CN107866732A - 研磨垫、研磨装置及制造研磨垫的方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种高涵养量研磨垫，其包含研磨层，该研磨层包含高分子弹性主体及复数个二氧化钛纳米线，其中各二氧化钛纳米线间彼此独立且均匀任意分散于该高分子弹性主体内。本发明亦提供一种研磨装置及制造研磨垫的方法。

Description

研磨垫、研磨装置及制造研磨垫的方法

技术领域

本发明关于一种高涵养量(conservation)研磨垫、研磨装置及制造研磨垫的方法。

背景技术

研磨一般指化学机械研磨(CMP)制程中，对于初为粗糙表面的磨耗控制，其利用含细粒子的研磨浆液平均分散于研磨垫的上表面，同时将待研磨基材抵住该研磨垫后以重复规律动作搓磨。该待研磨基材诸如半导体、储存媒体基材、积体电路、液晶显示器平板玻璃、光学玻璃与光电面板等物体。在研磨过程中，必须使用研磨垫研磨该待研磨基材，因而该研磨垫的品质会直接影响该待研磨基材的研磨效果。

参考图1，显示具有已知研磨垫的研磨装置的示意图。该研磨装置1包括压力板11、吸附垫片12、待研磨基材13、研磨盘14、研磨垫15及研磨浆液16。该压力板11系相对于该研磨盘14。该吸附垫片12利用背胶层(图中未示)粘附于该压力板11上，且该吸附垫片12用以吸附且固定该待研磨基材13。该研磨垫15固定于该研磨盘14，且面向该压力板11，用以对该待研磨基材13进行研磨。

该研磨装置1的作动方式如下。首先将该待研磨基材13置于该吸附垫片12上，且该待研磨基材13被该吸附垫片12吸住。接着，该研磨盘14及该压力板11以相反方向旋转，且同时将该压力板11向下移动，使该研磨垫15接触到该待研磨基材13的表面，通过不断补充该研磨浆液16以及该研磨垫15的作用，可对该待研磨基材13进行研磨作业。

参考图2，显示具有已知研磨垫的剖视示意图，如美国专利第5,578,362号所描述，该研磨垫2包括复数个孔洞22及树脂21。该研磨垫2的制造方法为将树脂组合物(通常为热塑性聚氨基甲酸酯的高分子发泡体)灌入一圆形铸模筒中，待冷却凝固后再予以切片制得。该研磨垫2具有独立气泡结构，常被用在高平坦化研磨。然而，该研磨垫2最大的问题在于因该树脂21灌注于该圆形铸模筒中时，因表面张力的缘故无法均匀且充分分布于圆形铸模桶中，成型时会造成这些孔洞22大小及分布不一，且不易控制，再经切片制程后，会使该研磨垫2的切片面的孔洞22大小不一更为明显。此外，这些孔洞22彼此不连通，在使用时会使研磨液不易流通，且研磨时研磨浆液无法渗透至研磨垫内部，使研磨液的涵养量低。

另外，中国台湾专利公开第200609315号揭示一种具有经成分充填孔洞的多孔化学机械抛光垫，该抛光垫包含一种聚合材料，其通过限制该聚合材料基质内的空隙以控制该抛光垫的孔洞，同时添加液体、固体或其混合物的成分来改良抛光垫的抛光均匀性，然而，该方法不易控制所形成的孔洞空隙大小，再者该抛光垫表面的小孔洞容易被抛光粉堵塞，且其研磨液涵养量低，容易造成待研磨基材刮伤。

因此，本领域中亟需开发一新颖的研磨垫，以克服前述研磨垫的发泡不均匀及研磨液涵养量低的缺点，以提高研磨效果。

发明内容

本发明提供特殊的研磨层，通过添加二氧化钛纳米线以提高亲水性，使研磨液附着于二氧化钛纳米线上，进而提升研磨液涵养量。

本发明提供一种研磨垫，其包含：

研磨层，该研磨层包含

高分子弹性主体；及

复数个二氧化钛纳米线，各二氧化钛纳米线间彼此独立且均匀任意分散于该高分子弹性主体内。

本发明亦提供一种研磨装置，其包含：

研磨盘；

基材；

前述的研磨垫，其粘附于该研磨盘上，并用以研磨该基材；及

研磨浆液，其接触该基材，以进行研磨。

本发明再提供一种制造前述研磨垫的方法，其包含：

(a)提供高分子弹性体组合物；

(b)提供复数个二氧化钛纳米线；

(c)将步骤(b)中这些二氧化钛纳米线均匀任意分散于步骤(a)中的该高分子弹性体组合物中；及

(d)固化该高分子弹性体组合物以形成该高分子弹性主体以提供该研磨层。

附图简述

图1显示具有已知研磨垫的研磨装置的示意图；

图2显示具有已知研磨垫的剖视示意图；

图3根据本发明研磨层的剖视示意图；及

图4显示具有本发明研磨垫的研磨装置的示意图。

符号说明

1 已知研磨装置

2 已知研磨垫

3 本发明研磨层

4 本发明研磨装置

11 压力板

12 吸附垫片

13 待研磨基材

14 研磨盘

15 研磨垫

16 研磨浆液

21 树脂

22 孔洞

31 二氧化钛纳米线

32 高分子弹性主体

33 孔洞

41 压力板

42 吸附垫片

43 基材

44 研磨盘

45 研磨垫

46 研磨浆液

实施方式

本发明提供一种研磨垫，其包含：

研磨层，该研磨层包含

高分子弹性主体；及

复数个二氧化钛纳米线，各二氧化钛纳米线间彼此独立且均匀任意分散于该高分子弹性主体内。

根据本发明的“研磨垫”是指化学机械研磨制程中，用以抵住待研磨基材的垫，该研磨垫并以重复规律动作搓磨该待研磨基材，并配合含细粒子的研磨浆液，使该待研磨基材初为粗糙表面进行磨耗至平整。根据本发明的“研磨层”是指于研磨垫中用以接触且搓磨待研磨基材的元件，亦即于研磨垫中，配合研磨浆液实际执行研磨的元件。该研磨层可为片状结构，或与其他元件共同形成片状结构。参看图3，根据本发明的研磨层3包含高分子弹性主体32；及复数个二氧化钛纳米线31，各二氧化钛纳米线31间彼此独立且均匀任意分散于该高分子弹性主体32内。

本发明所言的“高分子弹性主体”一词是指由高分子弹性体所形成的主体，该高分子弹性体为展现类似橡胶性质的聚合物种类。当研磨时，该高分子弹性主体可同时具有研磨的效果且避免刮伤待研磨物表面。

于本发明的一具体实施例中，该高分子弹性体包含于高分子弹性体组合物中，该组合物包含树脂及架桥剂。

本发明所言的“架桥剂”一词是指可与根据本发明的树脂产生架桥反应，并于合宜的条件下固化的试剂。该架桥剂的种类视搭配该树脂的种类而定。

用于高分子弹性体组合物中的适合溶剂包括二甲基甲酰胺(DMF)或水。该高分子弹性体组合物视情况包含诸如表面活性剂的添加剂。该高分子弹性体组合物中弹性体的浓度优选在2wt％至60wt％的范围内。

参看图3，于本发明的一优选具体实施例中，该研磨层还包含复数个孔洞33分散于该高分子弹性主体32内。

于本发明的一优选具体实施例中，该高分子弹性主体与复数个孔洞可由发泡树脂一并提供。本发明所言的“发泡树脂”一词指含有热塑树脂及热分解发泡剂的材料。该树脂优选地包含选自以下的至少一者：聚氨酯、聚烯烃、聚碳酸酯、聚乙烯醇、耐纶、弹性橡胶、聚苯乙烯、聚芳烃分子、含氟聚合物、聚酰亚胺、架桥聚氨酯、架桥聚烯烃、聚醚、聚酯、聚丙烯酸酯、弹性聚乙烯、聚四氟乙烯、聚(对苯二甲酸亚乙酯)、聚芳烃酰胺、聚芳烃、聚甲基丙烯酸甲酯、其共聚物、其嵌段共聚物、其混合物及其掺合物。

根据本发明的发泡树脂发泡的方法可为化学发泡或物理发泡，其中化学发泡是利用可进行化学反应以产生气体的试剂，使其反应后所产生的气体均匀分布于包含高分子弹性体的高分子弹性体组合物中。另一方面，物理发泡是将气体打入该高分子弹性体组合物中，并通过搅拌使打入的气体均匀分布于该高分子弹性体组合物中。于本发明的另一优选具体实施例中，这些孔洞通过于高分子弹性体中填充复数个聚合中空小球体而提供，该中空小球体的具体例为551DE40d42(重量平均直径为30至50微米，Akzo Nobel公司制)或551DE20d60(重量平均直径为15至25微米，Akzo Nobel公司制)。

根据本发明的这些孔洞可为连通型孔洞或独立型孔洞，本发明所言的“连通型孔洞”是指至少二孔洞间为连通，而形成类似蚁穴型的孔洞，其有利于研磨液的流动、研磨颗粒的分布及研磨残留物的移除；本发明所言的“独立型孔洞”是指彼此为独立不连通的孔洞，通常具有圆形或椭圆形的剖面，而为球状或卵状孔洞，其具有较大的硬度，而具高移除效率。

优选地，如图3所示，这些复数个孔洞33彼此为独立不连通的独立型孔洞；再者，这些复数个孔洞33优选为球状或卵状孔洞。另一方面，在本发明的优选实施例中，这些孔洞具有自约2μm至约250μm的孔直径；更佳为自约10μm至约150μm的孔直径；尤佳为自约20μm至约80μm的孔直径。

于本发明的另一具体实施例中，该研磨层还包含一无纺布，其可提供于该高分子弹性主体的下方或上方，或使该高分子弹性体组合物含浸该无纺布而形成该研磨层。

本文中使用“无纺布”一词指具方向性或随机定向纤维的制造片、网或毡，其由摩擦力及/或内聚力及/或粘合力接合，并不包括纸及并入有接结纱或丝的经编织、针织、簇生、缝编或由湿式碾磨进行粘结(无论是否经额外针缝)的产品。这些纤维可为天然或人造。其可为定长或连续的丝或可原位形成。取决于形成网的方法，无纺布通常包含合成无纺布、针轧无纺布、熔喷无纺布、纺粘无纺布、干式成网无纺布、湿式成网无纺布、缝编无纺布或水刺无纺布。与织布相比，无纺布具有较好的材料特性。

本领域技术人员可根据本说明书的揭示内容来选择适合种类的纤维。本文中使用的“纤维”一词指单纤维或复合纤维，优选地指复合纤维。优选地，该纤维由选自以下的至少一种材料制成：聚酰胺、对苯二胺、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯腈及其混合物。

于本发明的一具体实施例中，这些研磨层的复数个孔洞为无纺布纤维间的孔洞；于本发明的再一具体实施例中，这些孔洞由高分子弹性主体与纤维共同形成。

本发明的一技术特征为提供复数个二氧化钛纳米线，该二氧化钛纳米线间彼此独立且均匀任意分散于该高分子弹性主体内。经由这些二氧化钛纳米线的添加，根据本发明的研磨垫可提供研磨浆液的涵养量。虽不愿为理论所限制，但相信因二氧化钛纳米线具有极高的亲水性(超亲水性)，于进行研磨时可使研磨浆液持续附着于二氧化钛纳米线上，而使研磨垫对于研磨浆液的涵养量大幅提升，而增加研磨效率且可避免刮伤待研磨基材；另一方面，亦因二氧化钛纳米线具有极高的亲水性，当将高分子弹性体组合物及二氧化钛纳米线灌注于铸模桶时，可降低表面张力，与铸模桶的壁面间的接触角小，且可使高分子弹性体组合物的表面下降，成为孔洞的成核点，而这些二氧化钛纳米线则分散在这些孔洞的表面，增加与研磨浆液的接触面积，亦可改善已知技术中孔洞大小不均匀的缺点。

于本发明的一优选具体实施例中，这些二氧化钛纳米线的长度为约0.1nm至约100nm，优选为约0.5nm至约40nm，更优选为约1nm至约20nm。

另一方面，这些二氧化钛纳米线的直径为约0.1nm至约50nm，优选为约0.5nm至约20nm，更优选为约1nm至约10nm。

优选地，这些二氧化钛纳米线于该研磨层中的比例为约0.1％至约20％以重量计，优选为约0.5％至约10％以重量计，更优选为约1％至约5％以重量计。

于本发明的一具体实施例中，这些二氧化钛纳米线的制备是以水热法在二氧化钛基板上成长大量二氧化钛纳米线，用超声波震荡机将这些二氧化钛纳米线震入水溶液中，接着将水分加热蒸干即可得到本发明所需的二氧化钛纳米线。

于本发明的一优选具体实施例中，其中部分该二氧化钛纳米线显露于该研磨层的一表面。

于本发明的另一优选具体实施例中，其中部分该二氧化钛纳米线位于这些孔洞内。

于本发明的一优选具体实施例中，该研磨层包含复数个研磨粒子，这些研磨粒子可均匀分布于该高分子弹性主体中，亦可位于这些孔洞内。优选地，这些研磨粒子为二氧化铈、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二钇或三氧化二铁。另一方面，这些研磨粒子的粒径介于约0.01微米至约10微米之间。

于本发明的一优选具体实施例中，该研磨垫还包含缓冲层，其位于该研磨层的一表面上。本发明所言的“缓冲层”是指位于该研磨层与研磨机台间的薄层。于该研磨垫于作动时同时承受来自压力板与研磨盘不同方向的压力，以避免造成该待研磨基材的损伤。根据本发明的缓冲层包含纤维。该纤维可与前述无纺布的纤维相同，在此不再赘述。

于本发明的优选具体实施例中，该研磨垫还包含接着层以接着该研磨层与该缓冲层。优选地，该接着层选自感压胶、一液型糊剂、二液型糊剂、压克力树脂及环氧树脂。感压胶通常包含载体膜，该载体膜包括(例如)聚酯，且在载体膜的上侧及下侧上具有具流动性的粘合层。一液型糊剂是指包含高分子量弹性体充当粘接剂的糊剂，优选包含聚氨酯，一液型糊剂包含油改质型涂料及湿气硬化型涂料，其中油改质型涂料采用天然油脂与二甘油脂等改质多元醇类(polyol)与甲苯二异氰酸酯(toluene diisocyanate，TDI)反应而成；湿气硬化型糊剂含有氢氧基的聚酯类(polyester)与聚醚类(polyether)，通过过量的NCO基(NCO/OH>1)与甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯(diphenylmethane diisocyanate，MDI)、己二异氰酸酯(hexamethylene diisocyanate，HMDI)等的氢氧基反应，形成末端含有异氰酸酯(isocyanate)基的预聚合体，此官能基可与空气中的湿气产生胺类(amine)形成尿素结合，和双缩脲(biuret)成为硬化涂膜。二液型糊剂指包含彼此相互作用或交联以实现粘合作用的两种成分的糊剂，优选包含弹性体及聚异氰酸酯，包含有催化剂硬化型，其主要是由聚乙二醇(polyethylene glycol)、聚丙二醇(polypropylene glycol)或多元醇(polyol)的酯化交换的单二酸甘油酯(mono diglyceride)的混合体与叔胺及金属盐类等催化剂反应使其硬化；多元醇硬化型PU涂料是由异氰酸酯预聚合物(isocyanateprepolymer)、多元醇-酯类(polyol-ester)或聚醚类(polyether)，以及含有OH^-的压克力树脂等多元醇的OH^-反应形成。压克力树脂包含常温硬化型及加热硬化干燥型；其中常温硬化型主要为压克力树脂单体，加热硬化干燥型则是以压克力树脂聚合物为基本构造，于其中导入活性反应基，当加热时该树脂单独或与含有反应基的树脂以及交联剂反应形成三次元的网状结构。环氧树脂可通过加入交联剂，形成三次元结构。

于本发明的一具体实施例中，该研磨层及该缓冲层分别制得，再以该接着层粘合。将研磨层粘合至缓冲层的方式根据接着层的形式而变化。用于将研磨层粘合至缓冲层的接着层优选通过涂覆、转写、印刷或刮擦在该缓冲层或该研磨层的一表面上，优选将该接着层涂覆在该缓冲层或该研磨层的一表面上。

于本发明的另一优选具体实施例中，该研磨层还包含至少一研磨表面，且该研磨表面包含沟槽，本领域技术人员根据说明书的揭示内容可选择适当的加工方式于该研磨层的表面形成沟槽，例如使用激光加工。该沟槽当于研磨过程中可帮助研磨液流动，优选地，该沟距与沟宽比为1至0.05。

于本发明的另一优选具体实施例中，该研磨垫还包含粘剂层，其位于该研磨层的一表面上，用以将该研磨垫固定至研磨盘上。该粘剂层可与前述接着层相同，在此不再赘述。

本发明亦提供一种研磨装置，其包含：

研磨盘；

基材；

研磨垫，其粘附于该研磨盘上，并用以研磨该基材；及

研磨浆液，其接触该基材，以进行研磨。

优选地，该研磨装置还包含：

压力板，其设置相对于该研磨盘；及

吸附垫片，其粘附于该压力板上，用以吸附且固定该基材。

参考图4，显示具有本发明研磨垫的研磨装置的示意图。该研磨装置4包括压力板41、吸附垫片42、基材43、研磨盘44、研磨垫45及研磨浆液46。该压力板41系相对于该研磨盘44。该吸附垫片42利用背胶层(图中未示)粘附于该压力板41上，且该吸附垫片42用以吸附且固定该基材43。该研磨垫45固定于该研磨盘44，且面向该压力板41，用以对该基材43进行研磨。

该研磨装置4的作动方式如下。首先将该基材43置于该吸附垫片42上，且该基材43被该吸附垫片42吸住。接着，该研磨盘44及该压力板41以相反方向旋转，且同时将该压力板41向下移动，使该研磨垫45接触到该基材43的表面，通过不断补充该研磨浆液46以及该研磨垫45的作用，可对该基材43进行研磨作业。

本发明再提供一种制造前述研磨垫的方法，其包含：

(a)提供高分子弹性体组合物；

(b)提供复数个二氧化钛纳米线；

(c)将步骤(b)中这些二氧化钛纳米线均匀任意分散于步骤(a)中的该高分子弹性体组合物中；及

(d)固化该高分子弹性体组合物以形成该高分子弹性主体以提供该研磨层。

于本发明的优选具体实施例中，该高分子弹性体组合物的定义如前所述，在此不另赘述。

于本发明的一具体实施例中，于步骤(d)前还包含将步骤(c)的任意分散有这些二氧化钛纳米线的该高分子弹性体组合物涂布于载体的步骤。

本发明所言的“载体”一词是指可容该高分子弹性体形成于其上的元件，且可于该高分子弹性体固化后，便于移除的材料，优选地，其为片材；另一方面，该载体为离型材料。本发明所言的“离型材料”是指于该研磨垫制造过程中不与该高分子弹性体反应的材料，且于该高分子弹性体固化后，可轻易移除。优选地，该离型材料为“具低渗透率的膜”。本发明所言的“具低渗透率的膜”一词是指膜或薄膜，其大体上防止本发明的具低渗透率的膜的上表面上的高分子弹性体组合物渗透至具低渗透率的膜的下表面。于本发明的一优选具体实施例中，该具低渗透率的膜可形成于基底材料，例如纸，上。优选地，其中该载体为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚丙烯膜、聚碳酸酯膜、聚乙烯膜、聚对苯二甲酸乙二酯膜、离型纸或离型布。此外，聚丙烯优选为定向聚丙烯。

优选地，该载体为连续式提供，例如为滚轧离型材料。该滚轧离型材料可以卷筒对卷筒的方式使用，与制造涉及模制或铸造的单个研磨垫的已知方法比较，此方式改良了批次均匀性。

于本发明的一具体实施例中，于步骤(d)前还包含将步骤(c)的任意分散有这些二氧化钛纳米线的该高分子弹性体组合物充满模具的模穴的步骤，其具体实施方式为本领域技术人员可完成者，例如与该高分子弹性体组合物中的各成分共同混合或搅拌，以同时制得该高分子弹性体组合物及均匀任意分散这些二氧化钛纳米线于该高分子弹性体组合物中。

于本发明的一具体实施例中，于步骤(d)前还包含将步骤(c)的任意分散有这些二氧化钛纳米线的该高分子弹性体材料含浸无纺布的步骤，其使用一般弹性体溶液浸透纤维的方法。含浸条件为本领域技术人员所熟知。

根据本发明的方法，步骤(d)为固化步骤(c)的高分子弹性体。这些固化的具体实施方式为本领域技术人员依据所欲固化的树脂种类及视需要的架桥剂种类所决定者。于本发明的优选具体实施例中，该固化步骤是将经高温干燥后的发泡树脂组合物于约60℃至约130℃固化。

优选地，根据本发明的方法，其还包含剖片步骤，其是将形成于模具中的高分子弹性体固化后，剖片形成薄片状的研磨垫，此剖片的具体实施方式为本领域技术人员可熟知。

于本发明的一优选具体实施例中，该方法还包含移除该载体的步骤。优选地，该载体的移除步骤可于该研磨垫制造完成后，使研磨垫自生产设备上移除，另一方面，该载体的移除步骤亦可于应用于研磨时，再自该研磨垫上移除。该移除的具体实施方式视所使用的载体而定，例如使用撕除的方式。

上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非限制本发明。本领域技术人员对上述实施例所做的修改及变化仍不违背本发明的精神。本发明的权利范围应如后述的权利要求所列。

Claims (13)

1.一种研磨垫，其包含：

研磨层，该研磨层包含

高分子弹性主体；及

复数个二氧化钛纳米线，各二氧化钛纳米线间彼此独立且均匀任意分散于该高分子弹性主体内。

2.根据权利要求1的研磨垫，其中该研磨层还包含复数个孔洞分散于该高分子弹性主体内。

3.根据权利要求1的研磨垫，其中该研磨层还包含无纺布。

4.根据权利要求1的研磨垫，其中该二氧化钛纳米线的长度为约0.1nm至约100nm。

5.根据权利要求1的研磨垫，其中该二氧化钛纳米线的直径为约0.1nm至约50nm。

6.根据权利要求1的研磨垫，其中该二氧化钛纳米线于该研磨层中的比例为0.1％至20％以重量计。

7.根据权利要求1的研磨垫，其中部分该二氧化钛纳米线显露于该研磨层的一表面。

8.根据权利要求2的研磨垫，其中部分该二氧化钛纳米线位于这些孔洞内。

9.一种研磨装置，其包含：

研磨盘；

基材；

根据权利要求1至8任何一项的研磨垫，其粘附于该研磨盘上，并用以研磨该基材；及

研磨浆液，其接触该基材，以进行研磨。

10.一种制造根据权利要求1至8任何一项研磨垫的方法，其包含：

(a)提供高分子弹性体组合物；

(b)提供复数个二氧化钛纳米线；

(c)将步骤(b)中这些二氧化钛纳米线均匀任意分散于步骤(a)中的该高分子弹性体组合物中；及

(d)固化该高分子弹性体组合物以形成该高分子弹性主体以提供该研磨层。

11.根据权利要求10的方法，其中步骤(d)前还包含将步骤(c)的任意分散有这些二氧化钛纳米线的该高分子弹性体组合物涂布于载体的步骤，其中该载体为离型材料。

12.根据权利要求10的方法，其中步骤(d)前还包含将步骤(c)的任意分散有这些二氧化钛纳米线的该高分子弹性体组合物充满模具的模穴的步骤。

13.根据权利要求10的方法，其中步骤(d)前还包含将步骤(c)的任意分散有这些二氧化钛纳米线的该高分子弹性体材料含浸无纺布的步骤。