CN111318956A - 聚氨酯研磨垫及其制造方法、及化学机械研磨装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种由一组成制成的聚氨酯研磨垫。该组成包括5～15wt％的MBCA、25～45wt％的异氰酸酯、45～55wt％的多元醇以及1～5wt％的导电添加剂。导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维以及铝颗粒或任意几者的组分的组合。

Description

聚氨酯研磨垫及其制造方法、及化学机械研磨装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月13日提交的第62/778994号美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体涉及一种聚氨酯研磨垫。更具体而言，本公开涉及一种具有导电材料的聚氨酯研磨垫，可使垫表面为可导电的并且去除晶圆表面上积聚的静电荷。

背景技术

化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)是通过在受控的温度、压力和化学成分条件下，将半导体晶圆抵靠在旋转研磨表面上或者将晶圆相对于研磨表面旋转来完成的。研磨表面可以是由柔软的多孔材料(例如发泡聚氨酯)形成的平面状的垫。在CMP期间，研磨表面用具有化学活性和研磨性的水性浆料润湿。水性浆料可以是酸性或碱性的，通常包括磨料颗粒、反应性化学试剂(诸如过渡金属螯合盐或氧化剂)以及助剂(诸如溶剂、缓冲剂和/或钝化剂)。具体而言，化学蚀刻通过浆料中的反应性化学试剂执行，而机械研磨通过磨料颗粒与CMP垫的配合执行。

在CMP过程中，特别是在使具有金属层的晶圆平坦化的过程中，由于晶圆和CMP垫之间的摩擦，导致静电荷趋于积聚在晶圆表面上。静电荷被认为是导致产量降低的因素，并可能导致电路短路和/或引起缺陷。集中在晶圆表面上特定区域中的静电荷也可能导致局部不规则性，这可能会影响平坦化过程的选择性或均匀性。

因此，仍然需要提供一种克服上述问题的CMP装置、其包括的聚氨酯研磨垫及研磨垫的制造方法。

发明内容

鉴于上述内容，本公开的目的在于提供一种具有导电材料的聚氨酯研磨垫，使得垫表面为可导电的并且去除晶圆表面上积聚的静电荷。

为了实现上述目的，本公开的实施方式提供了一种用于制造聚氨酯研磨垫的组成。该组成包括5至15重量百分比(wt％)的MBCA，25～45wt％的异氰酸酯，45～55wt％的多元醇，以及1～5wt％的导电添加剂。导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维以及铝颗粒的组。

为了实现上述目的，本公开的另一种实施方式提供了一种由组成制成的聚氨酯研磨垫。组成包括5～15wt％的MBCA，25～45wt％的异氰酸酯，45～55wt％的多元醇，以及1～5wt％的导电添加剂。导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维以及铝颗粒的组。

为了实现上述目的，本公开的另一种实施方式提供了一种制造聚氨酯研磨垫的方法。方法包括步骤S201至S203。在步骤S201中，提供了一种制造聚氨酯研磨垫的组成。组成该组成可以参考之前的实施方式。组成该组成包括5～15wt％的MBCA，25～45wt％的异氰酸酯，45～55wt％的多元醇，以及1～5wt％的导电添加剂。导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维以及铝颗粒的组。在步骤S202中，组成浇注成敞模。在步骤203中，加热组成该组成以固化并产生聚氨酯树脂泡沫。

为了实现上述目的，本公开的又一种实施方式提供了一种用于研磨晶圆的CMP装置。CMP装置包括平台、固定环和研磨头。平台具有用于通过浆料研磨晶圆的研磨垫。研磨垫是聚氨酯研磨垫，由包括以下的组分组成制成：5～15wt％的MBCA，25～45wt％的异氰酸酯，45～55wt％的多元醇，以及1～5wt％的导电添加剂。导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维以及铝颗粒的组。固定环配置成固定住晶圆。研磨头连接至固定环并且配置成旋转固定环。

如上所述，本公开的实施方式中的聚氨酯研磨垫是由具有聚氨酯预聚物和导电添加剂的组分组成制成的。研磨垫中的导电材料可使垫表面为可导电的并且去除积聚在晶圆表面上的静电荷。因此，可以减少由静电荷引起的电路短路和/或晶圆缺陷。

附图说明

现在将参考附图，仅通过示例的方式描述本技术的实施。

图1是根据本公开的一实施方式的CMP装置的示意图。

图2是根据本公开的另一实施方式的用于制造聚氨酯研磨垫的方法的流程图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更充分地描述本公开，在附图中示出了本公开的示例性实施方式。然而，本公开可以以许多不同的形式来实现，并且不应被理解为限于本文所述的示例性实施方式。相反，提供这些示例性实施方式使得本公开变得透彻且完整，并向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在全文中，相同的附图标记指代相同的元件。

本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施方式，而非旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解，在本文中使用时，术语“包括”、“包含”或“具有”指定存在所述特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

将理解的是，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项的任何和全部组合。还应理解，尽管术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描述各种元件、组件、区域、部件和/或部分，但是这些元件、组件、区域、部件和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、部件或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分进行区分。因此，在不脱离本公开的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、部件或部分可能被称为第二元件、组件、区域、层或部分。

除非另有说明，否则本文中使用的全部术语(包括科技术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同。还将理解的是，术语(诸如在常用词典中定义的术语)应被解释为其含义与其在相关领域和本公开的上下文中的含义一致，并且将不在理想化或过于正式的意义上来解释，除非本文这样明确指出。

将结合附图1至2对本公开的示例性实施方式进行描述。将参照附图对本公开进行详细描述，其中所描绘的元件不必按比例示出，并且其中相同或相似的元件通过几幅视图中相同或相似的附图标记或者相同或相似的术语表示。

下文将结合附图进一步描述本公开。

参考图1，其示出了CMP装置的示意图。CMP装置100包括研磨头130和固定环120。半导体晶圆S1固定在固定环120中。软垫(图未示)设置在固定环120与晶圆S1之间，晶圆S1可利用部分真空或者粘合剂抵靠在软垫上。研磨头130设置成通过驱动马达140沿一方向141持续旋转，并且可选地沿一方向142横向往复运动。因此，晶圆S1的旋转和横向的组合运动旨在降低晶圆S1表面上的材料去除速率的差异。CMP装置100还包括沿着方向112旋转的平台110。研磨垫111安装在平台110上。与晶圆S1相比，平台110具有较大的表面积，以容纳固定环120上的晶圆S1在研磨垫111表面上的平移运动。供应管151安装在平台110上方，以输送研磨浆153流，研磨浆153从管151的喷嘴152滴到研磨垫111的表面上。研磨浆153可以从储存槽或容器(未示出)重力供给，或以其他方式泵送通过供应管151。或者，可以从平台110的下方供应研磨浆153，使得研磨浆向上流经研磨垫111的底面。在另一种实施方式中，研磨浆可以通过设置在固定环120中的喷嘴在固定环120中供应。如果研磨浆153中的颗粒形成不需要的大颗粒的团聚，当对晶圆S1进行研磨时，晶圆表面会被划伤。因此，需要对研磨浆153进行过滤，以去除不需要的大颗粒。通常，过滤器组件154联接至供应管151，以分离团聚的或过大的颗粒。

在一种实施方式中，研磨垫111是抗静电研磨垫。本实施方式的抗静电研磨垫是包括导电材料的聚氨酯研磨垫。导电材料可使垫表面为可导电的并且去除积聚在晶圆表面上的静电荷。

聚氨酯研磨垫由包括以下成分的组成制成：多种聚氨酯预聚物，以及交联聚氨酯预聚物的固化剂(或硬化剂)。聚氨酯预聚物通过多元醇(例如，聚醚和/或聚酯多元醇)与双官能或多官能异氰酸酯反应形成。用于制备聚氨酯预聚物的异氰酸酯可以是亚甲基二苯基二异氰酸酯(Methylene Diphenyl Diisocyanate，简称MDI)和/或甲苯二异氰酸酯(Toluene Diisocyanate，简称TDI)。组成中的固化剂可以是用于交联聚氨酯预聚物从而进行固化或硬化的化合物或化合物的混合物。具体而言，固化剂与异氰酸酯反应，导致聚氨酯预聚物的链连结在一起形成聚氨酯。固化剂可以包括4,4'-亚甲基-双(2-氯苯胺)(4,4′-methylene-bis(2-chloroaniline)，简称MBCA；也称作商标名

)。在一种实施方式中，组成包括5～15wt％的MBCA，25～45wt％的异氰酸酯，45～55wt％的多元醇，以及1～5wt％的导电添加剂的导电添加剂。导电添加剂选自炭黑、碳纤维和铝颗粒中的至少一种(即，导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维和铝颗粒的组)。导电添加剂也可以是其他导电纳米颗粒，例如碳纳米颗粒或碳纳米管。铝颗粒可以是铝球颗粒。

优选地，导电添加剂的电导率为1至30毫西门子/厘米(mS/cm),Zeta电位为-200至100毫伏(mV)。组成的异氰酸酯包括TDI和MDI。组成包括25～35wt％的TDI以及4～10wt％的MDI。多元醇是聚(四亚甲基醚)二醇(Poly(tetramethylene ether)glycol,简称PTMG)。此外，组成中的预聚物通常以预聚物中存在的未反应的异氰酸酯基的重量百分比(NCO％)为特征。在一种实施方式中，组成的NCO百分比在0.1至10重量百分比的范围内。

不同重量百分比的固化剂可能导致所得的聚氨酯研磨垫的硬度不同。在一种实施方式中，组成包括5～15wt％的MBCA；聚氨酯研磨垫的硬度约为60肖氏硬度D(Shore D)。用于制造聚氨酯研磨垫的组成还可以包括其他成分，例如表面活性剂、填料、催化剂、加工助剂、抗氧化剂、稳定剂和/或润滑剂。

参照图2，其示出了根据另一种实施方式的制造聚氨酯研磨垫的方法的流程图。如图2所示，方法S200包括步骤S201至S203。在步骤S201中，提供了一种制造聚氨酯研磨垫的组成。该组成可以参考之前的实施方式。该组成可以包括5～15wt％的MBCA，25～45wt％的异氰酸酯，45～55wt％的多元醇，以及1～5wt％的导电添加剂。该组成中的导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维以及铝颗粒中的至少一种。在步骤S202中，该组成浇注成敞模。例如，敞模是盘式敞模。在步骤203中，加热该组成以固化并产生聚氨酯树脂泡沫。在一种实施方式中，将该组成加热至90至150摄氏度(℃)并保持5至10小时以进行固化。然后将聚氨酯树脂泡沫切成所需厚度的研磨垫。

在又一种实施方式中，本公开还提供了一种用于研磨晶圆的CMP装置。CMP装置可以参考图1中的CMP装置100。CMP装置100包括平台110、固定环120、研磨头130以及供应管151。平台110具有研磨垫111，研磨垫111用于通过浆料153对晶圆S1进行研磨。固定环120配置成固定住晶圆S1。研磨头130连接至固定环120并且配置成旋转固定环120。供应管151配置成将浆料153提供给平台110的研磨垫111。CMP装置100还包括连接至研磨头130的驱动马达140，以及连接至供应管151的过滤器组件154。驱动马达140沿一方向141旋转研磨头130，并且可选地沿一方向142横向往复运动。过滤器组件154配置成对浆液153中较大的颗粒(例如，团聚的颗粒)进行过滤，以防止在晶圆S1的表面上引起缺陷。

平台110的研磨垫111是由组成制成的聚氨酯研磨垫。组成可以参考之前的实施方式。组成包括5～15wt％的MBCA、25～45wt％的异氰酸酯、45～55wt％的多元醇以及1～5wt％的导电添加剂。组成中的导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维以及铝颗粒中的至少一种。组成和制造方法的细节可以参照之前的实施方式，在此不再赘述。

如上所述，本公开的实施方式中的聚氨酯研磨垫是由具有聚氨酯预聚物和导电添加剂的组成制成的。研磨垫中的导电材料可使垫表面为可导电的并且去除积聚在晶圆表面上的静电荷。因此，可以减少由静电荷引起的电路短路和/或晶圆缺陷。

以上示出和描述的实施方式仅是示例而已。在本领域中经常发现许多细节，例如聚氨酯研磨垫及制造其的组成的其他特征。因此，没有示出或描述很多这样的细节。虽然在前面的描述中已经陈述了本技术的许多特征和优点，以及本公开的结构和功能的细节，但是本公开仅是说明性的，并且可以在本公开的原则范围内对细节进行变化，尤其是部件的形状、尺寸和布置等事项，达到并包括由权利要求中所使用的术语的广泛普遍含义所确定的完整范围。因此，应当理解，可以在权利要求的范围内修改上述实施方式。

Claims (10)

1.一种聚氨酯研磨垫，所述聚氨酯研磨垫由组成制造而成，所述组成包括：

5～15重量百分比(wt％)的4,4'-亚甲基-双(2-氯苯胺)(MBCA)；

25～45wt％的异氰酸酯；

45～55wt％的多元醇；以及

1～5wt％的导电添加剂，其中，所述导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维、铝颗粒或任意几者的组分的组合。

2.如权利要求1所述的聚氨酯研磨垫，其特征在于，

所述组成中的所述导电添加剂的电导率在1至30mS/cm的范围内，所述导电添加剂的Zeta电位在-200至100mV的范围内。

3.如权利要求1所述的聚氨酯研磨垫，其特征在于，

所述组成中的所述异氰酸酯包括甲苯二异氰酸酯(TDI)以及亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)，所述组成包括25～35wt％的TDI和4～10wt％的MDI，所述多元醇是聚(四亚甲基醚)二醇(PTMG)。

4.如权利要求1所述的聚氨酯研磨垫，其特征在于，

所述组成具有的未反应的异氰酸酯基的重量百分比(NCO％)在0.1～10wt％的范围内。

5.一种制造聚氨酯研磨垫的方法，其特征在于，包括：

提供一种用于制造聚氨酯研磨垫的组成，其中，所述组成包括：

5～15wt％的MBCA；

25～45wt％的异氰酸酯；

45～55wt％的多元醇；以及

1～5wt％的导电添加剂，其中，所述导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维、铝颗粒或任意几者的组分的组合；

将所述组成浇注成敞模；以及

加热所述组成以固化所述组成并产生聚氨酯树脂泡沫。

6.如权利要求5所述的制造聚氨酯研磨垫的方法，其特征在于，

所述组成中的所述导电添加剂的电导率在1至30mS/cm的范围内，所述组成中的所述导电添加剂的Zeta电位在-200至100mV的范围内。

7.如权利要求5所述的制造聚氨酯研磨垫的方法，其特征在于，

所述组成中的所述异氰酸酯包括TDI以及MDI，所述组成包括25～35wt％的TDI和4～10wt％的MDI，所述组成中的所述多元醇是PTMG。

8.如权利要求5所述的制造聚氨酯研磨垫的方法，其特征在于，

所述组成的NCO％在0.1～10wt％的范围内。

9.如权利要求5所述的制造聚氨酯研磨垫的方法，其特征在于，

所述组成被加热至90至150摄氏度范围内的温度，以用于固化。

10.一种用于研磨晶圆的化学机械研磨(CMP)装置，包括：

平台，具有用于通过浆料研磨所述晶圆的研磨垫，其特征在于，

所述研磨垫是由包括以下物质的组成制成的聚氨酯研磨垫：

5～15wt％的MBCA；

25～45wt％的异氰酸酯；

45～55wt％的多元醇；以及

1～5wt％的导电添加剂，其中，所述导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维、铝颗粒或任意几者的组分的组合；

固定环，配置成固定所述晶圆，以及

研磨头，连接至所述固定环并且配置成旋转所述固定环。

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