CN113458966A - 一种抛光垫及该抛光垫的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件加工技术领域，公开了一种抛光垫及该抛光垫的制造方法，该抛光垫包括基体，所述基体中分布有多个泡孔，所述泡孔的直径尺寸沿所述基体的厚度方向呈梯度分布，且所述泡孔的直径尺寸自所述基体的底层向所述基体的表层逐渐减小，垂直于所述基体的厚度方向上的所述泡孔的直径尺寸均一。上述抛光垫在具有复合型抛光垫的良好抛光效果的同时，能够避免复合型抛光垫在抛光过程中具有出现起泡、脱落等现象的风险。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件加工技术领域，特别是涉及一种抛光垫及该抛光垫的制造方法。
背景技术
集成电路产业的高速发展带动了人工智能、物联网、智能手机、MEMS等各类行业的数字化、智能化发展，对各种芯片的需求急剧增加，另外芯片微型化、集成化、低功耗的发展趋势也进一步促进了集成电路先进制程工艺的不断革新。提升制程，即为了可以在更小的芯片中塞入更多的晶体管，在增加处理器运算效率的同时保持较低的耗电量，从而适用于各种电子设备中，用以满足未来对轻薄化的需求。而具有更高精度的平整半导体晶面是实现先进制程的基础。
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技术是目前唯一能够实现全局平坦化的技术，可满足7nm芯片制造工艺的苛刻要求，已被广泛应用于半导体领域。CMP技术将超微磨料的物理研磨作用同抛光浆料的化学腐蚀作用相结合，采用抛光垫对被抛光基材表面进行平坦化处理。
目前，CMP中使用最多的是复合型抛光垫，由缓冲层和抛光层组成。一般情况下，缓冲层和抛光层由两种材料粘合而成，其中表层(即抛光层)材料刚度和硬度较高，且具有一定粗糙度，而底层(即缓冲层)刚度和硬度较低，更为柔软。该复合型抛光垫一方面利用高硬度表面承载抛光浆液进行抛光，另一方面利用柔软的底层均匀分散施加的压力，从而实现优异的抛光效果。然而，在抛光过程中，高温、高剪切力以及化学试剂的存在对复合型抛光垫的粘接层有较大的影响，使复合型抛光垫存在出现起泡、脱落等现象的风险，进而对抛光过程产生负面影响。
发明内容
本发明的目的是：提供一种抛光垫及该抛光垫的制造方法，该抛光垫在具有复合型抛光垫的良好抛光效果的同时，能够避免在抛光过程中出现起泡、脱落现象的风险。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种抛光垫，其包括基体，所述基体中分布有多个泡孔，所述泡孔的直径尺寸沿所述基体的厚度方向呈梯度分布，且所述泡孔的直径尺寸自所述基体的底层向所述基体的表层逐渐减小，垂直于所述基体的厚度方向上的所述泡孔的直径尺寸均一。
进一步的，所述基体采用聚氨酯材料制成；所述泡孔的直径尺寸为10－150μm，相邻的所述泡孔之间相互独立或通过孔隙相互连通。
进一步的，所述基体中分布有至少两种不同直径尺寸的所述泡孔，位于所述表层的所述泡孔的直径尺寸为10－80μm，位于所述底层的所述泡孔的直径尺寸为80－150μm。
进一步的，所述基体的抛光面上分布有多个相互独立的开放孔，所述开放孔的开口位于所述抛光面上。
进一步的，所述开放孔的直径为10－50μm、深度为5－45μm；所述抛光面的孔隙率为20－50％。
进一步的，所述基体内设有磨料粒子。
进一步的，所述磨料粒子由陶瓷材料制成，所述磨料粒子为球形，所述磨料粒子的直径≤50nm。
进一步的，所述基体的厚度为1－2.5cm，所述基体的密度为0.7－0.9g/cm3；所述基体的抛光面在25℃以下时的硬度为40－80ShoreD、断裂伸长率为50－300％。
为了实现上述目的，本发明另一方面提供了一种抛光垫的制造方法，其用于制造如上述任一项方案所述的抛光垫，该方法包括以下步骤：
S101、将聚氨酯类预聚物、固化剂、以及填料和/或添加剂一起制备成片状的聚合物坯体；
S102、将步骤S101制得的聚合物坯体至于高压反应釜中，通入物理发泡剂，并控制反应釜的温度和压力保持一段时间，使聚合物坯体和物理发泡剂充分混合，然后在高温不发泡的条件下将反应釜泄压至常压；
S103、将经过步骤S102处理后的聚合物坯体快速置于单面热台上形成温度梯度，以促使聚合物坯体梯度发泡形成多个泡孔。
为了实现上述目的，本发明另一方面提供了另一种抛光垫的制造方法，其用于制造如上述任一项方案所述的抛光垫，该方法包括以下步骤：
S201、将聚氨酯类预聚物、固化剂、以及填料和/或添加剂一起制备成片状的聚合物坯体；
S202、将步骤201获得的聚合物坯体与另一与其不相容或部分相容的聚合物或小分子物质熔融或溶液共混得到共混物体系；
S203、将步骤S202获得的共混物体系置于具有温度梯度的模具中热处理一段时间，而后迅速冷却；
S204、采用溶剂溶解刻蚀法对将经过步骤S203处理后的共混物体系刻蚀一定时间，而后经乙醇清洗后置于烘箱中充分干燥。
上述技术方案所提供的一种抛光垫及该抛光垫的制造方法，与现有技术相比，其有益效果在于：上述抛光垫在其基体厚度方向上的泡孔的直径呈梯度分布，而垂直于基体厚度方向上的泡孔的直径尺寸均一，因此，在抛光垫的厚度方向上，随泡孔直径增加而硬度随之减小，其抛光效果逐渐从硬抛光垫向软抛光垫过渡，即可认为，在一张抛光垫一次抛光过程中便可实现由粗抛至精抛的过程，具有复合型抛光垫的良好抛光效果；同时，上述抛光垫是根据泡孔的直径尺寸的不同而形成了不同硬度的表层(抛光层)和底层(缓冲层)，即泡孔直径大的区域为硬度较低的底层，泡孔直径小的区域为硬度较高的表层，而不需要采用不同硬度的两种材料进行粘接，不具有粘接层，因此避免了在抛光过程中由于高温、高剪切以及化学试剂的作用导致的抛光垫起泡脱落现象，有利于提高产品良品率。
附图说明
图1是本发明实施例一的抛光垫的截面示意图；
图2是本发明实施例二的抛光垫的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一所提供的是一种抛光垫，其包括基体100，基体100中分布有多个泡孔110、120、130，泡孔110、120、130的直径尺寸沿基体100的厚度方向呈梯度分布，且泡孔110、120、130的直径尺寸自基体100的底层向基体100的表层逐渐减小，垂直于基体100的厚度方向上的泡孔的直径尺寸均一。
基于上述方案，基体100厚度方向上的泡孔110、120、130的直径呈梯度分布，而垂直于基体100厚度方向上的泡孔的直径均一，因此，在抛光垫的厚度方向上，随泡孔直径增加硬度也随之增加，其抛光效果逐渐从硬抛光垫向软抛光垫过渡，即可认为，在一张抛光垫一次抛光过程中便可实现由粗抛至精抛的过程，具有复合型抛光垫的良好抛光效果；同时，上述抛光垫是根据泡孔的直径尺寸的不同而形成了不同硬度的表层(抛光层)和底层(缓冲层)，即泡孔直径大的区域为硬度较低的底层，泡孔直径小的区域为硬度较高的表层，而不需要采用不同硬度的两种材料进行粘接，不具有粘接层，因此避免了在抛光过程中由于高温、高剪切以及化学试剂的作用导致的抛光垫起泡脱落现象，有利于提高产品良品率。
需要说明的是，垂直于基体100的厚度方向上的泡孔的直径尺寸均一，意为该方向上的泡孔的直径尺寸不需要完全相等，只需要保证该方向上的泡孔的直径尺寸均在一定误差范围内即可达到上述效果，该误差范围可根据实际情况确定，例如抛光垫底层的泡孔的直径尺寸可以为120±10nm。
具体的，本实施例的抛光垫可用于光学衬底或半导体衬底的化学机械抛光操作中，基体100采用聚氨酯材料制成，具体为聚氨酯类预聚体加固化剂制成；其中聚氨酯类预聚体包括聚酯多元醇、聚醚多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚烯烃多元醇、聚丙烯酸酯多元醇、聚合物多元醇中的至少一种或多种，与甲苯二异氰酸酯(TDI)、4，4＇－二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、氢化4，4＇－二苯甲烷二异氰酸酯(HMDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、对苯二异氰酸酯(PPDI)、萘－1，5－二异氰酸酯(NDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)中的至少一种或多种聚合而成。其中固化剂为醇类化合物和胺类化合物中的至少一种或多种，例如1，4－丁二醇、乙二醇、丙二醇、1，6－己二醇、1，4－环己二醇、新戊二醇、乙醇胺、二乙醇胺、3，3’－二氯－4’4－二氨基二苯甲烷(MOCA)、3，5－二氨基对氯苯甲酸异丁酯(DD－1604)、二乙基甲苯二胺、聚丙烯二胺、3，5－二甲硫基甲苯二胺(DMTDA)、乙二胺、二乙烯三胺、4，4’－亚甲基双(3－氯－2，6－二乙基苯胺)(M－CDEA)。
其中，抛光垫的聚氨酯材料合成可通过添加催化剂控制聚氨酯类预聚体与固化剂的反应速率。催化剂种类包括有机金属类化合物和叔胺类化合物中的至少一种或多种。例如，四乙基甲二胺、三亚乙基二胺、三乙胺、四甲基丙胺、三乙胺、N，N－二甲基环己胺、N，N－甲基二环己基胺、N－甲基吗啉、N－乙基吗啉、N，N’－二甲基哌嗪、N，N’－二乙基哌嗪、1，1，3，3－四甲基哌啶、双(2－甲基氨基乙基)醚、四甲基丁二胺、五甲基二亚丙基三胺、三甲基羟乙基亚乙基二胺、二甲基乙醇胺、辛酸亚锡、二丁基锡、二辛基锡、二丁基锡二月桂酸酯、异辛酸锌、异辛酸铅、油酸钾、环烷酸锌、环烷酸钴、乙酰丙酮铁、乙酸苯汞、丙酸苯汞。
如图1所示，泡孔110、120、130的直径尺寸为10－150μm，相邻的泡孔之间相互独立或通过孔隙相互连通，独立或者连通根据抛光垫的硬度、泡孔的尺寸并结合实际需要选择。
具体的，如图1所示，基体100上设有泡孔直径从底层到表层梯度增加的三种尺寸的泡孔110、120、130；H1、H2和H3表示三种不同硬度层的厚度值，其中H1表示表层厚度值，H3表示底层厚度值，抛光垫的厚度方向可根据泡孔直径的分布分成两层或多层不同硬度层，且各层的厚度值可调；相应的，基体100中也分布有至少两种不同直径尺寸的泡孔。
在本实施例中，如图1所示，位于表层的泡孔110的直径尺寸为10－80μm，位于底层130的泡孔的直径尺寸为80－150μm。在此范围内抛光效果更佳。
另外，如图1所示，基体100的抛光面113上分布有多个相互独立的开放孔111，112，开放孔111，112的开口位于抛光面113上，抛光面113上在相邻的开放孔111，112之间。通过设置开放孔能够提高抛光垫储留抛光液的能力以及增加抛光面的表面粗糙度，使抛光垫更适应加工需要。
具体的，上述开放孔的直径为10－50μm、深度为5－45μm(指抛光面113到开放孔最下端的距离)；抛光面113的孔隙率为20－50％。
在本实施例中，基体100的厚度为1－2.5cm，基体100的密度为0.7－0.9g/cm3；基体100的抛光面113在25℃以下时的硬度为40－80ShoreD、断裂伸长率为50－300％。
实施例二
如图2所示，本发明实施例二所提供的是另一种抛光垫，其与实施例一的区别在于：基体200内设有磨料粒子210，具体的，磨料粒子210由陶瓷材料制成，陶瓷材料可为二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛或氧化铝，磨料粒子210为球形，磨料粒子210的直径≤50nm。抛光垫通过添加磨料粒子210而改性，暴露在抛光垫表面的磨料粒子210形成新抛光表面，可以有效的提高抛光过程中的去除速率。
本实施例其他内容与实施例一相同，这里不再赘述。
上述实施例一与实施例二的抛光垫可用于以下场景：将抛光垫和待抛物体置于CMP抛光机中，将抛光浆料注入所述CMP抛光机中，同时抛光垫与待抛物体相对转动，从而对待抛物体进行抛光操作。
实施例三
本发明实施例三所提供的是一种抛光垫的制造方法，该方法用于制造上述实施例中的抛光垫，该方法包括以下步骤：
S101、将聚氨酯类预聚物、固化剂、以及填料和/或添加剂一起制备成片状的聚合物坯体；
具体的，可将聚1，4－丁二醇己二酸酯(PBA)和甲苯二异氰酸酯(TDI)按比例投入三口烧瓶中，在80℃下反应2h，获得聚氨酯类预聚体，其NCO％为5－12％。选择1，4－丁二醇为固化剂、二丁基锡二月桂酸酯为催化剂，基于所述聚氨酯类预聚体的总质量，1，4－丁二醇和二丁基锡二月桂酸酯的用量分别为5wt％和0.5wt％。选择粒子直径为30nm的二氧化硅纳米粒子作为磨料粒子210(若需要添加磨料粒子210)，其添加量为10wt％。将上述聚氨酯类预聚体、固化剂、催化剂和磨料粒子均匀共混后倒入模具中，在130℃下固化成型，得到片状聚氨酯坯体。
S102、将步骤S101制得的聚合物坯体至于高压反应釜中，通入物理发泡剂，并控制反应釜的温度和压力保持一段时间，使聚合物坯体和物理发泡剂充分混合，然后在高温不发泡的条件下将反应釜泄压至常压；
具体的，可将上述步骤S101得到的聚氨酯坯体置于高压反应釜中，向釜中通入二氧化碳作为物理发泡剂，设置釜内温度为200℃，压力为12MPa，保压2h，使得物理发泡剂充分吸收在聚氨酯坯体中。然后，泄压至常压，即可得到充分吸收二氧化碳发泡剂的聚氨酯坯体。
S103、将经过步骤S102处理后的聚合物坯体快速置于单面热台上形成温度梯度，以促使聚合物坯体梯度发泡形成多个泡孔。
具体的，可将上述饱和坯体快速从高压反应釜中取出，置于一个具有温度梯度场的模具中发泡1h。通过控制模具的温度及梯度区间，则可获得具有梯度泡孔结构的聚氨酯/二氧化硅复合结构的抛光垫。
实施例四
本发明实施例四所提供的是另一种抛光垫的制造方法，该方法用于制造上述实施例中的抛光垫，该方法包括以下步骤：
S201、将聚氨酯类预聚物、固化剂、以及填料和/或添加剂一起制备成片状的聚合物坯体；
选用聚乙二醇己二酸酯(PEA)为聚酯多元醇，选择异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为异氰酸酯，选择乙二醇为固化剂，选择辛酸亚锡为催化剂。具体的，可将聚1，4－丁二醇己二酸酯(PBA)和甲苯二异氰酸酯(TDI)按比例投入三口烧瓶中，在80℃下反应2h，获得聚氨酯类预聚体，其NCO％为5－12％。选择1，4－丁二醇为固化剂、二丁基锡二月桂酸酯为催化剂，基于所述聚氨酯类预聚体的总质量，1，4－丁二醇和二丁基锡二月桂酸酯的用量分别为5wt％和0.5wt％。选择粒子直径为30nm的二氧化硅纳米粒子作为磨料粒子210(若需要添加磨料粒子210)，其添加量为10wt％。将上述聚氨酯类预聚体、固化剂、催化剂和磨料粒子均匀共混后倒入模具中，在130℃下固化成型，得到片状聚氨酯坯体。
S202、将步骤201获得的聚合物坯体与另一与其不相容或部分相容的聚合物或小分子物质熔融或溶液共混得到共混物体系；
具体的，按3：1的质量比称取总质量1.5kg上述聚氨酯和聚乙烯－辛烯共聚物(POE)，在密炼机XSM－2/80混炼，混炼温度为200℃，螺杆转速50r/min，混炼时间8min，制备得到PU/PEO共混物。
S203、将步骤S202获得的共混物体系置于具有温度梯度的模具中热处理一段时间，而后迅速冷却；
具体的，将上述PU/PEO共混物样品置于一个具有温度梯度场的模具中热处理1h，然后去除置于冰水浴中冷却。
S204、采用溶剂溶解刻蚀法对将经过步骤S203处理后的共混物体系刻蚀一定时间，而后经乙醇清洗后置于烘箱中充分干燥。
具体的，将上述经热处理的共混物样品在60℃的正庚烷溶液中刻蚀2h，而后经乙醇清洗后置于烘箱中充分干燥，即可获得具有梯度多孔结构的聚氨酯抛光垫。
综上，本发明实施例所提供的抛光垫及该抛光垫的制造方法，具有以下有益效果：
上述抛光垫的泡孔在抛光垫厚度方向呈梯度均匀变化，而在与抛光垫厚度垂直方向上尺寸均一。即可以认为，在厚度方向上，随泡孔直径增加，其抛光效果逐渐从硬抛光垫向软抛光垫过渡。即可认为，在一张抛光垫一次抛光过程中便可实现由粗抛至精抛的过程。
上述抛光垫在垫厚度方向可根据泡孔直径分布将抛光垫分为两层结构或以上，包括了抛光层和缓冲层。抛光垫的抛光层与缓冲层之间无粘结层，从而有效避免了在抛光过程中由于高温、高剪切以及化学试剂的作用导致的抛光垫起泡脱落现象，有利于提高产品良品率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种抛光垫，其特征在于，包括基体，所述基体中分布有多个泡孔，所述泡孔的直径尺寸沿所述基体的厚度方向呈梯度分布，且所述泡孔的直径尺寸自所述基体的底层向所述基体的表层逐渐减小，垂直于所述基体的厚度方向上的所述泡孔的直径尺寸均一。
2.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述基体采用聚氨酯材料制成；所述泡孔的直径尺寸为10－150μm，相邻的所述泡孔之间相互独立或通过孔隙相互连通。
3.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述基体中分布有至少两种不同直径尺寸的所述泡孔，位于所述表层的所述泡孔的直径尺寸为10－80μm，位于所述底层的所述泡孔的直径尺寸为80－150μm。
4.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述基体的抛光面上分布有多个相互独立的开放孔，所述开放孔的开口位于所述抛光面上。
5.根据权利要求4所述的抛光垫，其特征在于，所述开放孔的直径为10－50μm、深度为5－45μm；所述抛光面的孔隙率为20－50％。
6.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述基体内设有磨料粒子。
7.根据权利要求6所述的抛光垫，其特征在于，所述磨料粒子由陶瓷材料制成，所述磨料粒子为球形，所述磨料粒子的直径≤50nm。
8.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述基体的厚度为1－2.5cm，所述基体的密度为0.7－0.9g/cm3；所述基体的抛光面在25℃以下时的硬度为40－80ShoreD、断裂伸长率为50－300％。
9.一种抛光垫的制造方法，其特征在于，用于制造如权利要求1－8任一项所述的抛光垫，该方法包括以下步骤：
S101、将聚氨酯类预聚物、固化剂、以及填料和/或添加剂一起制备成片状的聚合物坯体；
S102、将步骤S101制得的聚合物坯体至于高压反应釜中，通入物理发泡剂，并控制反应釜的温度和压力保持一段时间，使聚合物坯体和物理发泡剂充分混合，然后在高温不发泡的条件下将反应釜泄压至常压；
S103、将经过步骤S102处理后的聚合物坯体快速置于单面热台上形成温度梯度，以促使聚合物坯体梯度发泡形成多个泡孔。
10.一种抛光垫的制造方法，其特征在于，用于制造如权利要求1－8任一项所述的抛光垫，该方法包括以下步骤：
S201、将聚氨酯类预聚物、固化剂、以及填料和/或添加剂一起制备成片状的聚合物坯体；
S202、将步骤201获得的聚合物坯体与另一与其不相容或部分相容的聚合物或小分子物质熔融或溶液共混得到共混物体系；
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