CN105313003A - 具有调整耐受性的化学机械抛光层调配物 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种化学机械抛光垫，其含有：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性。

Description

具有调整耐受性的化学机械抛光层调配物
技术领域
本发明涉及包括具有调整耐受性的化学机械聚氨基甲酸酯抛光层的化学机械抛光垫以及一种化学机械抛光衬底的方法。更具体地说，本发明涉及一种化学机械抛光垫，其包含具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性。
背景技术
半导体的生产通常涉及数种化学机械平面化(CMP)工艺。在每一CMP工艺中，抛光垫以及抛光溶液(如含研磨剂的抛光浆料或不含研磨剂的反应性液体)以平坦化或维持平坦度以便接收后续层的方式去除过量物质。这些层的堆叠以形成集成电路的方式组合。这些半导体装置的制造由于对操作速度更高、泄漏电流更低以及功率消耗降低的装置的需求而不断变得更复杂。在装置架构方面，这相当于更精细的特征几何结构以及增加的金属化水平。这些逐渐严格的装置设计需求驱使采用铜金属化以及介电常数更低的新介电材料。减少的物理特性(时常与低k和超低k材料相关)以及装置增加的复杂性已产生对CMP消耗品(如抛光垫和抛光溶液)的更大需求。
具体来说，低k和超低k介电质与常规介电质相比倾向于机械强度较低且粘附力较差，使得平坦化更困难。另外，由于集成电路的特征大小减小，故CMP诱发的缺陷(如刮痕)变成更大的问题。此外，集成电路递减的膜厚度需要改进缺陷，同时为晶片衬底提供可接受表面形态，这些表面形态要求需要越来越严格的平坦度、凹陷和侵蚀规格。
聚氨基甲酸酯抛光垫是用于多种要求精密抛光应用的主要垫化学。聚氨基甲酸酯抛光垫有效用于抛光硅晶片、图案化晶片、平板显示器和磁存储盘。具体来说，聚氨基甲酸酯抛光垫为用于制造集成电路的大部分抛光操作提供机械完整性和耐化学性。举例来说，聚氨基甲酸酯抛光垫具有较高的抗撕裂强度；避免抛光期间磨损问题的抗磨损性；以及抗强酸性和强碱性抛光溶液侵蚀的稳定性。
聚氨基甲酸酯抛光层家族由库尔普(Kulp)等人公开在美国专利第8,697,239号中。库尔普等人公开一种适用于抛光含有铜、介电质、屏障和钨中的至少一者的图案化半导体衬底的抛光垫，所述抛光垫包含聚合基体，所述聚合基体由聚氨基甲酸酯反应产物组成，所述聚氨基甲酸酯反应产物由多元醇掺合物、多元胺或多元胺混合物以及甲苯二异氰酸酯组成，所述多元醇掺合物为15到77重量％总聚丙二醇与聚四亚甲基醚二醇的混合物，且聚丙二醇与聚四亚甲基醚二醇的混合物具有20比1比率到1比20比率的聚丙二醇与聚四亚甲基醚乙二醇的重量比，多元胺或多元胺混合物为8到50重量％于液体混合物中，且甲苯二异氰酸酯为20到30重量％总甲苯二异氰酸酯单体或部分反应的甲苯二异氰酸酯单体，所有均以聚合基体的总重量计。
尽管如此，仍持续需要展现适当特性平衡、提供所需平坦化程度、同时使缺陷形成减到最少、且展现较高调整耐受程度的化学机械抛光垫。
发明内容
本发明提供一种化学机械抛光垫，其包含：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性。
本发明提供一种化学机械抛光垫，其包含：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底，其中所述衬底选自由以下各者中的至少一者组成的群组：磁性衬底、光学衬底和半导体衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性。
本发明提供一种化学机械抛光垫，其包含：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性；且其中所述聚氨基甲酸酯抛光层展现大于0.6的比重、5到80的肖氏D硬度(ShoreDhardness)和100％到450％的断裂伸长率。
本发明提供一种化学机械抛光垫，其包含：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物是各成分的反应产物，其包含：(a)多官能异氰酸酯；(b)固化剂系统，其包含：(i)含有羧酸的多官能固化剂，其每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团；和(c)任选的多个微元件；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性。
本发明提供一种化学机械抛光垫，其包含：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物是各成分的反应产物，其包含：(a)多官能异氰酸酯；(b)固化剂系统，其包含：(i)含有羧酸的多官能固化剂，其每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团；和(ii)以下各项中的至少一者：二胺；二醇；胺引发的多元醇固化剂；和高分子量多元醇固化剂，其数均分子量MN为2,000到100,000且每分子平均有3到10个羟基；和(c)任选的多个微元件；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性。
本发明提供一种化学机械抛光垫，其包含：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物是各成分的反应产物，其包含：(a)异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物，其中所述异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物是各成分的反应产物，其包含：(i)多官能异氰酸酯；和(ii)含有羧酸的多官能物质，其每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团；和(iii)预聚物多元醇；和(b)固化剂系统，其包含至少一种多官能固化剂；和(c)任选的多个微元件；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性。
本发明提供一种化学机械抛光垫，其包含：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；和端点检测窗；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性。
本发明提供一种化学机械抛光衬底的方法，其包含：提供衬底；选择化学机械抛光垫，所述化学机械抛光垫包含具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述抛光表面被调适用于抛光所述衬底；其中所述组合物经选择展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性；在所述抛光表面与所述衬底之间形成动态接触以抛光所述衬底的表面；且用研磨调整器调整所述抛光表面。
具体实施方式
在常规化学机械抛光工艺中，选择调整圆盘可为促进在化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层的抛光表面上形成且维持适当纹理以便抛光所必需的。对于常规聚氨基甲酸酯抛光层，调整圆盘的选择对抛光期间实现的移除速率具有较大影响。也就是说，常规聚氨基甲酸酯抛光层因调整耐受性有限而众人皆知。因此，在实践中可能难以获得稳定移除速率。申请人已意外地发现聚氨基甲酸酯抛光层组合物经选择展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值，提供≥80％的调整耐受性。
如本文中和所附权利要求书中所用的术语“聚(氨基甲酸酯)”涵盖(a)由(i)异氰酸酯与(ii)多元醇(包括二醇)的反应形成的聚氨基甲酸酯；以及(b)由(i)异氰酸酯与(ii)多元醇(包括二醇)与(iii)水、胺(包括二胺和多元胺)或水与胺(包括二胺和多元胺)的组合的反应形成的聚(氨基甲酸酯)。
如本文中和所附权利要求书中关于聚氨基甲酸酯抛光层组合物所用的术语“酸值”是对用于形成聚氨基甲酸酯抛光层组合物的原材料多元醇中的酸性组分的测定，表示为中和一克原材料所需的氢氧化钾毫克数(mg(KOH)/g)，如通过ASTM测试方法D7253-06(2011年再批准)所测定。
如本文中和所附权利要求书中关于聚氨基甲酸酯抛光层的抛光表面所用的术语“调整耐受性”根据以下方程式测定：
CT＝[(TEOSA/TEOSM)×100％]
其中CT是调整耐受性(％)；TEOSA是如根据实例中阐述的程序使用侵蚀性调整圆盘测量的聚氨基甲酸酯抛光层的TEOS移除速率()；且TEOSM是如根据实例中阐述的程序使用温和调整圆盘测量的聚氨基甲酸酯抛光层的TEOS移除速率()。
本发明的化学机械抛光垫包含：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g(优选地0.5到25mg(KOH)/g；更优选地，2.5到20mg(KOH)/g；再更优选地，5到15mg(KOH)/g；最优选地，10到15mg(KOH)/g)的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％(优选地，≥85％；更优选地，≥90％；最优选地，≥95％)的调整耐受性。
优选地，本发明的化学机械抛光垫包含：具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物是各成分的反应产物，其包含：(a)多官能异氰酸酯；(b)固化剂系统，其包含至少一种多官能固化剂；和(c)任选的多个微元件；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g(优选地0.5到25mg(KOH)/g；更优选地，2.5到20mg(KOH)/g；再更优选地，5到15mg(KOH)/g；最优选地，10到15mg(KOH)/g)的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％(优选地，≥85％；更优选地，≥90％；最优选地≥95％)的调整耐受性。
本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层具有被调适用于抛光衬底的抛光表面。优选地，抛光表面被调适用于抛光选自以下各者中的至少一者的衬底：磁性衬底、光学衬底和半导体衬底。更优选地，抛光表面被调适用于抛光半导体衬底。
优选地，抛光表面具有选自穿孔和凹槽中的至少一者的巨纹理。穿孔可以从抛光表面延伸部分或全部通过聚氨基甲酸酯抛光层的厚度。优选地，凹槽配置在抛光表面上，使得在抛光期间旋转化学机械抛光垫后，至少一个凹槽向被抛光的衬底的表面扩展。优选地，抛光表面具有包括至少一个选自由以下各者组成的群组的凹槽的巨纹理：曲面凹槽、线性凹槽和其组合。
优选地，本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层具有被调适用于抛光衬底的抛光表面，其中所述抛光表面具有包含凹槽图案形成于其中的巨纹理。优选地，凹槽图案包含多个凹槽。更优选地，凹槽图案选自凹槽设计。优选地，凹槽设计选自由以下各者组成的群组：同心凹槽(其可以是圆形或螺旋形的)、曲面凹槽、交叉影线凹槽(例如，配置为垫表面上的X-Y网格)、其它规则设计(例如，六角形、三角形)、轮胎面型图案、不规则设计(例如，分形图案)和其组合。更优选地，凹槽设计选自由以下各者组成的群组：随机凹槽、同心凹槽、螺旋形凹槽、交叉影线凹槽、X-Y网格凹槽、六角形凹槽、三角形凹槽、分形凹槽和其组合。最优选地，抛光表面具有螺旋槽图案形成于其中。凹槽型态优选地选自具有直式侧壁的矩形或凹槽截面可以是“V”形、“U”形、锯齿和其组合。
优选地，用于形成本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层的多官能异氰酸酯每分子平均含有至少两个反应性异氰酸酯基(即，NCO)。更优选地，用于形成本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层的多官能异氰酸酯每分子平均含有两个反应性异氰酸酯基(即，NCO)。
优选地，用于形成本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层的多官能异氰酸酯选自由以下各者组成的群组：脂肪族多官能异氰酸酯、芳香族多官能异氰酸酯和其混合物。更优选地，用于形成本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层的多官能异氰酸酯选自由二异氰酸酯组成的群组，所述二异氰酸酯选自由以下各者组成的群组：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、萘-1，5-二异氰酸酯、联甲苯胺二异氰酸酯、对亚苯基二异氰酸酯、亚二甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、4，4′-二环己基甲烷二异氰酸酯、环己烷二异氰酸酯和其混合物。最优选地，用于形成本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层的多官能异氰酸酯是4，4′-二环己基甲烷二异氰酸酯。
优选地，多官能异氰酸酯与某些其它组分组合以形成异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物，所述异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物接着用于形成本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层。优选地，用于形成本发明的聚氨基甲酸酯抛光层的异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物是各成分的反应产物，其包含：多官能异氰酸酯；和以下各者中的至少一者：(i)含有羧酸的多官能固化剂，其每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团；和(ii)预聚物多元醇。更优选地，用于形成本发明的聚氨基甲酸酯抛光层的异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物是各成分的反应产物，其包含：多官能异氰酸酯；含有羧酸的多官能固化剂，其每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团；和预聚物多元醇。
优选地，用于形成异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物的含有羧酸的多官能物质选自以下群组：每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团的物质，其中所述至少一个羧酸官能团经受住反应以形成异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物。更优选地，含有羧酸的多官能物质选自由以下各者组成的群组：(a)每分子平均具有两个羟基和一个羧酸官能团的物质，其中所述至少一个羧酸官能团经受住反应以形成异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物；和(b)每分子平均具有两个活性胺氢和一个羧酸官能团的物质，其中所述至少一个羧酸官能团经受住反应以形成异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物。再更优选地，含有羧酸的多官能物质选自由以下各者组成的群组：每分子平均具有两个羟基和一个羧酸官能团的物质，其中所述至少一个羧酸官能团经受住反应以形成异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物。最优选地，含有羧酸的多官能物质选自以下群组：由具有侧位羧酸官能团的线形饱和聚酯二醇组成的物质，其具有通式
其中m和n是独立地选自由0到100(优选地，1到50；更优选地，2到25；最优选地，4到10)组成的群组的整数。
用于制备异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物的预聚物多元醇优选地选自由以下各者组成的群组：二醇、多元醇、多元醇二醇、其共聚物和其混合物。优选地，预聚物多元醇选自由以下各者组成的群组：聚醚多元醇(例如聚(氧基四亚甲基)二醇、聚(氧丙烯)二醇、聚(氧乙烯)二醇)；聚碳酸酯多元醇；聚酯多元醇；聚己内酯多元醇；其混合物；以及其与一或多种选自由以下各者组成的群组的低分子量多元醇的混合物：乙二醇(EG)；1，2-丙二醇；1，3-丙二醇；1，2-丁二醇；1，3-丁二醇；2-甲基-1，3-丙二醇；1，4-丁二醇(BDO)；新戊二醇；1，5-戊二醇；3-甲基-1，5-戊二醇；1，6-己二醇；二乙二醇；二丙二醇；和三丙二醇。更优选地，预聚物多元醇选自由以下各者中的至少一者组成的群组：聚己内酯多元醇；聚四亚甲基醚二醇(PTMEG)；聚丙烯醚二醇(PPG)和聚乙烯醚二醇(PEG)；任选地，与至少一种选自由以下各者组成的群组的低分子量多元醇混合：乙二醇(EG)；1，2-丙二醇；1，3-丙二醇；1，2-丁二醇；1，3-丁二醇；2-甲基-1，3-丙二醇；1，4-丁二醇(BDO)；新戊二醇；1，5-戊二醇；3-甲基-1，5-戊二醇；1，6-己二醇；二乙二醇；二丙二醇；和三丙二醇。最优选地，预聚物多元醇包括以下各者中的至少一者：聚己内酯二醇；乙二醇(EG)；1，2-丙二醇；1，3-丙二醇；1，2-丁二醇；1，3-丁二醇；2-甲基-1，3-丙二醇；1，4-丁二醇(BDO)；新戊二醇；1，5-戊二醇；3-甲基-1，5-戊二醇；1，6-己二醇；二乙二醇；二丙二醇；和三丙二醇。
优选地，用于形成聚氨基甲酸酯抛光层的固化剂系统包含至少一种多官能固化剂。更优选地，多官能固化剂选自由以下各者组成的群组：(i)二胺；(ii)二醇；(iii)含有羧酸的多官能固化剂，其每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团；(iv)胺引发的多元醇固化剂；和(v)高分子量多元醇固化剂，其数均分子量MN为2,000到100,000且每分子平均有3到10个羟基；和其混合物。
优选地，二胺选自由以下各者组成的群组：二乙基甲苯二胺(DETDA)；3，5-二甲基硫基-2，4-甲苯二胺和其异构体；3，5-二乙基甲苯-2，4-二胺和其异构体(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)；聚环丁烷氧化物-二-对氨基苯甲酸酯；N，N′-二烷基二氨基二苯基甲烷；对，对′-亚甲基二苯胺(MDA)；间苯二胺(MPDA)；4，4′-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(MBOCA)；4，4′-亚甲基-双-(2，6-二乙基苯胺)(MDEA)；4，4′-亚甲基-双-(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′-四氯二氨基二苯基甲烷；丙二醇二-对氨基苯甲酸酯；其异构体；二醇；和其混合物。最优选地，二胺是4，4′-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(MBOCA)。
优选地，二醇选自由以下各者组成的群组：聚己内酯二醇；乙二醇(EG)；1，2-丙二醇；1，3-丙二醇；1，2-丁二醇；1，3-丁二醇；2-甲基-1，3-丙二醇；1，4-丁二醇(BDO)；新戊二醇；1，5-戊二醇；3-甲基-1，5-戊二醇；1，6-己二醇；二乙二醇；二丙二醇；三丙二醇；和其混合物。更优选地，二醇选自由以下各者组成的群组：聚己内酯二醇；乙二醇(EG)；1，2-丙二醇；1，3-丙二醇；1，2-丁二醇；1，3-丁二醇；2-甲基-1，3-丙二醇；1，4-丁二醇(BDO)；新戊二醇；1，5-戊二醇；3-甲基-1，5-戊二醇；1，6-己二醇；二乙二醇；二丙二醇；三丙二醇；和其混合物。最优选地，二醇选自由以下各者组成的群组：聚己内酯二醇；乙二醇(EG)；1，2-丁二醇；1，3-丁二醇；和其混合物。优选地，聚己内酯二醇是乙二醇引发的聚己内酯二醇。更优选地，聚己内酯二醇选自具有以下通式的物质：
其中m和n是独立地选自由1到100(优选地，1到50；更优选地，2到25；最优选地，4到10)组成的群组的整数。优选地，所用的聚己内酯二醇的数均分子量MN为1,000到10,000(更优选地，1,000到5,000；最优选地，1,500到3,000)。
优选地，含有羧酸的多官能固化剂选自以下群组：每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团的物质，其中所述至少一个羧酸官能团经受住反应以形成多官能异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物。更优选地，含有羧酸的多官能固化剂选自由以下各者组成的群组：(a)每分子平均具有两个羟基和一个羧酸官能团的物质，其中所述至少一个羧酸官能团经受住反应以形成多官能异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物；和(b)每分子平均具有两个活性胺氢和一个羧酸官能团的物质，其中所述至少一个羧酸官能团经受住反应以形成多官能异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物。再更优选地，含有羧酸的多官能固化剂选自由以下各者组成的群组：每分子平均具有两个羟基和一个羧酸官能团的物质，其中所述至少一个羧酸官能团经受住反应以形成多官能异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物。最优选地，含有羧酸的多官能固化剂选自以下群组：由具有侧位羧酸官能团的线形饱和聚酯二醇组成的物质，其具有通式
其中m和n是独立地选自由0到100(优选地，1到50；更优选地，2到25；最优选地，4到10)组成的群组的整数。
优选地，胺引发的多元醇固化剂每分子平均含有至少一个氮原子(优选地，一到四个氮原子；更优选地，二到四个氮原子；最优选地，两个氮原子)且每分子平均含有至少三个(优选地，三到六个；更优选地，三到五个；最优选地，四个)羟基。优选地，胺引发的多元醇固化剂的数均分子量MN≤700(更优选地，150到650；再更优选地，200到500；最优选地，250到300)。胺引发的多元醇固化剂的羟基数(如通过ASTM测试方法D4274-11所测定)优选地为350到1,200mgKOH/g(更优选地，400到1,000mgKOH/g；最优选地，600到850mgKOH/g)。
可商购的胺引发的多元醇固化剂的实例包括家族的胺引发的多元醇(可购自陶氏化学公司(TheDowChemicalCompany))；专用多元醇(N，N，N′，N′-四(2-羟丙基乙二胺))(可购自巴斯夫(BASF))；胺类多元醇(可购自巴斯夫)；胺类多元醇(可购自拜耳材料科技有限责任公司(BayerMaterialScienceLLC))；三异丙醇胺(TIPA)(可购自陶氏化学公司)；和三乙醇胺(TEA)(可购自马林克罗特贝克公司(MallinckrodtBakerInc.))。多种优选的胺引发的多元醇固化剂列于表1中。
表1
优选地，高分子量多元醇固化剂每分子平均具有三到十个(更优选地，四到八个；再更优选地，五到七个；最优选地，六个)羟基。优选地，高分子量多元醇固化剂的数均分子量MN为2,000到100,000(更优选地，2,500到100,000；再更优选地，5,000到50,000；最优选地，7,500到15,000)。
可商购的高分子量多元醇固化剂的实例包括多元醇、多元醇和多元醇(可购自陶氏化学公司)；专用多元醇和柔性多元醇(可购自拜耳材料科技有限责任公司)；和多元醇(可购自巴斯夫)。多种优选的高分子量多元醇固化剂列于表2中。
表2
优选地，固化剂系统中的反应性氢基团(即，胺(NH2)基团与羟基(OH)基团的总和)与多官能异氰酸酯中的未反应的异氰酸酯(NCO)基团的化学计量比是0.6到1.4(更优选地，0.80到1.30；最优选地，1.1到1.25)。
聚氨基甲酸酯抛光层组合物任选地进一步包含多个微元件。优选地，多个微元件均匀地散布在整个聚氨基甲酸酯抛光层中。优选地，多个微元件选自包埋气泡、中空核心聚合材料、液体填充的中空核心聚合材料、水溶性材料、不溶相材料(例如矿物油)和其组合。更优选地，多个微元件选自均匀地分布在整个聚氨基甲酸酯抛光层中的包埋气泡和中空核心聚合材料。优选地，多个微元件的重量平均直径小于150μm(更优选地小于50μm；最优选地为10到50μm)。优选地，多个微元件包含具有聚丙烯腈或聚丙烯腈共聚物壳壁的聚合微气球(例如，来自阿克苏诺贝尔(AkzoNobel)的)。优选地，多个微元件以0到35体积％孔隙率(更优选地10到25体积％孔隙率)并入到聚氨基甲酸酯抛光层中。
用于本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值。优选地，用于本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现0.5到25mg(KOH)/g(更优选地，2.5到20mg(KOH)/g；再更优选地，5到15mg(KOH)/g；最优选地，10到15mg(KOH)/g)的酸值。
用于本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层优选地具有展现≥80％的调整耐受性的抛光表面。优选地，用于本发明的化学机械抛光垫的聚氨基甲酸酯抛光层具有展现≥85％(更优选地，≥90％；最优选地，≥95％)的调整耐受性的抛光表面。
聚氨基甲酸酯抛光层可以按多孔和无孔(即，未填充的)两种构型提供。优选地，聚氨基甲酸酯抛光层展现大于0.6的比重，如根据ASTMD1622所测量。更优选地，聚氨基甲酸酯抛光层展现0.6到1.5(再更优选地，0.7到1.3；最优选地，0.95到1.25)的比重，如根据ASTMD1622所测量。
优选地，聚氨基甲酸酯抛光层组合物的肖氏D硬度为5到80，如根据ASTMD2240所测量。更优选地，聚氨基甲酸酯抛光层展现40到80(更优选地，50到70；最优选地，60到70)的肖氏D硬度，如根据ASTMD2240所测量。
优选地，聚氨基甲酸酯抛光层展现100％到500％的断裂伸长率，如根据ASTMD412所测量。优选地，聚氨基甲酸酯抛光层展现100％到450％(再更优选地，125％到450％)的断裂伸长率，如根据ASTMD412所测量。
优选地，聚氨基甲酸酯抛光层含有＜1ppm并入其中的研磨粒子。
本发明的化学机械抛光垫优选地被调适用于与抛光机的压板接合。优选地，化学机械抛光垫被调适用于贴附到抛光机的压板上。优选地，化学机械抛光垫可使用压敏粘合剂和真空中的至少一者贴附到压板上。优选地，本发明的化学机械抛光垫进一步包含压敏性压板粘合剂以促进贴附到压板上。所属领域的技术人员将知道如何选择适用作压敏性压板粘合剂的适当压敏粘合剂。优选地，本发明的化学机械抛光垫还将包括施加在压敏性压板粘合剂上的离型衬垫。
本发明的化学机械抛光垫任选地进一步包含至少一个与抛光层接合的额外层。
衬底抛光操作中的重要步骤是确定工艺的端点。一种受欢迎的原位端点检测方法涉及提供具有窗口的抛光垫，所述窗口可透射选择波长的光。在抛光期间，光束被引导通过窗口到晶片表面，其中其反射并且返回通过窗口到检测器(例如，分光光度计)。基于返回信号，可以测定衬底表面的性质(例如，其上的膜的厚度)以用于端点检测。为了促进此类基于光的端点方法，本发明的化学机械抛光垫任选地进一步包含端点检测窗。优选地，端点检测窗选自并入到聚氨基甲酸酯抛光层中的整体窗；和并入到化学机械抛光垫中的插到位的窗口块。所属领域的技术人员将知晓选择用于适用于预期抛光工艺中的端点检测窗的适当构造材料。
本发明的化学机械抛光衬底的方法包含：提供具有压板的化学机械抛光设备；提供至少一个待抛光的衬底(优选地，其中所述衬底选自由以下各者中的至少一者组成的群组：磁性衬底、光学衬底和半导体衬底；更优选地，其中所述衬底是半导体衬底；选择本发明的化学机械抛光垫，所述本发明的化学机械抛光垫包含具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述抛光表面被调适用于抛光所述衬底；其中所述组合物经选择展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性；最优选地，其中所述衬底是半导体晶片)；将所述化学机械抛光垫安装到所述压板上；任选地，在所述化学机械抛光垫的抛光表面与所述衬底之间的界面处提供抛光介质(优选地，其中所述抛光介质选自由以下各者组成的群组：抛光浆料和不含研磨剂的反应性液体调配物)；在所述抛光表面与所述衬底之间形成动态接触以抛光所述衬底的表面，其中至少一些材料从所述衬底移除；且用研磨调整器调整所述抛光表面。
本发明的一些实施例现将详细地描述于以下实例中。
比较实例C和实例1-5
制备聚氨基甲酸酯抛光层
根据比较实例C的聚氨基甲酸酯抛光层由通过经控制的混合表3中指示的以下各者来制备的浇铸聚氨基甲酸酯饼状物制备：(a)51℃的异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物；(b)固化剂系统；和(c)多个微元件(即，551DE20d60成孔剂)。异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物与固化剂系统的比率被设定，使得如由固化剂系统中的活性氢基团(即，-OH基团和-NH2基团的总和)与异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物中的未反应的异氰酸酯(NCO)基团的比率定义的化学计量如表3中所指示。将多个微元件混合到异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物中，随后添加固化剂系统。接着，使用高剪切混合头将具有并入的多个微元件的异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物与固化剂系统混合在一起。在离开混合头之后，经5分钟的时间将所述组合分配到86.4cm(34英寸)直径的环形模具中以得到约8cm(3英寸)的总浇灌厚度。使所分配的组合胶凝15分钟，随后将模具放置在固化烘箱中。模具接着使用以下循环在固化烘箱中固化：烘箱设定点温度从环境温度经30分钟匀变到104℃，接着在104℃的烘箱设定点温度下保持15.5小时，且接着烘箱设定点温度从104℃经2小时匀变降到21℃。
接着，将固化的聚氨基甲酸酯饼状物从模具移出，且在30到80℃的温度下切削(使用可动叶片切割)成平均厚度TP-平均为2.0mm(80密耳)的比较实例C的多个聚氨基甲酸酯抛光层。切削从饼状物的顶部开始。
根据实例1-5的聚氨基甲酸酯抛光层使用压延技术制备为单一薄片。涡流混合器用于混合表3中分别针对实例1-5中的每一者指示的以下各者：(a)60℃的异氰酸酯封端的预聚物；(b)固化剂系统；和(c)多个微元件(即，551DE20d60成孔剂)。异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物与固化剂系统的比率被设定，使得如由固化剂系统中的活性氢基团(即，OH基团和NH2基团的总和)与异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物中的未反应的异氰酸酯(NCO)基团的比率定义的化学计量如表3中所指示。将多个微元件混合到异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物中，随后添加固化剂系统。接着，使用涡流混合器持续30秒将具有并入的多个微元件的异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物与固化剂系统混合在一起。在混合之后，使用压延棒或刮刀将组合浇铸成厚度为约2mm(80密耳)的约60×60cm(24×24英寸)的薄片。使所分配的组合胶凝15分钟，随后将模具放置在固化烘箱中。模具接着使用以下循环在固化烘箱中固化：烘箱设定点温度从环境温度经30分钟匀变到104℃，接着在104℃的烘箱设定点温度下保持15.5小时，且接着烘箱设定点温度从104℃经2小时匀变降到21℃。
分析聚氨基甲酸酯抛光层特性
分析根据比较实例C和实例1-5(未添加成孔剂(材料))制备的未开槽的聚氨基甲酸酯抛光层材料，从而测定物理特性，如表4中所报导。应注意，所报导的比重是根据ASTMD1622相对于纯水测定的；所报导的肖氏D硬度是根据ASTMD2240测定的。
聚氨基甲酸酯抛光层的拉伸特性(即，中值拉伸强度、中值断裂伸长率、中值模量、韧性)根据ASTMD412使用可购自MTS系统公司(MTSSystemsCorporation)的AllianceRT/5机械测试仪以50.8cm/min的十字头速度测量。所有测试均在设定在23℃和50％相对湿度下的温度和湿度受控制的实验室中进行。所有测试样品在执行测试之前都调节在所指出的实验室条件下5天。所报导的聚氨基甲酸酯抛光层材料的中值拉伸强度(MPa)和中值断裂伸长率(％)由五个复制样品的应力-应变曲线测定。
聚氨基甲酸酯抛光层材料的储能模量G′和损耗模量G″根据ASTMD5279-08使用具有扭转夹具的TA仪器(TAInstruments)ARES流变仪测量。将连接到仪器的液氮用于子环境温度控制。样品的线形粘弹性响应在10rad/sec(1.59Hz)的测试频率下以从-100℃到200℃的3℃/min温度匀变测量。使用47.5mm×7mm模具在Indusco液压摆臂切割机上将测试样品冲压出聚氨基甲酸酯抛光层，并且接着使用剪刀切割成约35mm长度。
表3
A是异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物，具有7.2％NCO，包含50/50重量％可购自科聚亚(Chemtura)的LFG963A和LF750D的掺合物。
B是异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物，具有9.69％NCO，作为39.4重量％4，4′-二环己基甲烷二异氰酸酯和60.6重量％含有羧酸的多官能物质的反应产物形成，具有通式
其中m和n是4到10的整数(可作为2020酸官能饱和聚酯多元醇购自GEO特殊化学(GEOSpecialtyChemical))。
C是异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物，具有9.60％NCO，作为以下各者的反应产物形成：45.0重量％4，4′-二环己基甲烷二异氰酸酯；51.5重量％聚己内酯二醇，具有通式
其中m和n是4到10的整数，其中聚己内酯二醇的数均分子量MN为2,000(可作为2201A线形聚己内酯二醇购自柏斯托集团(ThePerstorpGroup))；和3.4重量％二羟甲基丙酸(DMPA)。
D是MDI预聚物，具有23.0％NCO，可作为181购自陶氏化学公司。
E是含有羧酸的多官能物质，具有通式
其中m和n是4到10的整数(可作为2020酸官能饱和聚酯多元醇购自GEO特殊化学)。
F是聚己内酯二醇，具有通式
其中m和n是10到20的整数，其中聚己内酯二醇的数均分子量MN为2,000(可作为2209线形聚己内酯二醇购自柏斯托基团)。
表4
比较实例MPC和实例MP1-MP5
马拉松抛光实例
根据比较实例C和实例1-5制备的聚氨基甲酸酯抛光层使用用于比较实例MPC和实例MP1-MP5中的每一者的压敏粘合剂层压到SubaTMIV子衬垫(可购自罗姆与哈斯电子材料CMP公司(RohmandHaasElectronicMaterialsCMPInc.))上。
抛光移除速率实验在来自诺发系统的200mm毯覆15kTEOS薄层晶片上进行。使用应用材料200mm抛光机。所有抛光实验均使用20.7kPa(3psi)的下压力、150ml/min的化学机械抛光浆料组合物流速、93rpm的台旋转速度和87rpm的载体旋转速度进行。所使用的化学机械抛光浆料组合物是朝日CES333F浆料与去离子水的1∶3稀释液，且pH为5.1。CS211250-1FN金刚石垫调整器(可购自基尼卡公司)用于调整抛光表面。抛光表面用调整器使用7磅(3.18kg)的下压力持续40分钟断裂。抛光表面在抛光期间在7磅(3.18kg)的下压力下以10次扫描/分钟从距抛光垫中心1.7英寸到9.2英寸经进一步原位调整。移除速率通过使用KLA-TencorFX200计量工具使用49点螺旋形扫描在3mm边缘排除下测量抛光之前和之后的膜厚度来测定。温和调整移除速率实验的结果提供于表5中。
表5
比较实例APC和实例AP1-AP5
侵蚀性调整抛光实例
根据比较实例C和实例1-5制备的聚氨基甲酸酯抛光层使用用于比较实例APC和实例AP1-AP5中的每一者的压敏粘合剂层压到SubaTMIV子衬垫(可购自罗姆与哈斯电子材料CMP公司(RohmandHaasElectronicMaterialsCMPInc.))上。
抛光移除速率实验在来自诺发系统的200mm毯覆15kTEOS薄层晶片上进行。使用应用材料200mm抛光机。所有抛光实验均使用20.7kPa(3psi)的下压力、150ml/min的化学机械抛光浆料组合物流速、93rpm的台旋转速度和87rpm的载体旋转速度进行。所使用的化学机械抛光浆料组合物是朝日CES333F浆料与去离子水的1∶3稀释液，且pH为5.1。8031C1金刚石垫调整器(可购自塞索尔金刚石工业有限公司(SaesolDiamondInd.Co，Ltd.))用于调整抛光表面。抛光表面用调整器使用7磅(3.18kg)的下压力持续40分钟断裂。抛光表面在抛光期间在7磅(3.18kg)的下压力下以10次扫描/分钟从距抛光垫中心1.7英寸到9.2英寸经进一步原位调整。移除速率通过使用KLA-TencorFX200计量工具使用49点螺旋形扫描在3mm边缘排除下测量抛光之前和之后的膜厚度来测定。侵蚀性移除速率实验的结果提供于表6中。由移除速率实验计算的抛光层的调整耐受性列在表7中。
表6
表7
抛光层 调整耐受性(％)
C 64.5
1 93.7
2 94.3
3 95.5
4 89.0
5 84.2

Claims (10)

1.一种化学机械抛光垫，其包含：
具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；其中所述抛光表面被调适用于抛光衬底；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其中所述衬底选自由以下各者中的至少一者组成的群组：磁性衬底、光学衬底和半导体衬底。
3.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其中所述聚氨基甲酸酯抛光层展现大于0.6的比重；5到80的肖氏D硬度；100％到450％的断裂伸长率。
4.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物是各成分的反应产物，其包含：
(a)多官能异氰酸酯；
(b)固化剂系统，其包含：
(i)含有羧酸的多官能固化剂，其每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团；以及
(c)任选的多个微元件。
5.根据权利要求4所述的化学机械抛光垫，其中所述固化剂系统进一步包含以下各项中的至少一者：
二胺；
二醇；
胺引发的多元醇固化剂；以及
高分子量多元醇固化剂，其数均分子量MN为2,000到100,000，且每分子平均有3到10个羟基。
6.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其中所述聚氨基甲酸酯抛光层组合物是各成分的反应产物，其包含：
(a)异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物，其中所述异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物是各成分的反应产物，其包含：
(i)多官能异氰酸酯；和
(ii)含有羧酸的多官能物质，其每分子平均具有至少两个活性氢和至少一个羧酸官能团；和
(iii)预聚物多元醇；和
(b)固化剂系统，其包含至少一种多官能固化剂；以及
(c)任选的多个微元件。
7.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫，其进一步包含：端点检测窗。
8.根据权利要求7所述的化学机械抛光垫，其中所述端点检测窗选自由以下各者组成的群组：整体窗和插到位的窗。
9.一种化学机械抛光衬底的方法，其包含：
提供衬底；
选择化学机械抛光垫，所述化学机械抛光垫包含具有组合物和抛光表面的聚氨基甲酸酯抛光层；其中所述抛光表面被调适用于抛光所述衬底；其中所述组合物经选择展现≥0.5mg(KOH)/g的酸值；且其中所述抛光表面展现≥80％的调整耐受性；
在所述抛光表面与所述衬底之间形成动态接触以抛光所述衬底的表面；以及
用研磨调整器调整所述抛光表面。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述衬底选自由以下各者中的至少一者组成的群组：磁性衬底、光学衬底和半导体衬底。
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