CN104416452A - 化学机械抛光垫 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种化学机械抛光垫，其包括：抛光层；刚性层；以及将抛光层与刚性层粘结的热熔粘合剂；其中所述抛光层的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90，断裂伸长率为100-300％；且具有初始水解稳定性和持续水解不稳定性的独特组合特征。

Description

化学机械抛光垫
技术领域
本发明涉及化学机械抛光垫及其制备和使用方法。更具体而言，本发明涉及化学机械抛光垫，其包括抛光层、刚性层以及将所述抛光层与所述刚性层粘结的热熔粘合剂；其中所述抛光层的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90，断裂伸长率为100-300％，且具有初始水解稳定性和持续水解不稳定性的独特组合特征；以及其中所述抛光层具有适合用来对基材进行抛光的抛光表面。
背景技术
半导体生产通常涉及一些化学机械平面化(CMP)工艺。在各CMP工艺中，通过抛光垫与抛光液(例如包含磨料的抛光浆液或者不含磨料的活性液体)的组合，以平面化或保持平坦度，以便接纳下一层的方式除去多余的材料。这些层以形成集成电路的方式组合成堆叠。由于人们需要具有更高的运行速度、更低的漏电流和降低功率消耗的器件，所以这些半导体器件的制造一直在变得越来越复杂。对于器件的结构，这意味着要求更精细的特征几何结构，以及更多的金属化层次。这些越来越严格的器件设计要求促使人们采用与具有较低的介电常数的新介电材料联用的铜金属化工艺。减少的物理性质，频繁地与低k和超低k材料结合以及器件增加的复杂性使得人们对CMP消耗品(例如抛光垫和抛光液)的需求更大。
具体地，与常规介电材料相比，低k和超低k介电材料往往具有较低的机械强度和较差的粘合性，表现出更难的平面化。另外，随着集成电路特征尺寸的减小，由CMP产生的缺陷，例如划痕，变成了更大的问题。另外，集成电路减小的膜厚度要求在改进缺陷度的同时为晶片基材提供可接受的形貌；这些形貌方面的要求需要基材具有更加严格的平面度、凹陷和腐蚀规格。
聚氨酯抛光垫是用于各种精确要求的抛光应用的主要抛光垫化学物质。聚氨酯抛光垫能有效地用于抛光硅晶片、图案化的晶片、平板显示器和磁盘存储器。具体地，聚氨酯抛光垫为用于制造集成电路的大多数抛光操作提供了机械整体性和耐化学性。例如，聚氨酯抛光垫具有用以抵抗撕裂的高强度；避免在抛光过程中发生磨损问题的耐磨性；耐受强酸和强苛性抛光液侵蚀的稳定性。
一类聚氨酯抛光层在Kulp的美国专利第8,288,448号中公开。Kulp公开了一种抛光垫，其包含与异氰酸酯封端的反应产物一起形成的浇铸聚氨酯聚合物材料，所述异氰酸酯封端的反应产物由预聚物多元醇和多官能异氰酸酯的预聚物反应形成。所述异氰酸酯封端的反应产物具有4.5-8.7重量％未反应的NCO；且异氰酸酯封端的反应产物与固化剂一起固化，所述固化剂选自固化多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物。
然而，人们仍需要具有合适平衡性质的化学机械抛光垫，所述平衡性质提供了平面化程度同时最小化了缺陷形成。
发明内容
本发明提供了一种化学机械抛光垫，其包括：抛光层，刚性层，热熔粘合剂，压敏台板粘合剂层，以及任选的剥离衬垫；所述抛光层具有抛光表面、底表面和平均厚度TP-平均，该厚度是在垂直于所述抛光表面的方向上从所述抛光表面测量到所述底表面得到的；其中所述抛光层是浇铸聚氨酯，所述浇铸聚氨酯是以下成分(a)、(b)和(c)的反应产物，所述成分包括：(a)通过以下物质(i)和(ii)反应得到的异氰酸酯封端的预聚物：(i)多官能异氰酸酯；和(ii)基于聚醚的多元醇；其中所述异氰酸酯封端的预聚物含有8-9.5重量％未反应的NCO；(b)固化剂，其中所述固化剂选自固化多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物；以及任选的(c)多个微型元件；其中所述抛光层的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90并且断裂伸长率为100-300％；其中所述抛光层具有初始水解稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中24小时后，其线性尺寸变化<1％；其中所述抛光层具有持续的水解不稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中7天后，其线性尺寸变化>1.75％；所述刚性层具有上表面和下表面；所述热熔粘合剂介于所述抛光层的底表面和所述刚性层的上表面之间，所述热熔粘合剂将所述抛光层与所述刚性层粘结；所述压敏台板粘合剂层具有层叠体(stack)侧和台板(platen)侧；其中所述压敏台板粘合剂层的层叠体侧与所述刚性层的下表面相邻；所述任选的剥离衬垫设置在所述压敏台板粘合剂层的台板侧上。
本发明提供了一种化学机械抛光垫，其包括：抛光层，刚性层，热熔粘合剂，压敏台板粘合剂层和任选的剥离衬垫，所述抛光层具有抛光表面、底表面和平均厚度TP-平均，该厚度是在垂直于所述抛光表面的方向上从所述抛光表面测量到所述底表面得到的；其中所述抛光层是浇铸聚氨酯，所述浇铸聚氨酯是以下成分(a)、(b)和(c)的反应产物，所述成分包括：(a)通过以下物质(i)和(ii)反应得到的异氰酸酯封端的预聚物：(i)多官能异氰酸酯；和(ii)基于聚醚的多元醇；其中所述异氰酸酯封端的预聚物含有8-9.5重量％未反应的NCO；(b)固化剂，其中所述固化剂选自固化多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物；以及任选的(c)多个微型元件；其中所述固化剂与异氰酸酯封端的预聚物具有的OH或NH2与未反应的NCO的化学计量比为80至<95％；其中所述抛光层的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90并且断裂伸长率为100-300％；其中所述抛光层具有初始水解稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中24小时后，其线性尺寸变化<1％；其中所述抛光层具有持续的水解不稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中7天后，其线性尺寸变化为1.75-3.5％；所述刚性层具有上表面和下表面；所述热熔粘合剂介于所述抛光层的底表面和所述刚性层的上表面之间；其中，所述热熔粘合剂将所述抛光层与所述刚性层粘结；所述压敏台板粘合剂层具有层叠体侧和台板侧的；其中所述压敏台板粘合剂层的层叠体侧与所述刚性层的下表面相邻；所述任选的剥离衬垫设置在所述压敏台板粘合剂层的台板侧上。
本发明提供了一种化学机械抛光垫，其包括：抛光层，刚性层，热熔粘合剂，压敏台板粘合剂层和任选的剥离衬垫，所述抛光层具有抛光表面、底表面和平均厚度TP-平均，该厚度是在垂直于所述抛光表面的方向上从所述抛光表面测量到所述底表面得到的；其中所述抛光层是浇铸聚氨酯，所述浇铸聚氨酯是以下成分(a)、(b)和(c)的反应产物，所述成分包括：(a)通过以下物质(i)和(ii)反应得到的异氰酸酯封端的预聚物：(i)多官能异氰酸酯；和(ii)基于聚醚的多元醇；其中所述异氰酸酯封端的预聚物含有8-9.5重量％未反应的NCO；(b)固化剂，其中所述固化剂选自固化多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物；以及任选的(c)多个微型元件；其中所述抛光层的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90并且断裂伸长率为100-300％；其中所述抛光层具有初始水解稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中24小时后，其线性尺寸变化<1％；其中所述抛光层具有持续的水解不稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中7天后，其线性尺寸变化为1.75-3.5％；所述刚性层具有上表面和下表面；其中所述刚性层由双轴取向的对苯二甲酸乙二醇酯制成；所述刚性层的平均厚度为6-15密耳，且所述刚性层的杨氏模量为3,000-7,000MPa；所述热熔粘合剂介于所述抛光层的底表面和所述刚性层的上表面之间；其中，所述热熔粘合剂将所述抛光层与所述刚性层粘结；所述压敏台板粘合剂层具有层叠体侧和台板侧的；其中所述压敏台板粘合剂层的层叠体侧与所述刚性层的下表面相邻；所述任选的剥离衬垫设置在所述压敏台板粘合剂层的台板侧上。
本发明提供了一种化学机械抛光垫，其包括：抛光层，刚性层，热熔粘合剂，压敏台板粘合剂层，任选的剥离衬垫以及终点检测窗口，所述抛光层具有抛光表面、底表面和平均厚度TP-平均，该厚度是在垂直于所述抛光表面的方向上从所述抛光表面测量到所述底表面得到的；其中所述抛光层是浇铸聚氨酯，所述浇铸聚氨酯是以下成分(a)、(b)和(c)的反应产物，所述成分包括：(a)通过以下物质(i)和(ii)反应得到的异氰酸酯封端的预聚物：(i)多官能异氰酸酯；和(ii)基于聚醚的多元醇；其中所述异氰酸酯封端的预聚物含有大于8.7且不超过9重量％未反应的NCO；(b)固化剂，其中所述固化剂选自固化多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物；以及任选的(c)多个微型元件；其中所述抛光层的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90并且断裂伸长率为100-300％，其中所述抛光层具有初始水解稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中24小时后，其线性尺寸变化<1％；其中所述抛光层具有持续的水解不稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中7天后，其线性尺寸变化为1.75-3.5％；所述刚性层具有上表面和下表面；所述热熔粘合剂介于所述抛光层的底表面和所述刚性层的上表面之间；其中，所述热熔粘合剂将所述抛光层与所述刚性层粘结；所述压敏台板粘合剂层具有层叠体侧和台板侧；其中所述压敏台板粘合剂层的层叠体侧与所述刚性层的下表面相邻；所述任选的剥离衬垫设置在所述压敏台板粘合剂层的台板侧上。
本发明提供了一种用来对基材进行抛光的方法，其包括：提供一种选自磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种的基材；提供本发明的化学机械抛光垫；在抛光层的抛光表面和所述基材之间形成动态接触，以对所述基片的表面进行抛光；以及用研磨修整器(conditioner)对抛光表面进行修整。
附图简要说明
图1是本发明的化学机械抛光垫的立体图。
图2是本发明的化学机械抛光垫的截面剖面正视图。
图3是本发明的化学机械抛光垫的俯视平面图。
图4是本发明的抛光层的侧视图。
图5是本发明的化学机械抛光垫的截面剖面正视图。
图6是本发明的塞入性窗口块体(a plug in place window block)的正视图。
图7是具有塞入性窗口块体的本发明的化学机械抛光垫的截面剖面正视图。
图8是具有塞入性窗口块体的本发明的化学机械抛光垫的截面剖面正视图。
图9是具有塞入性窗口块体的本发明的化学机械抛光垫的截面剖面正视图。
图10是具有整体性窗口的本发明的化学机械抛光垫的截面剖面正视图。
具体实施方式
已经将常规的聚氨酯抛光层设计成使用同时具有水解稳定性和长时间水解稳定性的聚氨酯材料。常规看法认为，用于化学机械抛光层的所述聚氨酯材料在长时间浸没在水中时需保持尺寸稳定。申请人惊喜地发现，本发明的化学机械抛光垫能提供改善的平面化性能同时最小化了缺陷(具体为能导致较低器件产率的刮擦缺陷)，所述化学机械抛光垫含有抛光层，所述抛光层比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90并且断裂伸长率为100-300％；且具有初始水解稳定性和持续的水解不稳定性的独特组合特征。本发明的抛光层具有的独特的平衡性能例如能有效地平面化具有暴露的铜特征的半导体晶片同时形成极少的缺陷。
本文和所附权利要求中用术语“平均总厚度TT-平均”描述具有抛光表面(14)的化学机械抛光垫(10)的时候，该术语表示在垂直于抛光表面(14)的方向上从抛光表面(14)测量到所述刚性层(25)的下表面(27)得到的化学机械抛光垫的平均厚度TT。(参见图1、2、5和7-10)。
本文和所附权利要求中用术语“初始水解稳定性”描述抛光层时，该术语表示在25℃下将抛光层的样品浸没在去离子水中24小时后，根据实施例中所述的方法测量，其线性尺寸变化<1％。
本文和所附权利要求中用术语“长时间水解稳定性”描述抛光层时，该术语表示在25℃下将抛光层的样品浸没在去离子水中7天后，根据实施例中所述的方法测量，其线性尺寸变化<1.75％。
本文和所附权利要求中用术语“持续的水解不稳定性”描述抛光层时，该术语表示在25℃下将抛光层的样品浸没在去离子水中7天后，根据实施例中所述的方法测量，其线性尺寸变化>1.75％。
本文和所附权利要求中用术语“基本圆形的截面”描述化学机械抛光垫(10)的时候，该术语表示从中心轴(12)到抛光层(20)的抛光表面(14)的外周(15)的截面的最长半径r比从中心轴(12)到抛光表面(14)的外周(15)的截面的最短半径r长≤20％。(见图1)。
较佳的是，本发明的化学机械抛光垫(10)适于围绕中心轴(12)旋转。(见图1)。较佳的是，抛光层(20)的抛光表面(14)在垂直于中心轴(12)的平面(28)内。较佳的是，所述化学机械抛光垫(10)适于在平面(28)中旋转，平面(28)相对于中心轴(12)呈85-95°的角度γ，优选相对于中心轴(12)呈90°的角度γ。较佳的是，抛光层(20)具有抛光表面(14)，所述抛光表面(14)具有垂直于中心轴(12)的基本圆形的截面。较佳的是，垂直于中心轴(12)的抛光表面(14)的截面的半径r在该截面上的变化≤20％，更优选在该截面上的变化≤10％。
本发明的化学机械抛光垫(10)特别设计为有利于对选自下组的基材进行抛光：磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种基材。较佳的是，将本发明的化学机械抛光垫(10)设计为有利于对半导体基材进行抛光。更优选地，本发明的化学机械抛光垫(10)设计为有利于对半导体晶片基材表面上暴露的铜特征进行抛光。
本发明的化学机械抛光垫(10)包括：具有抛光表面(14)、底表面(17)和平均厚度TP-平均的抛光层(20)，所述平均厚度沿垂直于抛光表面(14)的方向从抛光表面(14)测量到底表面(17)得到；具有上表面(26)和下表面(27)的刚性层(25)；介于抛光层(20)的底表面(17)和刚性层(25)的上表面(26)之间的热熔粘合剂(23)；其中热熔粘合剂(23)将抛光层(20)与刚性层(25)粘结；任选的压敏台板粘合剂层(70)；其中所述压敏台板粘合剂层(70)被设置在刚性层(25)的下表面(27)上(优选地，所述任选的压敏台板粘合剂层有助于将化学机械抛光垫安装在抛光机上)；任选的剥离衬垫(75)，其中所述压敏台板粘合剂层(70)介于刚性层(25)的下表面(27)和任选的剥离衬垫(75)之间；以及任选的终点检测窗口(30)(优选地，所述终点检测窗口有助于原位抛光终点检测)；其中所述抛光层(20)是浇铸聚氨酯，所述浇铸聚氨酯是以下成分(a)、(b)和(c)的反应产物，所述成分包括：(a)通过以下物质(i)和(ii)反应得到的异氰酸酯封端的预聚物：(i)多官能异氰酸酯；以及(ii)基于聚醚的多元醇；其中所述异氰酸酯封端的预聚物含有8-9.5重量％(优选为8.65-9.05重量％；更优选为大于8.7至不多于9重量％)未反应的NCO；(b)固化剂，所述固化剂选自固化多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物；和(c)任选的多个微型元件；其中所述抛光层(20)的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90(优选为大于60至不高于75；更优选为61-75；最优选为大于65至不高于70)，并且断裂伸长率为100-300％(优选为100-200％；更优选为125-175％；最优选为150-160％)；其中所述抛光层(20)具有初始水解稳定性，其中当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中24小时后，其线性尺寸变化<1％(根据实施例中所述的方法测量)；其中所述抛光层(20)具有持续的水解不稳定性，其中当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中7天后，其线性尺寸变化>1.75％(优选为1.75-5％；更优选为1.75-3.5％；最优选为2-3％)(根据实施例中所述的方法测量)。(见图1-10)。
较好的是，用于形成抛光层(20)的多官能异氰酸酯选自下组：脂族多官能异氰酸酯、芳族多官能异氰酸酯及其混合物。较好的是，用于形成抛光层(20)的多官能异氰酸酯包含两个反应性异氰酸酯基团(即NCO)。更好的是，用于形成抛光层(20)的多官能异氰酸酯是选自下组的二异氰酸酯：2,4-甲苯二异氰酸酯、2,6-甲苯二异氰酸酯、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、联甲苯胺二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、苯二甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯、4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、环己烷二异氰酸酯以及它们的混合物。最好的是，用于形成抛光层(20)的多官能异氰酸酯是甲苯二异氰酸酯(优选为选自2,4-甲苯二异氰酸酯；2,6-甲苯二异氰酸酯和它们的混合物的甲苯二异氰酸酯)。
较好的是，用于形成抛光层(20)的异氰酸酯封端的预聚物具有8-9.5重量％未反应的异氰酸酯(NCO)基团。更好的是，用于形成抛光层(20)的异氰酸酯封端的预聚物具有8.65-9.05重量％(最优选为大于8.7至最多9重量％)未反应的异氰酸酯(NCO)基团。
较好的是，基于聚醚的多元醇是基于聚丙二醇的多元醇且未反应的异氰酸酯(NCO)浓度为8-9.5重量％(更优选为8.65-9.05重量％；最优选为大于8.7至最多9重量％)。市售的基于聚丙二醇的异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物的例子包括预聚物(购自COIM USA公司，例如PPT-80A、PPT-90A、PPT-95A、PPT-65D、PPT-75D)；预聚物(购自驰姆特公司(Chemtura)，例如LFG 963A、LFG 964A、LFG 740D)；以及预聚物(购自安德森发展公司(Anderson DevelopmentCompany)，例如8000APLF、9500APLF、6500DPLF、7501DPLF)。
优选地，用于形成所述抛光层(20)的异氰酸酯封端的预聚物是包含小于0.1重量％游离甲苯二异氰酸酯(TDI)单体的低含量游离异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物。
优选地，用于形成抛光层(20)的固化剂选自多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物。更优选地，用于形成所述抛光层(20)的固化剂选自多元醇和多胺。更优选地，用于形成抛光层(20)的固化剂是选自伯胺和仲胺的二官能固化剂。更优选地，所述双官能固化剂选自下组：二乙基甲苯二胺(DETDA)；3,5-二甲硫基-2,4-甲苯二胺及其异构体；3,5-二乙基甲苯-2,4-二胺及其异构体(例如，3,5-二乙基甲苯-2,6-二胺)；4,4'-双-(仲丁基氨基)-二苯基甲烷；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-2,6-二乙基苯胺)(MCDEA)；聚四亚甲基醚-二-对氨基苯甲酸酯；N,N'-二烷基二氨基二苯甲烷；p,p'-亚甲基双苯胺(MDA)；间苯二胺(MPDA)；4,4'-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(MBOCA)；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'-二甲基二苯基甲烷；2,2',3,3'-四氯二氨基二苯甲烷；三亚甲基二醇二对氨基苯甲酸酯；它们的异构体以及它们的混合物。最优选地，所述固化剂是4,4'-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(MBOCA)。
优选地，所述固化剂中反应性氢基团(即，胺基(NH2)和羟基(OH)的总和)与所述异氰酸酯封端的预聚物中未反应的异氰酸酯(NCO)基团的化学计量比为80至<95％(更优选85至<95％；更优选87-94％；最优选89-92％)。
所述抛光层(20)还任选地包括多个微型元件(microelement)。优选地，所述多个微型元件均匀地分散在所述抛光层(20)中。优选地，所述多个微型元件选自：截留的(entrapped)气泡、空心聚合物材料、液体填充的空心聚合物材料、水溶性材料、不溶相材料(例如，矿物油)以及它们的组合。更优选地，所述多个微型元件选自在抛光层(20)中均匀分布的截留的气泡和空心聚合物材料。优选地，所述多个微型元件的重均直径小于150微米(更优选小于50微米；最优选10-50微米)。优选地，所述多个微型元件包括具有聚丙烯腈或聚丙烯腈共聚物的壳壁的聚合物微气囊(microballon)(例如，购自阿科诺贝尔公司(Akzo Nobel))。优选地，所述多个微型元件以0-35体积％的孔隙率(更优选10-25体积％的孔隙率)结合到所述抛光层(20)中。
所述抛光层(20)可以是多孔或非多孔(即未填充的)结构。优选地，根据ASTM D1622测定，所述抛光层(20)的比重大于0.6。更优选地，根据ASTM D1622测定，所述抛光层(20)的比重为0.6-1.5(更优选0.7-1.2；最优选0.95-1.2)。
优选地，根据ASTM D2240测定，所述抛光层(20)的肖氏D硬度为60-90。更优选地，根据ASTM D2240测定，所述抛光层(20)的肖氏D硬度为大于60至最高75(更优选61-75；最优选大于65至最高70)。
优选地，根据ASTM D412测定，所述抛光层(20)的断裂伸长率为100-300％。优选地，根据ASTM D412测定，所述抛光层(20)的断裂伸长率为100-200％(更优选125-175％；最优选150-160％)。
本领域普通技术人员应理解，对于指定的抛光操作，选择适用于化学机械抛光垫(10)的厚度为TP的抛光层(20)。较好的是，抛光层(20)沿着轴(A)具有平均厚度TP-平均，所述轴(A)垂直于抛光表面(14)的平面(28)。更好的是，所述平均厚度TP-平均为20-150密耳(更优选30-130密耳，最优选70-90密耳)。(参见图2、5和7-10)。
较好的是，所述抛光层(20)的抛光表面(14)适合用于对选自磁性基材、光学基材和半导体基材(更优选半导体基材；更优选半导体晶片；最优选含有具有暴露的铜特征的表面的半导体晶片)中的至少一种基材进行抛光。所述抛光层(20)的抛光表面(14)具有宏观构造(macrotexture)和微型构造(microtexture)中的至少一种，以促进基材的抛光。优选地，所述抛光表面(14)具有宏观构造，其中设计所述宏观构造用以达到以下目的中的至少一种：(i)缓解至少一种打滑；(ii)影响抛光介质流动；(iii)改变抛光层的坚硬性；(iv)减少边缘效应；(v)促进转移抛光碎片离开抛光表面(14)和待抛光基材间的区域。
较好的是，抛光表面(14)具有选自穿孔和凹槽中的至少一种的宏观构造。较好的是，所述穿孔从抛光表面(14)沿抛光层(20)厚度方向延伸，部分穿过或全部穿透抛光层(20)的厚度。较好的是，将凹槽安排在抛光表面(14)上，使得抛光过程中抛光垫(10)一旦转动后至少有一条凹槽掠过(sweep)基材。较好的是，所述凹槽选自弯曲凹槽、线性凹槽、及其组合。所述凹槽的深度≥10密耳(优选为10-120密耳)。较好的是，所述凹槽形成一种凹槽图案，所述凹槽图案包括至少两条具有以下性质组合的凹槽：深度选自≥10密耳，≥15密耳以及15-120密耳；宽度选自≥10密耳以及10-100密耳；节距选自≥30密耳，≥50密耳，50-200密耳，70-200密耳，以及90-200密耳。
较好的是，所述抛光层(20)中包含有<1ppm的磨粒。
较好的是，所述刚性层(25)由选自下组的材料制成：聚合物、金属、强化聚合物及其组合。更好的是，所述刚性层(25)由聚合物制成。最好的是，所述刚性层(25)由选自下组的聚合物制成：聚酯、尼龙、环氧树脂、玻璃纤维加强的环氧树脂以及聚碳酸酯(更优选聚酯；更优选聚对苯二甲酸乙二醇酯聚酯；最优选双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯聚酯)。
较好的是，所述刚性层(25)的平均厚度TR-平均为大于5至最厚60密耳(更好的是，6-15密耳；最好的是，6-8密耳)。
较好的是，所述刚性层(25)的上表面(26)和下表面(27)都是无凹槽的。更好的是，所述上表面(26)和下表面(27)都是平滑的。最好的是，所述上表面(26)和下表面(27)的粗糙度Ra为1-500纳米(优选1-100纳米；更优选10-50纳米；最优选20-40纳米)，该值是使用光学轮廓测量仪测得的。
优选地，用粘合剂促进剂处理所述刚性层(25)的上表面(26)以改善刚性层(25)与反应性热熔粘合剂(23)间的粘合性。本领域普通技术人员应知晓如何选择用于刚性层(25)和热熔粘合剂组合物(23)的构成材料的合适的粘合促进剂。
较好的是，根据ASTM D882-12测定，所述刚性层(25)的杨氏模量为≥100MPa(更优选1,000-10,000MPa；更优选2,500-7,500MPa；最优选3,000-7,000MPa)。
较好的是，所述刚性层(25)的空穴分数为<0.1体积％(更优选<0.01体积％)。
优选地，所述刚性层(25)由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，其平均厚度为6-15密耳；根据ASTM D882-12测得的杨氏模量为2,500-7,500MPa(最优选3,000-7,000MPa)。
本领域技术人员应知道如何选择用于所述化学机械抛光垫(10)的合适热熔粘合剂(23)。较好的是，所述热熔粘合剂(23)是固化的反应性热熔粘合剂。更好的是，所述热熔粘合剂(23)是具有以下特征的固化的反应性热熔粘合剂：其在未固化的状态下的熔融温度为50-150℃，优选115-135℃，其在熔化后的适用期≤90分钟。最好的是，处于未固化状态的热熔粘合剂(23)包含聚氨酯树脂(例如Mor-MeltTM R5003，购自罗门哈斯公司(Rohm andHaas))。
所述化学机械抛光垫(10)适合与抛光机的台板邻接。较佳的是，所述化学机械抛光垫(10)适合固定在抛光机的台板上。可以使用压敏粘合剂和真空这两种方式中的至少一种方式将所述化学机械抛光垫(10)固定在台板上。
较好的是，所述化学机械抛光垫(10)包括施涂在所述刚性层(25)的下表面(27)上的压敏台板粘合剂(70)。本领域技术人员应知道如何选择用作压敏台板粘合剂层(70)的合适压敏粘合剂。较好的是，所述化学机械抛光垫(10)还包括施涂在所述压敏台板粘合剂层(70)上的剥离衬垫(75)，其中述压敏台板粘合剂层(70)介于所述刚性层(25)的下表面(27)和剥离衬垫(75)之间。(参见图2和7-10)。
基材抛光操作中的一个重要步骤是确定这一过程的终点。一种流行的用于终点检测的原位方法包括提供具有窗口的抛光垫，该窗口对于选择的光波长是透射性的。在抛光过程中，光束穿过该窗口导到晶片表面上，其在晶片表面上反射并通过窗口回到检测器(例如分光光度计)。根据返回信号，可检测出基材表面的性质(例如其上膜的厚度)用于终点检测。为了有利于此类基于光的终点方法，本发明的化学机械抛光垫(10)任选地还包括终点检测窗口(30)。较好的是，所述终点检测窗口选自结合至抛光层(20)中的整体性窗口(34)和结合至所述化学机械抛光垫(10)的塞入性窗口块体(32)。(见图1-10)。本领域技术人员应知道如何选择用来构建用于预期抛光工艺的终点检测窗口的合适材料。
优选地，本发明的化学机械抛光垫(10)中使用的终点检测窗口是结合至抛光层(20)的整体性窗口(34)。优选地，所述含有整体性窗口(34)的化学机械抛光垫(10)包括：具有抛光表面(14)、底表面(17)和平均厚度TP-平均的抛光层(20)，所述平均厚度沿垂直于抛光表面(14)的方向从抛光表面(14)测量到底表面(17)得到；具有上表面(26)和下表面(27)的刚性层(25)；介于抛光层(20)的底表面(17)和刚性层(25)的上表面(26)之间的热熔粘合剂(23)；其中热熔粘合剂(23)将抛光层(20)与刚性层(25)粘结；压敏台板粘合剂(70)；剥离衬垫(75)，其中所述压敏台板粘合剂(70)介于刚性层(25)的下表面(27)和剥离衬垫(75)之间；以及结合入抛光层(20)的整体性窗口(34)；其中所述抛光层(20)是浇铸聚氨酯，所述浇铸聚氨酯是以下成分(a)、(b)和(c)的反应产物，所述成分包括：(a)通过以下物质(i)和(ii)反应得到的异氰酸酯封端的预聚物：(i)多官能异氰酸酯；以及(ii)基于聚醚的多元醇；其中所述异氰酸酯封端的预聚物含有8-9.5重量％(优选为8.65-9.05重量％；更优选为大于8.7至不多于9重量％)未反应的NCO；(b)固化剂，所述固化剂选自固化多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物；和(c)任选的多个微型元件；其中所述抛光层(20)的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90(优选为大于60至不高于75；更优选为61-75；最优选为大于65至不高于70)并且断裂伸长率为100-300％(优选为100-200％；更优选为125-175％；最优选为150-160％)；其中所述抛光层(20)具有初始水解稳定性，其中当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中24小时后，其线性尺寸变化<1％(根据实施例中所述的方法测量)；其中所述抛光层(20)具有持续的水解不稳定性，其中当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中7天后，其线性尺寸变化>1.75％(优选为1.75-5％；更优选为1.75-3.5％；最优选为2-3％)(根据实施例中所述的方法测量)；其中所述抛光层(20)具有适用于抛光基材的抛光表面(14)。所述整体性窗口(34)优选具有厚度TW，该厚度是在垂直于所述抛光表面(14)的平面(28)的方向上沿着B轴测得的。(见图10)。优选地，所述整体性窗口(34)具有平均厚度TW-平均，该厚度是沿垂直于所述抛光表面(25)的平面(28)的轴(B)测得的，其中所述平均窗口厚度TW-平均与所述抛光层(20)的平均厚度TP-平均相等。(见图10)。
较好的是，用于本发明的化学机械抛光垫(10)中的终点检测窗口是塞入性窗口块体(32)。较好的是，含有塞入性窗口块体(32)的化学机械抛光垫(10)包括：具有抛光表面(14)、底表面(17)和平均厚度TP-平均的抛光层(20)，所述平均厚度沿垂直于抛光表面(14)的方向从抛光表面(14)测量到底表面(17)得到；具有上表面(26)和下表面(27)的刚性层(25)；介于抛光层(20)的底表面(17)和刚性层(25)的上表面(26)之间的热熔粘合剂(23)；其中热熔粘合剂(23)将抛光层(20)与刚性层(25)粘结；压敏台板粘合剂(70)；剥离衬垫(75)，其中所述压敏台板粘合剂(70)介于刚性层(25)的下表面(27)和剥离衬垫(75)之间；以及结合入化学机械抛光垫(10)的塞入性窗口(32)；其中所述抛光层(20)是浇铸聚氨酯，所述浇铸聚氨酯是以下成分(a)、(b)和(c)的反应产物，所述成分包括：(a)通过以下物质(i)和(ii)反应得到的异氰酸酯封端的预聚物：(i)多官能异氰酸酯；以及(ii)基于聚醚的多元醇；其中所述异氰酸酯封端的预聚物含有8-9.5重量％(优选为8.65-9.05重量％；更优选为大于8.7至不多于9重量％)未反应的NCO；(b)固化剂，所述固化剂选自固化多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物；和(c)任选的多个微型元件；其中所述抛光层(20)的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90(优选为大于60至不高于75；更优选为61-75；最优选为大于65至不高于70)并且断裂伸长率为100-300％(优选为100-200％；更优选为125-175％；最优选为150-160％)；其中所述抛光层(20)具有初始水解稳定性，其中当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中24小时后，其线性尺寸变化<1％(根据实施例中所述的方法测量)；其中所述抛光层(20)具有持续的水解不稳定性，其中当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中7天后，其线性尺寸变化>1.75％(优选为1.75-5％；更优选为1.75-3.5％；最优选为2-3％)(根据实施例中所述的方法测量)；其中所述抛光层(20)具有适用于抛光基材的抛光表面(14)；其中所述化学机械抛光垫(10)具有贯穿开口(35)，所述贯穿开口延伸穿过化学机械抛光垫(10)从抛光层(20)的抛光表面(14)延伸至刚性层(25)的下表面(27)；所述塞入性窗口块体(30)设置在贯穿开口(35)内；以及所述塞入性窗口块体(30)固定在压敏台板粘合剂(70)上。所述塞入性终点检测窗口块体(30)具有厚度TW，该厚度是在垂直于所述抛光表面(14)的平面(28)的方向上沿着轴B测得的。(见图5-7)。较好的是，所述塞入性窗口块体(30)具有平均窗口厚度TW-平均，该厚度是在垂直于所述抛光表面(25)的平面(28)的方向上沿着轴(B)得到的，其中所述平均窗口厚度TW-平均为5密耳至所述化学机械抛光垫(10)的平均总厚度TT-平均。(见图7)。更好的是，其中所述塞入性窗口块体(30)的平均窗口厚度TW-平均为5密耳至<TT-平均。更优选地，所述塞入性窗口块体(30)具有5-75密耳(更优选15-50密耳；最优选20-40密耳)的平均窗口厚度TW-平均。(见图5-7)。
较好的是，用于本发明的化学机械抛光垫(10)中的终点检测窗口是塞入性窗口块体(32)。较好的是，含有塞入性窗口块体(32)的化学机械抛光垫(10)包括：具有抛光表面(14)、底表面(17)、平均厚度TP-平均和扩孔开口(40)的抛光层(20)，所述平均厚度是以垂直于抛光表面(14)的方向从抛光表面(14)到底表面(17)测得的，所述扩孔开口扩大了延伸通过抛光层(20)的厚度TP的贯穿通路(35)，其中所述扩孔开口(40)在抛光表面(14)上开口且在扩孔开口(40)与贯穿通路(35)之间的界面处沿着轴B、平行于轴A且垂直于抛光表面(14)的平面(28)形成深度为DO的阶状部分(ledge)(45)。(参见图1、4、6和8)。较好的是，阶状部分(45)与抛光表面(14)平行。较好的是，所述扩孔开口限定了具有与轴(A)平行的轴的圆柱体积。较好的是，所述扩孔开口限定了非圆柱型体积。较好的是，所述塞入性窗口块体(32)设置在所述扩孔开口(40)内。较佳的是，所述塞入性窗口块体(32)设置在扩孔开口(40)之内并与抛光层(20)相粘结。较好的是，使用超声焊接和粘合剂中的至少一种方式将所述塞入性窗口块体(32)与抛光层(20)相粘结。较佳的是，沿着轴B、平行于轴A并且垂直于抛光表面(14)的平面(28)的扩孔开口的平均深度DO-平均为5-75密耳(优选10-60密耳，更优选15-50密耳，最优选20-40密耳)。较佳的是，扩孔开口的平均深度DO-平均小于或等于所述塞入性窗口块体(32)的平均厚度TW-平 均。(参见图6和8)。更好的是，扩孔开口的平均深度DO-平均满足以下关系式：
0.90*TW-平均≤DO-平均≤TW-平均。
更好的是，扩孔开口的平均深度DO-平均满足以下关系式：
0.95*TW-平均≤DO-平均≤TW-平均。
较好的是，用于本发明的化学机械抛光垫(10)中的终点检测窗口是塞入性窗口块体(32)。较好的是，含有塞入性窗口块体(32)的化学机械抛光垫(10)包括：具有抛光表面(14)、底表面(17)、平均厚度TP-平均和抛光层开口(37)的抛光层(20)，所述平均厚度是以垂直于抛光表面(14)的方向从抛光表面(14)到底表面(17)测得的，所述抛光层开口扩大了延伸通过化学机械抛光垫(10)的总厚度TT的贯穿通路(35)，其中所述抛光层开口(37)在抛光表面(14)上开口且在抛光层开口(37)与贯穿通路(35)之间的界面处的刚性层(25)的上表面(26)上沿着B轴，平行于A轴且垂直于抛光表面(14)的平面(28)形成深度为DO的搁架(55)。(参见图1、4、6和9)。较好的是，搁架(55)与抛光表面(14)平行。较好的是，所述抛光层开口(37)限定了具有与轴(A)平行的轴的圆柱体积。较好的是，所述抛光层开口(37)限定了非圆柱型体积。较好的是，所述塞入性窗口块体(32)设置在所述抛光层开口(37)内。较好的是，所述塞入性窗口块体(32)设置在所述抛光层开口(37)内并与刚性层(25)的上表面(26)粘结。较好的是，使用超声焊接和粘合剂中的至少一种方式将所述塞入性窗口块体(32)与刚性层(25)的上表面(26)相粘结。较佳的是，沿着轴B、平行于轴A并且垂直于抛光表面(14)的平面(28)的抛光层开口的平均深度DO-平均为5-75密耳(优选10-60密耳，更优选15-50密耳，最优选20-40密耳)。较佳的是，抛光层开口的平均深度DO-平均小于或等于所述塞入性窗口块体(32)的平均厚度TW-平均。(参见图6和9)。更好的是，抛光层开口的平均深度DO-平均满足以下关系式：
0.90*TW-平均≤DO-平均≤TW-平均。
更好的是，抛光层开口的平均深度DO-平均满足以下关系式：
0.95*TW-平均≤DO-平均≤TW-平均。
现在将在以下实施例中详细描述本发明的一些实施方式。
实施例1：抛光层的制备
通过将(a)通过在51℃下多官能异氰酸酯(即甲苯二异氰酸酯)和基于聚醚的多元醇(即LFG740D，购自驰姆特公司(ChemturaCorporation))的反应得到的异氰酸酯封端的预聚物；(b)116℃下的固化剂(即4,4′-亚甲基-双-(2-氯苯胺))；以及(c)0.3重量％多个微型元件(即551DE40d42微球体，购自阿克苏诺贝尔公司(Akzo Nobel))控制混合来制备浇铸聚氨酯饼体。设定异氰酸酯封端的预聚物与固化剂的比例，从而使化学计量比为91％，所述化学计量比定义为固化剂中活性氢基团(即，-OH基团和-NH2基团的总和)与异氰酸酯封端的预聚物中未反应的异氰酸酯(NCO)基团的比值。在添加固化剂之前将所述多个微型元件与所述异氰酸酯封端的预聚物混合。随后使用高剪切混合头将包含有纳入的多个微型元件的异氰酸酯封端的预聚物和固化剂混合在一起。在离开混合头之后，在5分钟内将上述混合物分配到直径86.4厘米(34英寸)的圆形模具中，得到大约为8厘米(3英寸)的总浇注厚度。在将模具置入固化炉之前，使分配的混合物胶凝15分钟。然后使用以下循环使模具在固化炉中固化：在30分钟内将固化炉的设定温度从室温升温至104℃；然后将固化炉的设定温度保持在104℃下15.5小时；再在2小时内将固化炉的设定温度从104℃降温至21℃。
然后，从模具中移出固化的聚氨酯饼体，在30-80℃的温度下切成(使用移动刀片切割)平均厚度TP-平均为2.0毫米(80密耳)厚的多个抛光层。从每个饼的顶部开始切割。
抛光层性质的分析
分析根据实施例1制备的无凹槽的抛光层材料以测定其物理性质，如表1所述。注意，所述比重是根据ASTM D1622相对于纯水测定的；所述肖氏D硬度是根据ASTM D2240测定的。
所述抛光层的拉伸性质(即，中值拉伸强度、中值断裂伸长率、中值模量、韧性)是根据ASTM D412，使用Alliance RT/5机械测试仪(购自MTS系统公司(MTS Systems Corporation))，以50.8厘米/分钟的十字头速度进行测量的。所有的测试都是在温度和湿度受控的实验室内(设为23℃、相对湿度为50％)进行的。在进行测试的5天前开始，将所有的测试样品置于所述实验条件下。所报道的抛光层材料的中值拉伸强度(MPa)和中值断裂伸长率(％)由五份重复样品的应力-应变曲线确定。
所述抛光层材料的储能模量G'和损失模量G"是根据ASTM D5279-08，使用TA仪器ARES流变仪，采用扭力固定装置进行测量的。连接到仪器的液氮用于亚环境温度控制。样品的线性粘弹性响应是在测试频率为10弧度/秒(1.59Hz)，以3℃/分钟的升温速率由-100℃升温至200℃的条件下进行测量的。使用Indusco液压摆动臂切割机上的47.5毫米x 7毫米模头对测试样品进行冲压，形成抛光层，然后用剪刀剪切至长度约35毫米。
表1
水解稳定性分析
随后分析根据实施例1制备的无凹槽的抛光层材料，以测定其是否具有初始水解稳定性和持续的水解不稳定性。同样分析三种市售的抛光材料(即IC1000TM抛光层材料；VisionPadTM 3100抛光层材料和VisionPadTM抛光层材料，均购自罗门哈斯电子材料CMP控股股份有限公司(Rohm andHaas Electronic Materials CMP Inc.))。用于市售抛光层材料的市售的抛光垫性能列于表2中。具体地，用卡尺先沿两个1.5"尺寸(即x和y尺寸)测量每个2mm厚的抛光层材料的1.5"x 1.5"样品。随后在25℃下将该样品浸没在去离子水中。浸没24小时后和浸没7天后再用卡尺沿x和y尺寸测量该样品。这些测量结果列于表3。
表2
“SG表示比重”
“LSL表示性能下限”
“USL表示性能上限”
表3

Claims (10)

1.一种化学机械抛光垫，其包括:
抛光层，所述抛光层具有抛光表面、底表面和平均厚度TP-平均，该厚度是在垂直于所述抛光表面的方向上从所述抛光表面测量到所述底表面得到的；
其中所述抛光层是浇铸聚氨酯，所述浇铸聚氨酯是以下成分的反应产物，所述成分包括(a)、(b)和(c)：
(a)通过以下物质(i)和(ii)反应得到的异氰酸酯封端的预聚物：
(i)多官能异氰酸酯；和
(ii)基于聚醚的多元醇；
其中所述异氰酸酯封端的预聚物含有8-9.5重量％未反应的NCO；
(b)固化剂，其中所述固化剂选自固化多胺、固化多元醇、固化醇胺和它们的混合物；以及
任选地，(c)多个微型元件；
其中所述抛光层的比重大于0.6，肖氏D硬度为60-90，并且断裂伸长率为100-300％；
其中所述抛光层具有初始水解稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中24小时后，其线性尺寸变化<1％；
其中所述抛光层具有持续的水解不稳定性，当在25℃下将抛光层样品浸没在去离子水中7天后，其线性尺寸变化>1.75％；
具有上表面和下表面的刚性层；
介于所述抛光层的底表面和所述刚性层的上表面之间的热熔粘合剂；其中，所述热熔粘合剂将所述抛光层与所述刚性层粘结；
具有层叠体侧和台板侧的压敏台板粘合剂层；其中所述压敏台板粘合剂层的层叠体侧与所述刚性层的下表面相邻；以及
任选地，剥离衬垫；其中所述任选的剥离衬垫设置在所述压敏台板粘合剂层的台板侧上。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述固化剂和异氰酸酯封端的预聚物具有的OH或NH2与未反应的NCO化学计量比为80至<95％。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述刚性层的上表面和下表面是无凹槽的。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述刚性层的杨氏模量为2,500-7,500MPa。
5.如权利要求2所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述刚性层由双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成；所述刚性层的平均厚度为6-15密耳；所述刚性层的杨氏模量为3,000-7,000Mpa。
6.如权利要求5所述的化学机械抛光垫，其特征在于，
所述浇铸聚氨酯是以下成分(a)、(b)和(c)的反应产物，所述成分包括：(a)通过以下物质(i)和(ii)反应得到的异氰酸酯封端的预聚物：
(i)多官能异氰酸酯；和
(ii)基于聚醚的多元醇；其中所述异氰酸酯封端的预聚物含有大于8.7重量％至不超过9重量％未反应的NCO；(b)固化剂，其中所述固化剂是固化多胺；以及(c)多个微型元件；其中所述抛光层的比重大于0.6，肖氏D硬度为61-75，并且断裂伸长率为100-200％。
7.如权利要求6所述的化学机械抛光垫，其特征在于，其还包括：终点检测窗口。
8.如权利要求7所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述终点检测窗口是整体性窗口。
9.如权利要求7所述的化学机械抛光垫，其特征在于，所述终点检测窗口是塞入性窗口。
10.一种抛光基材的方法，其包括：
提供选自磁性基材、光学基材和半导体基材中的至少一种的基材；
提供如权利要求1所述的化学机械抛光垫；
在抛光层的抛光表面和所述基材之间形成动态接触，以对所述基材的表面进行抛光；以及
用研磨修整器对抛光表面进行修整。
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