CN101972995B - 一种仿生表面结构抛光垫及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的表面是多个相互独立的凸块结构排布形态，相互独立的凸块分为上层硬凸块和下层软凸块。上述多个凸块固结在一个基层上。此抛光垫的结构设计满足生物科学中的叶序理论的F.R.Yeatts叶序模型，即凸块的极坐标角度满足θ＝137.508°n，凸块径向位置满足

同时保证各个凸块相互分离，满足接触力学的“Winkler”地基理论。抛光垫的制造采用丝网印刷技术制造，通过聚氨酯材料在一个基层上的两次印刷和固结干燥过程完成。首先印刷软质下层，然后硬质上层，网板的漏印图案孔必须满足上述叶序理论。本发明可用于化学机械抛光(CMP)技术领域，对半导体晶片表面的抛光和集成电路的制造过程的各阶段表面平整化有有重要的科学意义和实际价值。

Description

一种仿生表面结构抛光垫及制造方法

技术领域

本发明涉及的技术领域为化学机械抛光技术领域，特别涉及一种仿生表面结构抛光垫及制造方法。

背景技术

化学机械抛光(CMP)是利用化学和机械的作用使材料去除，并且获得超光滑和超平坦表面的一种加工方法。该技术被广泛用于半导体晶片、光学镜面、显示器基板、硬磁盘基片和陶瓷平面零件等的制造领域。特别是该技术被应用于集成电路(IC)和微机械系统(MEMS)制造领域以来，其越来越得到国内外学者和企业界人士的广泛重视。

在化学机械抛光过程中，被抛光工件表面与固结在抛光盘表面的抛光垫接触，并在一定的压力和速度条件下相互摩擦，同时注入相应的抛光液，通过抛光液的化学作用和抛光垫(包括抛光液中的磨料)与抛光表面的机械摩擦作用使材料去除。在这个过程中抛光垫的形态起到了十分关键的作用。一般的抛光垫是一种较软的粘弹性材料制成，并且一些抛光垫是通过特定的工艺使其内部含有一定的空隙。在抛光过程中，抛光垫的作用不仅是贮存抛光液并把它运送到工件的整个加工区域，以及移除抛光过程产生的残留物质(如抛光碎屑，抛光垫碎片等)，而且还直接参与工件表面的摩擦切削和利用其的弹性变形来改变与工件的接触状态，并且嵌入磨料和提高磨料的等高性。因此，抛光垫的表面几何结构特性和物理特性对被抛光表面的宏观与微观几何特性有十分重要的影响。

抛光垫通常可以分为硬质和软质(弹性，粘性)两种。硬质抛光垫可以较好地保证工件表面的平面度；软质抛光垫可以获得加工变质层和表面粗糙度都很小的抛光表面。用于化学机械抛光(CMP)过程的硬质抛光垫有各种粗布垫，纤维织物垫，聚乙烯垫等，软质抛光垫主要有聚氨酯垫，细毛毡垫，各种绒毛布垫等。目前在集成平坦化抛光中多使用两层叠加的抛光垫，如聚氨酯IC1000和聚氨酯SUBAIV叠加组成的抛光垫，其上层选用较硬的聚氨酯IC1000抛光垫，承受化学机械抛光(CMP)过程的机械与化学作用，从而提高材料的去除率且获得较好平面度；底层选用较软有弹性的聚氨酯SUBAIV抛光垫，能改善整个抛光垫的可压缩性，使抛光垫表面与工件均匀接触，保证晶片表面材料更均匀去除。但是这些抛光垫仍不能更全面地解决抛光过程由于抛光垫材料的剪切效应带来的接触压强分布不均匀问题、接触温度场均匀性问题，以及抛光液的可控性均匀输入问题等。这些问题的存在，使得大尺寸表面得到宏观与微观表面平坦化仍然难以实现最佳平坦化，特别是对大尺寸晶片制造IC的集成平坦化问题仍然具有较大的困难。

然而，弹性力学的“Winkler地基”理论和生物学的叶序理论为解决上述问题提供了理论基础。“Winkler地基”是把接触支撑看成是由无数个相互独立“土柱”所组成，它忽略了剪切效应。满足叶序理论排布的葵花籽粒排布结构具有自分离、对辐射的最大吸收的作用，而且叶序排布形成的顺时针和逆时针斜列线沟槽也具有对流体均布分散的作用。因此，发明一种新型抛光垫对平面化学机械抛光实现最佳化有重要的科学意义和实际价值。

发明内容

本发明的一个目的是针对抛光过程中由于抛光垫材料的剪切效应使得产生的接触压强不均匀、被抛光件中心温度较高、抛光液难以均匀进入接触区域和产生的废物难以排出的问题，而提供的一种仿生表面结构抛光垫。

本发明的另一目的是提供了制造一种仿生表面结构抛光垫的制造方法。

采用的技术方案是：一种仿生表面结构抛光垫，包括多个凸块与基层，多个凸块经过固化及硫化处理固结在基层上。

其技术要点在于：所述的凸块由上层硬质凸块和下层软质凸块组成，凸块的直径范围为φ0.5～5mm。下层软质凸块材料为软质聚氨酯，经过固化及硫化处理固结在基层上，厚度在0.3～0.5mm。上层硬质凸块材料为硬质聚氨酯或混入微纳米磨料的硬质聚氨酯，经过固化及硫化处理固结在下层软质凸块上，上层硬质凸块厚度为0.3～0.75mm，上下两层凸块形成一整体结构。混入的微纳米磨料可以为金刚石、立方氮化硼、二氧化硅、氧化铈或氧化铝等，粒度为5～200nm。

硬质聚氨酯由聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯材料在温度为80℃-110℃，硫化3-5小时制得。软质聚氨酯由聚氨酯材料在温度为80℃-110℃，硫化2-4小时制得。

上述聚氨酯材料由PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂组成，质量比例为100∶100-150∶100-300。上述混有微纳米磨料的硬质聚氨酯φPU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂与微纳米磨料的质量比例为100∶100-150∶100-300∶200-280。

PU树脂为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚四氢呋喃二醇(PTMG)、聚酯多元醇、乙二醇、甲醇、二甲基甲酰胺中的至少一种。环氧活性稀释剂为甲基丙烯酸缩水甘油醚、丁基二缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚、对异丁基苯基缩水甘油醚中的至少一种。固化剂为苯磺酰氯、对甲苯磺酰氯、硫酸乙脂、石油磺酸、脂肪族多元胺或芳香族多元胺。

多个凸块在基层上的的排布遵循葵花表面的籽粒块分布叶序理论，即满足第n个凸起籽粒块的极坐标角度θ＝137.508°n，籽粒块径向位置满足

式中R是第n个凸起籽粒块的极坐标半径，R₀为抛光垫的直径，κ为生长系数，由设计的籽粒块大小决定。

多个凸块相互分离且满足“winkler地基”理论，在基层上形成逆时针斜列线沟槽和顺时针斜列线沟槽。

基层的材料是无纺布、皮革、软聚氨酯等具有一定柔性的材料，厚度在0.3～0.5mm。

一种仿生表面结构抛光垫的制造方法，包括下列步骤：

①首先制作网板：网板包括网板框和模板。网板框为与模板的外缘配合的边框。模板上的凸块漏印孔排布遵循θ＝137.508°n，

的叶序理论，其凸块漏印孔尺寸按照凸块大小确定。模板上的凸块漏印孔可采用数控钻孔、数控激光切割、电铸法或掩膜腐蚀法制成，模板可以是一般的丝网印刷的网、镍箔板、不锈钢箔板或铜箔板，厚度可以在0.05～0.3mm。网板尺寸遵循电路板丝网印刷母版设计规律。

②将基层采用真空吸附法固定在载台上，然后将网框调整好相对基层的位置。将聚氨酯材料放到模板上，使用刮刀均匀地刮印。刮刀速度V与压力P可根据需要的层厚度适当调节。使聚氨酯材料从凸块漏印孔落下，在基层上形成满足叶序理论和“winkler地基”理论的多个未固化的下层软质凸块。将基层送入固化炉中固化及硫化处理，处理与固化的温度为：80℃-110℃，时间为2-4小时，形成固结在基层上的多个下层软质凸块。

③将上述固结有多个下层软质凸块的基层再次采用真空吸附法固定在载台上，调整好多个下层软质凸块相对模板的位置，然后将聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯材料放到模板上，使用刮刀均匀地刮印。刮刀速度V与压力P可根据需要的层厚度适当调节。将上述聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯刮印到下层软质凸块上，在多个下层软质凸块上形成多个未固化的上层硬质凸块，将基层放入固化炉中固化及硫化处理。温度为：80℃-110℃，时间3-5小时。出炉后多个上层硬质凸块分别固结在相应的多个下层软质凸块上，获得一种仿生表面结构抛光垫。

上述聚氨酯材料由PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂按质量比例为100∶100-150∶100-300混合而成；上述混入微纳米磨料的聚氨酯材料中的PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂与微纳米磨料按质量比例为100∶100-150∶100-300∶200-280。混入的微纳米磨料为金刚石、立方氮化硼、二氧化硅、氧化铈或氧化铝等，粒度为5～200nm。

上述PU树脂为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚四氢呋喃二醇(PTMG)、聚酯多元醇、乙二醇、甲醇或二甲基甲酰胺中的至少一种。环氧活性稀释剂为甲基丙烯酸缩水甘油醚、丁基二缩水甘油醚或烯丙基缩水甘油醚中的至少一种。固化剂为苯磺酰氯、对甲苯磺酰氯、硫酸乙脂、石油磺酸、脂肪族多元胺或芳香族多元胺。

其优点在于：本发明满足叶序理论排布的葵花籽粒排布结构具有自分离、对辐射的最大吸收的作用，叶序排布形成的顺时针和逆时针斜列线沟槽也具有对流体均布分散的作用。因此，本发明对平面化学机械抛光实现最佳化有重要的科学意义和实际价值。

附图说明：

图1为向日葵籽粒排列结构图。

图2为一种仿生表面结构抛光垫示意图。

图3为一种仿生表面结构抛光垫的截面图。

图4为曝光后的丝网模板图。

图5为软聚氨酯凸块丝网印刷原理图。

图6为软聚氨酯凸块干燥固化形态图。

图7为硬聚氨酯凸块丝网印刷原理图。

图8为经固化硫化后的硬聚氨酯凸块并形成仿生抛光垫图。

具体实施方式：

一种仿生表面结构抛光垫，包括多个凸块1与基层6，多个凸块1经过固化及硫化处理固结在基层6上。

所述的凸块1由上层硬质凸块4和下层软质凸块5组成，凸块1的直径为φ3mm。下层软质凸块5材料为软质聚氨酯，经过固化及硫化处理固结在基层6上，厚度在0.4mm。上层硬质凸块4材料为硬质聚氨酯或混有微纳米磨料的硬质聚氨酯，经过固化及硫化处理固结在下层软质凸块5上，上层硬质凸块4厚度为0.5mm。上下两层凸块形成一整体结构。混入的磨料可以为金刚石、立方氮化硼、二氧化硅、氧化铈、氧化铝等，粒度为100nm。

硬质聚氨酯由聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯材料在温度为80℃-110℃，硫化3-5小时制得。软质聚氨酯由聚氨酯材料在温度为80℃-110℃，硫化2-4小时制得。

上述聚氨酯材料由PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂组成，质量比例为100∶120∶200。上述混有微纳米磨料的硬质聚氨酯中PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂与微纳米磨料的质量比例为100∶130∶200∶240。

上述聚氨酯材料中PU树脂为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚四氢呋喃二醇(PTMG)、聚酯多元醇、乙二醇、甲醇或二甲基甲酰胺。环氧活性稀释剂为甲基丙烯酸缩水甘油醚、丁基二缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚或对异丁基苯基缩水甘油醚中。固化剂为苯磺酰氯、对甲苯磺酰氯、硫酸乙脂、石油磺酸、脂肪族多元胺或芳香族多元胺。

多个凸块1在基层6上的的排布遵循葵花表面的籽粒块分布叶序理论，即满足第n个凸起籽粒块的极坐标角度θ＝137.508°n，籽粒块径向位置满足

式中R是第n个凸起籽粒块的极坐标半径，R₀为抛光垫的直径，κ为生长系数，由设计的籽粒块大小决定。

多个凸块1相互分离且满足“winkler地基”理论，在基层6上形成逆时针斜列线沟槽2和顺时针斜列线沟槽3。

基层6的材料可以是无纺布、皮革、软聚氨酯革等具有一定柔性的材料，厚度在0.4mm。

一种仿生表面结构抛光垫的制造方法，包括下列步骤：

①首先制作网板。网板包括：网板框8与模板7。网板框8为与模板7的外缘配合的边框，可以是铝合金材料，也可以是碳钢材料。模板7上的凸块漏印孔排布遵循叶序理论，其凸块漏印孔尺寸按照凸块大小确定。模板7上的凸块漏印孔可采用数控钻孔、数控激光切割、电铸法或掩膜腐蚀法制成，模板7可以是一般的丝网印刷的网、镍箔板、不锈钢箔板或铜箔板，厚度为0.2mm。网板尺寸遵循电路板丝网印刷母版设计规律。

②将基层6采用真空吸附法固定在载台11上，对基层6表面使用酒精或丙酮进行擦洗去油处理，然后将网板框8调整好相对基层6的位置。将聚氨酯材料10放到模板7上，使用刮刀9均匀地刮印。刮刀速度V与压力P可根据需要的层厚度适当调节。使聚氨酯材料10从凸块漏印孔落下，在基层6上形成满足叶序理论和“winkler地基”理论的多个未固化的下层软质凸块12，将基层6送入固化炉中固化及硫化处理，温度为80℃-110℃，时间为2-4小时，形成固结在基层6上的多个下层软质凸块5；

③将上述固结有多个下层软质凸块5的基层6再次采用真空吸附法固定在载台11上，调整好多个下层软质凸块5相对模板7的位置，然后将聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯材料13放到模板7上，使用刮刀9均匀地刮印。刮刀速度V与压力P可根据需要的层厚度适当调节。将上述聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯材料13刮印到多个下层软质凸块5上，在多个下层软质凸块5上形成多个未固化的上层硬质凸块14，将基层6放入固化炉中固化及硫化处理。温度为：80℃-110℃，时间3-5小时。出炉后多个上层硬质凸块4分别固结在相应的多个下层软质凸块5上，获得一种仿生表面结构抛光垫。

上述聚氨酯材料由PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂按质量比例为100∶120∶200混合而成；上述混入微纳米磨料的聚氨酯材料中的PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂与微纳米磨料按质量比例为100∶130∶200∶240。混入的微纳米磨料为金刚石、立方氮化硼、二氧化硅、氧化铈或氧化铝等，粒度为100nm。

上述PU树脂为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚四氢呋喃二醇(PTMG)、聚酯多元醇、乙二醇、甲醇或二甲基甲酰胺。环氧活性稀释剂为甲基丙烯酸缩水甘油醚、丁基二缩水甘油醚或烯丙基缩水甘油醚。固化剂为苯磺酰氯、对甲苯磺酰氯、硫酸乙脂、石油磺酸、脂肪族多元胺或芳香族多元胺。

Claims (5)

1.一种仿生表面结构抛光垫，包括多个凸块(1)与基层(6)，多个凸块(1)经过固化及硫化处理固结在基层(6)上； 

其特征在于：所述的凸块(1)由上层硬质凸块(4)和下层软质凸块(5)组成；下层软质凸块(5)材料为软质聚氨酯，经固化及硫化处理固结在基层(6)上，厚度为0.3～0.5mm；上层硬质凸块(4)材料为硬质聚氨酯或混入微纳米磨料的硬质聚氨酯，经固化及硫化处理固结在下层软质凸块(5)上，上层硬质凸块(4)厚度为0.3～0.75mm，上下两层凸块形成一整体结构；所述的混入的微纳米磨料为金刚石、立方氮化硼、二氧化硅、氧化铈或氧化铝，混入的微纳米磨料粒度为5～200nm； 

上述聚氨酯材料由PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂组成，质量比例为100∶100-150∶100-300；上述混有微纳米磨料的硬质聚氨酯中PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂与微纳米磨料的质量比例为100∶100-150∶100-300∶200-280； 

PU树脂为二苯基甲烷二异氰酸酯、聚四氢呋喃二醇、聚酯多元醇、乙二醇、甲醇、二甲基甲酰胺中的至少一种；环氧活性稀释剂为甲基丙烯酸缩水甘油醚、丁基二缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚、对异丁基苯基缩水甘油醚中的至少一种；固化剂为苯磺酰氯、对甲苯磺酰氯、硫酸乙脂、石油磺酸、脂肪族多元胺或芳香族多元胺； 

上述多个凸块(1)在基层(6)上的排布遵循葵花表面籽粒块分布叶序理论，即满足第n个凸起籽粒块的极坐标角度θ＝137.508⁰n，籽粒块径向位置满足 

式中R是第n个凸起籽粒块的极坐标半径，R₀为抛光垫的直径，κ为生长系数，由设计的籽粒块大小决定； 

多个凸块(1)相互分离且满足“winkler地基”理论，在基层(6)上形成逆时针斜列线沟槽(2)和顺时针斜列线沟槽(3)； 

基层(6)为柔性材料制成，厚度在0.3～0.5mm。 

2.根据权利要求1所述的一种仿生表面结构抛光垫，其特征在于：凸块(1)的直径范围为φ0.5～5mm。 

3.根据权利要求1所述的一种仿生表面结构抛光垫，其特征在于：硬质聚氨酯由聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯材料在温度为80℃-110℃，硫化3-5小时制得；软质聚氨酯由聚氨酯材料在温度为80℃-110℃，硫化2-4小时制得。 

4.一种权利要求1所述的仿生表面结构抛光垫的制造方法,其特征包括下列步骤： 

①首先制作网板：网板包括网板框(7)，网板框(8)为与模板(7)的外缘配合的边框，模板(7)上的凸块漏印孔排布遵循θ＝137.508⁰n，

的叶序理论，其凸块漏印孔尺寸按照凸块大小确定；网板尺寸遵循电路板丝网印刷母版设计规律； 

②将基层(6)采用真空吸附法固定在载台(11)上，然后将网板框(8)调整好相对基层(6)的位置；将聚氨酯材料(10)放到模板(7)上，使用刮刀(9)均匀地刮印，使聚氨酯材料(10)从凸块漏印孔落下，在基层(6)上形成满足叶序理论和winkler地基理论的多个未固化的下层软质凸块(12)，将基层(6)送入固化炉中固化及硫化处理，温度为80℃-110℃，时间为2-4小时，形成固结在基层(6)上的多个下层软质凸块(5)； 

③将上述固结有多个下层软质凸块(5)的基层(6)再次采用真空吸附法固定在载台(11)上，调整好多个下层软质凸块(5)相对模板(7)的位置，然后将聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯材料(13)放到模板(7)上，使用刮刀(9)均匀地刮印；将上述聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯材料(13)刮印到多个下层软质凸块(5)上，在多个下层软质凸块(5)上形成多个未固化的上层硬质凸块(14)，将基层(6)送入固化炉中固化及硫化处理，温度为80℃-110℃，时间为3-5小时，形成固结在相应的多个下层软质凸块(5)上的多个上层硬质凸块(4)，获得一种仿生表面结构抛光垫； 

上述聚氨酯材料由PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂按质量比例为100∶100-150∶100-300混合而成；上述混入微纳米磨料的聚氨酯材料中PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂与微纳米磨料质量比例为100∶100-150∶100-300∶200-280；上述的混入的微纳米磨料为金刚石、立方氮化硼、二氧化硅、氧化铈或氧化铝，粒度为5～200nm； 

上述聚氨酯材料中的PU树脂为二苯基甲烷二异氰酸酯、聚四氢呋喃二醇、聚酯多元醇、乙二醇、甲醇、二甲基甲酰胺中的至少一种；环氧活性稀释剂为甲基丙烯酸缩水甘油醚、丁基二缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚中的至少一种；固化剂为苯磺酰氯、对甲苯磺酰氯、硫酸乙脂、石油磺酸、脂肪族多元胺或芳香族多元胺。 

5.根据权利要求4所述的一种仿生表面结构抛光垫的制造方法，其特征在于：模板(7)为丝网印刷的网、镍箔板制作的网、不锈钢箔板制作的网或铜箔板 制作的网，厚度在0.05～0.3mm；镍箔板制作的网、不锈钢箔板制作的网或铜箔板制作的网上的凸块漏印孔采用数控钻孔、数控激光切割、电铸法或掩膜腐蚀法制成。 

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