CN108747870B - 抛光垫的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抛光垫的制备方法，解决了现有抛光制备过程中散热不均导致抛光垫密度不均、影响研磨稳定性的问题。技术方案包括在模具中设置含有或通入冷却剂的冷却腔，然后将原料浇注在模具中得到第一垫层；由第一垫层中取出含有冷却剂的冷却腔，在取出冷却腔后形成的孔洞中填入与所述孔洞相同形状的第二垫层，使第一垫层与第二垫层经共同固化或粘接得到抛光垫。本发明工艺简单、控制简便、生产过程中有效匀匀释放温度，制备的抛光垫密度均匀、研磨稳定性好。

Description

抛光垫的制备方法
技术领域
本发明涉及抛光垫领域，具体的说是一种抛光垫的制备方法。
背景技术
化学机械平面抛光或化学机械抛光(CMP)是目前用于工件表面抛光最常用的技术。CMP是将化学侵蚀和机械去除结合的技术，也是对半导体晶片之类平面化最常用的技术。目前，常规的CMP过程中，安装在设备的支架组件上，同时设置抛光过程中与抛光垫接触的位置。晶片在抛光过程中被施加了可控压力，压向抛光垫，通过外驱力使抛光垫相对于晶片转动。转动过程中有持续性滴入的抛光液，从而通过抛光垫表面的机械作用以及抛光液的化学作用，对晶片表面进行平坦化。
目前在抛光垫的制备过程中通常包括浇注、凝胶和固化，即将聚氨酯浇铸成块、并将此块状体切割成几个薄抛光垫，此方法已经被证明是一种行之有效的制造具有稳定的可再现性抛光性质的抛光垫的方法。然而由于浇注和凝胶过程中体系即浇注体整体热量分布不均，导致微球膨胀程度不一致，从而引起整个体系中间至外围的密度分布不均。目前有通过配方限制浇铸材料内温度的升高，可以提高整个聚氨酯浇铸中多孔抛光垫的均匀性，然而仅从配方上并不能完全解决工艺中放热难以及放热不均的问题，这样非可控性热膨胀一方面会导致工艺流程控制上重复性差，会使整个体系的密度合格率降低，另外，同一平面的不同密度分布可能会影响抛光过程中抛光的稳定性。因此亟需寻找一种从工艺控制的角度解决浇注体整体热量分布不均的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、控制简便、生产过程中有效匀匀释放温度的抛光垫的制备方法，制备的抛光垫密度均匀、研磨稳定性好。
本发明制备方法包括如下步骤：
步骤一、在模具中设置含有或通入冷却剂的冷却腔，然后将原料浇注在模具中得到第一垫层；
步骤二、由第一垫层中取出含有冷却剂的冷却腔，在取出冷却腔后形成的孔洞中填入与所述孔洞相同形状的第二垫层，使第一垫层与第二垫层经共同固化或粘接得到抛光层，所述抛光垫至少含有所述抛光层。
针对背景技术中存在的问题，发明人变换思维，从工艺角度出发提供一种新的解决方案，通过在模具中设置冷却腔，在制造第一垫层过程中，冷却腔伸入第一垫层中，冷却介质通过间接换热的形式带走第一垫层释放的热量，通过对冷却腔位置和数量的合理设置可以使第一垫层在制造过程有效均匀放热，相比其他方式，在工艺方法中控制散热更加快速、均匀，方便实施，从而可获得密度均一的抛光垫，也使制得的抛光垫在化学机械抛光过程中，抛光稳定性更佳。
在形成第一垫层后，取出的冷却腔处会形成一个孔洞，如果不进行处理，会严重影响抛光垫功能，针对该对问题,发明人通过预先制造与孔洞相同形状的第二垫层，将第二垫层填入所述孔洞中，再将两者粘接成一体，从而制造出完整的抛光垫，最大程度减少了对抛光垫其它性能的影响。
所述取出冷却腔，填入第二垫层的时机优选为：在第一垫层浇注凝胶后、或凝胶后半固化过程中、或固化后。若在第一垫层浇注凝胶后、或凝胶后半固化过程中取出冷却腔时，可随后填入第二垫层再共同进后续的固化或半固化，这样无需粘接剂，或仅需少量粘接剂就可以使第一垫层与第二垫层固牢连接；若在第一垫固化后再取出冷却腔，则需要通过粘接剂将第二垫层与第一垫层粘接一起。进一步优先在半固化状态填入第二垫层，此时第一垫层的成形较好且两者共同进行后续的固化过程，粘接牢固性更佳。
冷却腔设置位置对散效均匀性有影响，根据需要可以合理选择冷却腔的设置位置和数量，以实现均匀散热为好，优选地，可以模具中心为圆心，设于圆心处、或围绕圆心一层或多层环形设置，或者是两者结合，如所述模具中设有至少一个冷却腔，当冷却腔数量为一时，则位于模具的中心位置；当冷却腔数量为两个或以上时，则以模具的中心作为圆心，绕其等分均匀设置，或者一个冷却腔位于模具的中心位置，其余冷却腔以模具的中心作为圆心等分均匀设置。多个冷却腔的截面总面积对应计算得到的所述冷却腔的平均直径d与抛光层的直径D之比为0.02～0.05:1。所述冷却腔平均直径d是指：当有多个冷却腔时，多个冷却腔的截面总面积对应计算得到的多个冷却腔的平均直径。
所述多个冷却腔构的环形圈，可以为一圈或不同径长的多圈，可根据需要合理选择。
当一个冷却腔位于模具的中心位置，其余冷却腔以模具的中心作为圆心等分均匀设置时，其余冷却腔的管径与模具中心位置冷却腔的管径的比值为0.25～0.5，制得的抛光垫的直径为0.8～1.0m，密度为0.95～1.1g/cm3。
所述步骤二中，填入的第二垫层的材料与第一垫层全部相同，考虑到抛光垫中经常有设置窗口结构的需求，在本发明工艺中，无需另外在抛光垫上开窗，而是直接选取用于制造窗口结构的材料制造第二垫层。当存在多个第二垫层时，可选择至少一个第二垫层作为窗口结构，若有多对第二垫层可选择对称设置多个窗口结构，简单而易实现，一举多得。
第一垫层与第二垫层均为聚氨酯材质，合成聚氨酯的原料中，预聚物中异氰酸酯封端的反应产物均包含6.5～8.5重量％的未反应的NCO。
所述步骤一中，冷却腔内预置冷却介质，冷却介质可以为固态、液态或气态冷却剂。
所述步骤一中，
所述冷却介质的温度T满足下式要求：
公式(1)：
其中，冷却腔到抛光层的中心的距离为L、抛光层的直径为D，T的单位为℃。
当冷却腔为管状时，冷却介质的温度T还满足下式要求：
公式(2)：
其中，所述冷却腔的平均直径d、抛光层的直径D，T的单位为℃。
进一步地，当一个冷却腔位于模具的中心位置，其余冷却腔以模具的中心作为圆心等分均匀设置时，中心位置的冷却腔中冷却介质的温度T应满足公式(1)和公式(2)的要求，其余冷却腔内冷却介质的温度高于中心位置冷却腔内冷却介质的温度3～8℃，研究表明，靠近中心处热量更容易堆积，因此中心处需要更好的散热，发明人通过对不同位置处冷却腔中的水温分别控制，进一步保证抛光垫不同位置处冷却效果一致，抛光垫的密度更均一。
通过对原料中未反应的NCO含量的控制，有利于从配方上控制体系散热，限定冷却腔的平均直径与抛光层的直径之比，结合上式中对不同大小的抛光垫中冷却腔的平均直径与冷却腔中的水温关系，得到密度更均一、抛光效果更佳的抛光垫。
所述冷却腔的外壁涂布有润滑涂层，所述润滑涂层优选为聚四氟乙烯。
综上，本发明不改变主要配方的前提下，对现有抛光垫的制造工艺过程进行改进，利用冷却腔对第一垫层进行均匀降温，用第二垫层填充取出冷却腔后的孔洞，以解决现有制备工艺中放热不均、抛光垫密度不均等问题。本发明方法具有工艺简单、控制简便、生产过程中能有效匀匀释放反应热量，生产的抛光垫密度均匀、研磨稳定性好、且研磨带来的划痕明显减少。
附图说明
图1为本发明实施例1的抛光垫结构图。
图2为本发明实施例2的抛光垫结构图。
图3为本发明实施例3的抛光垫结构图。
图4为本发明实施例1和对比例1、对比例2的抛光垫密度测试曲线图。
其中，1-第一垫层、2-第二垫层、201-窗口结构。
具体实施方式
实施例1
将多元醇和包含6.5-8.5重量％的未反应的NCO的异氰酸酯为原料反应得到的预聚物、固化剂与微球混合后得到待浇注原料备用；按同样材料经浇注、凝胶、固化过程预先制备第二垫层备用；
模具内设置通入冷却水的冷却腔(外壁涂布有聚四氟乙烯涂层)，将待浇注原料浇注在模具中，冷却腔内的冷却水持续与模具中的原料换热，待浇注原料胶凝后形成第一垫层，所述冷却腔中通入冷却水的温度T需同时满足以下两个公式：
公式(1)：
其中，冷却腔到抛光层的中心的距离为L、抛光层的直径为D，T的单位为℃。
当冷却腔为管状时，冷却介质的温度T还满足下式要求：
公式(2)：
其中，所述冷却腔的平均直径d、抛光垫的直径D，T的单位为℃。
本实施例中冷却腔仅有一个，直径d为4cm，抛光垫直径D为1米，控制通入冷却腔中的冷却水的水温为30℃；由于是间接换热，因此冷却介质的选择比较广泛，可以为各种满足换热要求的固态、液态或气态的介质，本实施例中使用的冷却介质为冷却水，所述冷却腔可以固定在模具底部，或者整个穿过模具，其两端分别连接冷却水管，与温控装置、储水箱等部件相连，形成冷却水循环路线，具体连接关系为现有技术，不作详述。
第一垫层凝胶后半固化，即固化过程进行到一半时取出冷却腔，此时在第一垫层上留下取出冷却腔后形成的中心孔洞，适当打磨后填入与所述孔洞相同形状的第二垫层，其中，第二垫层与第一垫层均为聚氨酯材料，然后将第一垫层与第二垫层继续共同固化固定后，经切片、刻槽得到完整的直径为1米且密度为1.1g/cm3的抛光垫1。
此种抛光垫沟槽优选为中心区为空白，外围刻同心圆形、放射状或螺旋形沟槽等，由于中心位置设有第二垫层，此种结构避免在第二垫层和第一垫层结合处刻槽，方便加工，避免因刻槽引起第二垫层和第一垫层结合不牢，也能避免第二垫层和第一垫层的性能差异对抛光效果的不利影响。
得到的抛光垫见图1，第一垫层1的中心处填充有一个第2垫层。
实施例2
与实施例1不同的是：
所述冷却腔的设置位置不同：在模具中心处设一个直径为4cm的冷却腔，然后以模具中心作为圆心，围绕模具圆心距离为10cm处等分固定四个直径为1.5cm的冷却腔，即每两个第二容纳腔对应的圆心角均为90°，则冷却腔的平均直径为5cm，冷却腔的平均直径为五个冷却腔的圆形截面的面积之和对应计算圆形的平均直径得到，中心处冷却腔中冷却水的温度为30℃，外环四个冷却腔中冷却水的水温温度为38℃；
填入的第二垫层中，位于外周的四个第二垫层中有一个采用窗口材料制造，以形成窗口结构，另外三个则采用与第一垫层相同的材料制造。所述窗口材料的原料组成参照现有技术，在此不作详述。
取出冷却腔的时机为：第一垫层凝胶后取出冷却腔，然后填入第二垫层与第一垫层共同固化，再经切片、刻槽得到完整的直径为1米且密度为1g/cm3的抛光垫2。
得到的抛光垫见图2，第一垫层1的中心处填充有一个第二垫层2，以中心处为圆心，还环形均匀布置有四个第二垫层2，其中一个为窗口结构201。
实施例3
与实施例2不同的是：在模具上均匀设置位于外圈的两个冷却腔和位于内圈的两个冷却腔，内圈的冷却腔距离圆心为10cm，外圈冷却腔距离圆心为20cm，共计四个冷却腔，每个冷却腔的半径为1cm。冷却腔的冷却水温度为40℃。
填入的第二垫层2中，内圈的两个第二垫层2采用窗口材料制造，外圈的两个第二垫层2则采用与第一垫层1相同的材料制造。所述窗口材料的原料组成参照现有技术，在此不作详述。
取出冷却腔的时机为：第一垫层固化后取出冷却腔，然后填入第二垫层，通过粘接剂与第一垫层粘接固定，然后经切片、刻槽得到完整直径为0.8m，密度为0.95g/cm3的抛光垫3。
得到的抛光垫见图3，围绕第一垫层1的中心设有两圈第二垫层2，内圈两个，外圈两个，两两相对，圆心角均为180°。其中内圈的两个第二垫层2为窗口结构。
实验部分
对比例1：
市售抛光垫。
对比例2：
提供一种抛光垫，除不设置容纳腔外，抛光垫同样经一次浇注、凝胶后固化得到，其余制备条件与实施例1中相同。
均一性评价
将对比例1、对比例2、实施例1中抛光垫分别沿半径方向，从内(圆心)至外(边缘)分别取直径为4厘米的小圆片，依次编号1～10号，并测试其密度，结果见图4。
由图4中可以看出，采用本发明的制备方法制得的抛光垫，其均一性明显优于对比例1和2。
研磨特性评价：
使用SPP600S(冈本工作机械公司制造)作为研磨装置并使用制作好的研磨垫来进行研磨特性的评价。氧化膜的膜厚测定使用衍射式膜厚测定装置(大塚电子公司制造)。作为研磨条件，在研磨中以150ml/分钟的流量添加二氧化硅浆料作为浆料。研磨载荷设定为350g/cm2，研磨平台转速设定为35rpm，晶片转速定为33rpm。测定平均研磨速度，研磨速度稳定性作为研磨特性。
在上述条件下，将在6英寸的测试晶片上沉积厚度为1μm的热氧化膜进行研磨，将所得到的晶片研磨5分钟，从磨耗减量求出平均研磨速度。
在上述研磨条件下，将在6英寸的测试晶片上沉积厚度为1μm的热氧化膜进行研磨，将所得到的晶片研磨1分钟，并连续研磨5次，测定每次研磨时的研磨速度，并根据研磨速度稳定性(％)＝{(最大研磨速度)-(最小研磨速度)/(平均研磨速度)}×100计算研磨速度稳定性。
用晶片表面检测装置评价结束研磨的6英寸的测试晶片的氧化膜表面上有几个0.2μm以上的划痕。
表1为上述3个实施例与对比例1和2的聚氨酯抛光垫的研磨性能对比。
表1
由上表1可知，本发明实施例1-3的抛光垫在平均研磨速度和研磨速度稳定性方面均明显优于对比例1和2，且晶片的划痕更少。

Claims (10)

1.一种抛光垫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在模具中设置至少一个含有或通入冷却剂的冷却腔，然后将原料浇注在模具中得到第一垫层；
步骤二、由第一垫层中取出含有冷却剂的冷却腔，在取出冷却腔后形成的孔洞中填入与所述孔洞相同形状的第二垫层，使第一垫层与第二垫层经共同固化或粘接得到抛光层，所述抛光垫至少含有所述抛光层。
2.根据权利要求1所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述步骤二中,冷却腔的取出时机为：在第一垫层浇注凝胶后、或凝胶后半固化过程中、或固化后。
3.根据权利要求1所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，填入的第二垫层的材料与第一垫层全部相同，或者多个第二垫层中至少一个为能形成窗口结构的材料。
4.根据权利要求3所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，第一垫层与第二垫层均为聚氨酯材质，合成聚氨酯的原料中，预聚物中异氰酸酯封端的反应产物均包含6.5~8.5重量％的未反应的NCO。
5.根据权利要求1所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述冷却腔为管状；当冷却腔数量为一时，则位于模具的中心位置；当冷却腔数量为两个或以上时，则以模具的中心作为圆心，绕其等分均匀设置，或者一个冷却腔位于模具的中心位置，其余冷却腔以模具的中心作为圆心等分均匀设置，多个冷却腔的截面总面积对应计算得到的所述冷却腔的平均直径d与抛光层的直径D之比为0.02~0.05: 1，所述冷却腔的平均直径d为多个冷却腔的圆形截面的面积之和对应计算圆形的平均直径。
6.根据权利要求5所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，当一个冷却腔位于模具的中心位置，其余冷却腔以模具的中心作为圆心等分均匀设置时，其余冷却腔的管径与模具中心位置冷却腔的管径的比值为0.25~0.5，制得的抛光垫的直径为0.8~1.0m，密度为0.95~1.1 g/cm3。
7.根据权利要求5或6所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，冷却腔内预置冷却介质，所述冷却介质可以为固态、液态或气态冷却剂。
8.根据权利要求7所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，
每个冷却腔中所述冷却介质的温度T满足下式要求：
公式（1）：T≤100+30
其中，冷却腔到抛光层的中心的距离为L、抛光层的直径为D，T的单位为℃。
9.根据权利要求8所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，冷却介质的温度T还满足下式要求：
公式（2）：T≤1500；
其中，多个冷却腔的圆形截面的面积之和对应计算圆形的平均直径得到所述冷却腔的平均直径d，抛光层的直径D， T的单位为℃。
10.根据权利要求1所述的抛光垫的制备方法，其特征在于，所述冷却腔的外壁涂布有润滑涂层。
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