CN101823242A - 基于葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫及制造方法 - Google Patents

Abstract

基于葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫，由上层硬质凸块和下层支撑体组成。所述下层支撑体由下层软质凸块连接软质基层且为一整体而构成，上层硬质凸块支撑在下层软质凸块上，并固定连接。所述上层凸块分布排列成葵花籽粒排列形状，基于生物学的叶序理论Vogel模型，即籽粒极坐标角度θ＝137.508°n，籽粒块极坐标径向位置

。其制作方法是使用模具浇注低聚物多元醇、二异氰酸酯、扩链剂、磨料混合体，形成聚氨酯上层硬质凸块；再浇注下层支撑体，经固化形成仿生结构的抛光垫。本发明具有使压力场、温度场和抛光液分布均匀，以及使抛光件表面抛光材料去除分布均匀的优点，可用于半导体晶片表面的化学机械抛光和集成电路化学机械平坦化，提高了抛光质量和效率。

Description

基于葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫及制造方法

技术领域

本发明涉及化学机械抛光技术领域，特别是涉及基于葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫及制造方法。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)是通过磨料粒子的研磨作用与抛光液的化学腐蚀作用的有机结合，使被抛光的工件表面获得超光滑和超平坦加工方法。自1991年IBM公司首次成功地将CMP技术应用到IC制造过程以来，化学机械抛光技术已广泛地用于集成电路、存储磁盘与磁头、光学零件表面等的加工领域。

随着科学技术的迅猛发展，半导体产业的战略地位越来越重要，半导体产业的发展主要表现在两个方面：一是不断缩小器件的特征尺寸，以满足微型化、高密度化的要求；二是不断扩大的晶片直径尺寸，以增加IC芯片产量，降低单元制造成本。特征尺寸的不断缩小的对晶片表面的质量提出了苛刻的要求，要求亚微米级平整度、纳米级表面粗糙度和高表面完整性；而宏观尺寸的增大又使得全晶片内的平坦化均匀性带来极大困难。

在平面的化学机械抛光过程中，抛光垫与抛光表面接触，由于抛光垫的连续性和材料的剪切效应，接触表面的压强分布将产生不均匀效应，而晶片表面材料去除量正比于接触压强，因而导致被抛光表面产生宏观与微观几何形貌不均匀现象。同时抛光过程如何保证抛光液流动的均匀性和如何使抛光产生的切屑和抛光液中杂质粒子快速排除，也是抛光过程中难以有效解决的问题；另外抛光过程中产生的热常使接触区域的温度场分布不均，也将使得抛光产生的宏观表面不均匀。为了解决这个问题，人们采用了气囊加压法、流体背压加压法、护环法和背垫法等进行抛光，但仍然不能解决上述所有问题。然而，用“Winkler地基”理论和生物的叶序理论为解决上述问题提供了可能，遵循叶序理论的葵花籽粒排布，见图8，具有籽粒凸起13、顺时针斜列线沟槽14和逆时针斜列线沟槽15结构，具有表面对热辐射的最大吸收，而斜列铁沟槽对流体作用时有发散效应的特性。因此，发明一种新型抛光垫对提高CMP抛光效率和表面材料均匀性去除，实现高效超平坦化抛光有重要的科学意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是一部分是基于“Winkler地基”理论和生物学的叶序理论设计抛光垫结构，另一部分是制造该结构的抛光垫的技术方法。“Winkler地基”理论是将接触对象看成是剪切弹性模量为零，接触的支撑为由一个个与接触变形与压强成正比的独立“土柱”所组成，因此，如果将抛光垫切割成相互分离的单元块就可以解决连续结构抛光垫的横向牵连效应，使接触平均压强达到均匀的目的。葵花籽粒排布的结构具有自分离效应，满足“Winkler地基”理论模型要求，而这种排布满足生物学的叶序理论Vogel模型，即籽粒极坐标角度θ＝137.508°n，籽粒块极坐标径向位置

Vogel模型是葵花籽粒结构排布规律模型，葵花籽粒结构的排布具有表面对热辐射的最大吸收，形成的斜列线螺旋沟槽对流体作用时有发散效应的特征。因此，按照上述理论设计和制造的抛光垫就具有均匀接触压强分布、抛光液均布和接触温度场分布的作用，同时沟槽和垫凸起块的交互排布可合理地匹配抛光过程中的化学与机械作用，从而达到提高抛光效率的目的的葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫。

采用的技术方案是：基于葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫，由上层硬质凸块和下层支撑体组成。所述的下层支撑体由下层软质凸块连接软质基层且为一整体而构成，所述下层软质凸块与上层硬质凸块相对应，上层硬质凸块支撑在下层软质凸块上，并固定连接。所述上层硬质凸块分布排列成葵花籽粒排列形状，基于生物学的叶序理论Vogel模型，即籽粒极坐标角度θ＝137.508°n，籽粒块极坐标径向位置

其中θ为分布角。r为分布半径，n凸起块的序数，k为分布系数，并且硬质凸块依据“Winkler地基”理论分割。

上述的上层硬质凸块为具有混入粒度为5-200nm的氧化硅或氧化铈、金刚石、碳酸钙、碳酸钡磨料硬质聚氨酯弹性体，下层支撑体为软质聚氨酯弹性体。

上述的上层硬质凸块为圆柱形，直径为Φ0.5～5mm，厚度为0.3-0.75mm。

上述的下层支撑体的下层软质凸块厚度为0.7-0.5mm，软质基层厚度为0.3-0.5mm。

葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫的制造方法，包括下列步骤：

1)制作模板，模板上制作出具有专籽粒仿生结构排布的型腔孔。模板上型腔孔可以采用钻孔、激光打孔、光刻腐蚀方法制作。

2)先将模板安装在一个作为基准的平面浇注基板上，然后将脱水后的低聚物多远醇与二异氰酸酯均匀混合，加热升温至80℃保温1-3小时，再加入扩链剂和磨料，搅拌混合均匀后立即注入预热100℃装有模板的模具中，注完送入80-100℃热空气炉中硫化，以便形成含有磨料的聚氨酯上层硬质凸块。

3)浇注下层支撑体，将脱水的低聚物多元醇和二异氰酸酯均匀混合，在80℃保温1-3小时，再加入扩链剂搅拌混合均匀后浇到已经固化的含有磨料聚氨酯上层硬质凸块上，将基层的表面用基板找平，并挤压后在室温下硫化待固化。

4)完成步骤3)固化后脱模，形成仿生结构的抛光垫。

上述的步骤2)所形成含有磨料聚氨酯上层硬质凸块的低聚物多远醇为1，6-己二氯醇，二异氰酸酯为对苯二异氰酸酯或1，5萘二异氰酸酯，扩链剂为3，3一二一4，4一二苯基甲烷二胺，其低聚物多远醇、二异氰酸酯、扩链剂、磨料之间的质量配比为：100-150∶100-150∶150-200∶200-300。

上述的步骤3)所浇注的下层支撑体的低聚物多元醇为乙二醇，二异氰酸酯为2，4-甲苯二异氰酸酯，扩链剂为丁二醇，其低聚物多元醇、二异氰酸酯、扩链剂之间的质量配比为：100-150∶100-150∶150-200。

本发明制得的具有葵花籽粒分布凸起的固结磨料抛光垫具有使压力场、温度场和抛光液分布均匀，以及使晶片表面抛光材料去除分布均匀的优点，可用于半导体晶片表面的化学机械抛光(CMP)和集成电路(IC)制造过程的各阶段的化学机械平坦化，将改善集成电路的制造质量。

附图说明

图1是本发明抛光垫表面仿生结构示意图。

图2是本发明抛光垫的断面形状放大图。

图3是本发明抛光垫制造浇注工艺步骤中模板示意图。

图4是浇注混有磨料的聚氨酯上层硬质凸块示意图。

图5是浇注下层支撑体的软质凸块及软质基层示意图。

图6是脱模形成仿生抛光垫断面示意图。

图7是抛光“Winkler地基“理论接触模型图。

图8是葵花籽粒结构分布图。

具体实施方式

基于葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫，由上层硬质凸块1和下层支撑体2组成。所述的下层支撑体2由下层软质凸块3连接软质基层4且为一整体而构成，所述下层软质凸块3与上层硬质凸块1相对应，上层硬质凸块1支撑在下层软质凸块3上，并固定连接。所述上层硬质凸块1的分布满足叶序理论的Vogel模型，即籽粒极坐标角度θ＝137.508°n，籽粒块极坐标径向位置

其中θ为分布角，r为分布半径，n凸起块的序数，k为分布系数。K值的选取根据抛光垫的直径和凸块大小适当选取，保证实际抛光接触面积占整个抛光垫面积合理比例。硬质凸块1依据“Winkler地基“理论分割。所述上层硬质凸块1为具有混入粒度为100nm的二氧化硅磨料硬质聚氨酯弹性体，下层支撑体2为软质聚氨酯弹性体。上层硬质凸块1为圆柱形，直径为Φ0.8mm，厚度为0.5mm。下层支撑体2的下层软质凸块3厚度为0.4mm，软质基层4为0.5mm。

葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫的制造方法，包括下列步骤：

1)制作模板(见图3)，模板5制作出具有籽粒仿生结构排布的型腔孔6可以采用激光打孔制作。

2)先将模板5安装在一个作为基准的平面浇注基板7上然后将脱水后的低聚物多元醇(1，6-己二醇)与二异氰酸酯(对苯二异氰酸酯)均匀混合，适当加热升温，在80℃保温2时，在加入扩链剂(3，3-二氯-4，4-二苯基甲烷二胺)和磨料猛烈搅拌数分钟，混合均匀后立即注入预热100℃的特制模具(图4)中，(低聚物多元醇、二异氰酸酯、扩链剂、磨料之间的质量配比为：100∶150∶150∶250)，然后送入90℃热空气炉中硫化，形成含有磨料的硬聚氨酯上层凸块1。

3)浇注层下层支撑体2(图5)将脱水后的低聚物多元醇(乙二醇)和二异氰酸酯(2，4-甲苯二异氰酸酯)均匀混合，在80℃保温2小时，再加入扩链剂(丁二醇)猛烈搅拌数分钟混合均匀后，(低聚物多元醇、二异氰酸酯、扩链剂之间的配比质量为：100∶150∶150)浇注到已经固化的硬聚氨酯上层硬质凸台1上，将基层4的表面用基板找平，并挤压后在室温下硫化待固化。

4)完成步骤3)固化后脱模，形成方生结构的抛光垫。

图7所示，是抛光简化的“Winkler地基”模型。抛光时晶片10在背垫9的支撑下安装在夹具8上。晶片10与抛光垫11接触，抛光垫11粘接抛光盘12上。按照“Winkler地基”理论抛光垫11的凸起可以看成小的独立的“土柱“，简化成弹簧支撑。

Claims (7)

1.基于葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫，由上层硬质凸块(1)和下层支撑体(2)组成，其特征在于所述的下层支撑体(2)由下层软质凸块(3)连接软质基层(4)且为一整体而构成，上层硬质凸块(1)支撑在下层软质凸块(3)上，并固定连接，上层硬质凸块(1)分布排列成葵花籽粒排列形状，基于生物学的叶序理Vogel模型，即籽粒极坐标角度θ＝137.508°n，籽粒块极坐标径向位置

其中θ为分布角，r为分布半径，n为凸起块的序数，k为分布系数，并且硬质凸块依据“Winkler地基”理论分割。

2.根据权利要求1所述的基于葵花籽粒分布结构仿生抛光垫，其特征在于所述的上层硬质凸块(1)为具有混入粒度为5-200nm的二氧化硅或氧化铈、金刚石、碳酸钙、碳酸钡磨料硬质聚氨酯弹性体，下层支撑体(2)为软质聚氨酯弹性体。

3.根据权利要求1所述的基于葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫，其特征在于所述的硬质凸块(1)为圆柱形，直径为Φ0.5～5mm，厚度为0.3-0.75mm。

4.根据权利要求1所述的基于葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫，其特征在于所述的下层支撑体(2)的下层软质凸块(3)厚度为0.3-0.5mm，软质基层(4)厚度为0.3-0.5mm。

5.葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫的制造方法，其特征包括下列步骤：

1)制作模板，模板(5)上制作出具有籽粒仿生结构排布的型腔孔(6)，模板上型腔孔(6)可以采用钻孔、激光打孔、光刻腐蚀方法制作；

2)先将模板(5)安装在一个作为基准平面浇注基板(7)上，然后将脱水后的低聚物多元醇与二异氰酸酯均匀混合，加热升温至80℃保温1-3小时，再加入扩链剂和磨料，搅拌混合均匀后立即注入预热100℃装有模板的模具中，注完送入80-100℃热空气炉中硫化，以便形成含有磨料的聚氨酯上层硬质凸块(1)；

3)浇注下层支撑体(2)，将脱水的低聚物多远醇和二异氰酸酯均匀混合，在80℃保温1-3小时，再加入扩链剂搅拌混合均匀后浇注到已经固化的含有磨料聚氨酯上层硬质凸块(1)上，将基层(4)的表面用基板找平，并挤压后在室温下硫化待固化；

4)完成步骤3)固化脱模，形成仿生结构的抛光垫。

6.根据权利要求5所述的葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫的制造方法，其特征在于所述的步骤2)所形成含有磨料聚氨酯上层硬质凸块(1)的低聚物多元醇为1，6-己二醇，二异氰酸酯为对苯二异氰酸酯或1，5萘二异氰酸酯，扩链剂为3，3-二氯-4，4-二苯基甲烷二胺，其低聚物多元醇、二异氰酸酯、扩链剂、磨料之间的质量配比：100-150∶100-150∶150-200∶200-300。

7.根据权利要求5所述的葵花籽粒分布结构的仿生抛光垫的制造方法，其特征在于所述的步骤3)所浇注的下层支撑体(2)的低聚物多元醇为乙二醇，二异氰酸酯为2，4-甲苯二异氰酸酯，扩链剂为丁二醇，其低聚物多元醇、二异氰酸酯、扩链剂之间的质量配比为100-150∶100-150∶150-200。

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