垫，通过修整盘的长时间切削，测试其极限使用寿命，即将参数相同的沟槽切削完所需时间，结果总结于表6中。

表6抛光层使用寿命

由表6可得如下结果：

在较低交联密度时，使用寿命并无明显差异，然而当交联密度升高到一定程度后，抛光垫的弹性不足逐渐暴露出来，表现为抛光垫易碎、使用寿命逐渐缩短，综合去除速率以及使用寿命两方面因素，控制多元胺组合物的量在1.5～3.5％之间是一个较好的选择。

试验例5

在硅晶片的加工中，晶圆能够切割成的晶片数量与晶圆表面平整性有很大关系，表面平整性越好，同一晶圆能够切割出的晶片数量则越多。然而在实际的抛光过程中，由于边缘效应的存在，抛光垫对晶圆的抛光，其研磨速率并不是各个区域完全相同。表现为靠近晶圆边缘时，去除速率呈现出明显的下降趋势，如图5中曲线1(Dow公司，牌号IC1010产品)所示。横坐标表示距离晶圆圆心的距离，众坐标表示研磨过程中的去除速率，可以看出，在300mm晶圆的抛光过程中，在最外侧50mm的圆周中，抛光速率呈现显著的下降。然而，在我们的配方中，发明人惊奇的发现，采用实施例12(图5中曲线2)制备的抛光垫，其研磨特性优异，表现出改进的边缘效应现象，虽然仍然存在边缘去除率下降的趋势，但是下降的程度大幅降低。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (9)

1.一种聚氨酯抛光层，用于制备化学机械抛光垫，其特征在于，所述聚氨酯抛光层含有由多成分反应生成的反应产物，所述多成分包括：

异氰酸酯封端的预聚物，中空微孔聚合物，及

固化剂组合物，包含：

5~55wt%脂肪族二元胺组合物，其中，所述脂肪族二元胺组合物的数均分子量为1000~5000；

0~8wt%多元胺组合物，其中，所述多元胺组合物分子结构中至少含有三个伯胺基或至少含有三个仲胺基，所述多元胺组合物的数均分子量为250~6000；

40~90wt%芳香族双官能组合物；

所述异氰酸酯封端的预聚物中的未反应NCO基团与所述固化剂组合物中的活性氢基团的化学计量比为1.0~1.25；

其中，所述聚氨酯抛光层密度为0.6~1.1g/cm³，邵氏硬度为45~70D，断裂伸长率为50~450%；

其中，所述聚氨酯抛光层的热膨胀系数为70-200ppm/℃。

2.根据权利要求1所述的聚氨酯抛光层，其特征在于，所述异氰酸酯封端的预聚物含有8.5~9.5wt%未反应NCO基团。

3.根据权利要求1所述的聚氨酯抛光层，其特征在于，所述固化剂组合物中包含的所述多元胺组合物包含：脂肪族多元胺、芳香族多元胺中的任一种或两种的混合物；其中，所述脂肪族多元胺的数均分子量为2000~6000，所述芳香族多元胺的数均分子量为250~2000。

4.根据权利要求1所述的聚氨酯抛光层，其特征在于，所述聚氨酯抛光层在pH值为2~5的条件下水解80小时的水解稳定性小于1.5%，在pH值为9~12的条件下水解80小时的水解稳定性小于1.5%。

5.根据权利要求1所述的聚氨酯抛光层，其特征在于，所述聚氨酯抛光层含有由多成分反应生成的反应产物，所述多成分包括：异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物，中空微孔聚合物，及

固化剂组合物，包含：

5~55wt%脂肪族二元胺组合物，其中，所述脂肪族二元胺为聚醚二元胺，所述脂肪族二元胺组合物的数均分子量为1000~5000；

0.1~8wt%多元胺组合物，其中，所述多元胺组合物分子结构中含有三个伯胺基或三个仲胺基，所述多元胺组合物为脂肪族多元胺、芳香族多元胺中的任一种或两种的混合物，所述脂肪族多元胺的数均分子量为2000~6000，所述芳香族多元胺的数均分子量为250~2000；

40~90wt%芳香族双官能组合物；

其中，所述聚氨酯抛光层的断裂伸长率为50~200%；

其中，所述聚氨酯抛光层的热膨胀系数为70~140ppm/℃。

6.根据权利要求5所述的聚氨酯抛光层，其特征在于，所述聚氨酯抛光层在pH值为2~5的条件下水解80小时的水解稳定性小于0.65%，在pH值为9~12的条件下水解80小时的水解稳定性小于0.80%。

7.根据权利要求1所述的聚氨酯抛光层，其特征在于，所述聚氨酯抛光层包括至少一个终点检测区域。

8.一种如权利要求1~4中任一项所述的聚氨酯抛光层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

将液体状态的所述异氰酸酯封端的预聚物与所述中空微孔聚合物混合，真空脱气后得到第一产物；

将所述第一产物在50℃下与所述固化剂组合物在高速剪切下混合，得到第二产物；

控制所述第二产物的温度，以使所述第一产物、所述固化剂组合物的初始反应温度≤70℃，且反应峰值温度≤80℃。

9.一种抛光垫，其特征在于，所述抛光垫具有如权利要求1至7中任一项所述的聚氨酯抛光层。