CN111318957A - 聚氨酯研磨垫及其制造方法、及化学机械研磨装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种用于制造聚氨酯研磨垫的组成物。该组成物包括5～15wt％的MBCA、25～45wt％的异氰酸酯、45～55wt％的多元醇、5～35wt％的EOPO以及1～5wt％的添加剂。由本公开的组成物制成的聚氨酯研磨垫的硬度在40至70肖氏硬度D的范围内，伸长率在200％至400％的范围内，密度在0.7至0.9g/cc的范围内，模量在25000至40000kg/cm2的范围内，以及拉伸应力在120至320kg/cm2的范围内。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月14日提交的第62/779493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
本公开总体上涉及一种聚氨酯研磨垫。更具体而言，本公开涉及一种延长的垫寿命且针对研磨过程去除率提高的聚氨酯研磨垫。
背景技术
化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)过程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)形成的平面状的研磨垫。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。
研磨垫的硬度可能对研磨过程的性能产生不同的影响。磨损率低(即，延长的垫寿命)的软研磨垫对晶圆表面的去除率低。另一方面，对晶圆表面具有高去除率的硬研磨垫可能具有较高的磨损率和缩短的垫寿命。期望有一种磨损率低且去除率高的研磨垫，以改善研磨过程的性能并且同时延长垫的寿命。
发明内容
鉴于上述内容，本公开的目的在于提供一种去除率提高且垫寿命延长的聚氨酯研磨垫。
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物。该组成物包括15至25重量百分比(wt％)的4,4'-亚甲基-双(2-氯苯胺)(4,4’-Methylene-bis(2-Chloroaniline)，简称MBCA)、25～45wt％的异氰酸酯、45～55wt％的多元醇、5～35wt％的环氧乙烷环氧丙烷共聚醇(Ethylene Oxide Propylene OxideCopolyol,简称EOPO)以及1～5wt％的添加剂。
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物制成的聚氨酯研磨垫。组成物包括5～15wt％的MBCA、25～45wt％的异氰酸酯、45～55wt％的多元醇、5～35wt％的EOPO以及1～5wt％的添加剂。由本公开的组成物制成的聚氨酯研磨垫的硬度在40至70肖氏硬度D(shore D)的范围内，伸长率在200％至400％的范围内，密度在0.7至0.9g/cc的范围内，模量在25000至40000kg/cm2的范围内，以及拉伸应力在120至320kg/cm2的范围内。
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。该方法包括步骤S301至S303。在步骤S301中，提供了一种制造聚氨酯研磨垫的组成物。组成物包括5～15wt％的MBCA、25～45wt％的异氰酸酯、45～55wt％的多元醇、5～35wt％的EOPO以及1～5wt％的添加剂。在步骤S302中，组成物浇注成敞模。在步骤S303中，加热组成物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，由包括以下成分的组成物制成：5～15wt％的MBCA、25～45wt％的异氰酸酯、45～55wt％的多元醇、5～35wt％的EOPO以及1～5wt％的添加剂。由本公开的组成物制成的聚氨酯研磨垫的硬度在40至70肖氏硬度D的范围内，伸长率在200％至400％的范围内，密度在0.7至0.9g/cc的范围内，模量在25000至40000kg/cm2的范围内，以及拉伸应力在120至320kg/cm2的范围内。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包括作为预聚物的EOPO的组成物制成的。本公开的聚氨酯研磨垫的伸长率高，并且硬度高。因此，聚氨酯研磨垫提高了研磨过程的去除率，延长了垫寿命。
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是根据本公开的实施方式的CMP装置的示意图。
图2至图5是示出根据本公开的各种实施方式的EOPO的化学结构的示意图。
图6是根据本公开的另一种实施方式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(包括技术和科学术语)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3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，并且可以沿一方向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表面上的材料去除率的差异。CMP装置100还包括沿着112标记的方向旋转的平台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聚集，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，以分离团聚或过大的颗粒。
研磨垫111是聚氨酯研磨垫。本公开的实施方式中的聚氨酯研磨垫由包括以下成分的组成物制成：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，聚醚多元醇和/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(MethyleneDiphenyl Diisocyanate，简称MDI)和/或甲苯二异氰酸酯(Toluene Diisocyanate，简称TDI)。组成物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，导致氨基甲酸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)(MBCA；也称作商标名
)。
在一种实施方式中，组成物包括15～25wt％的MBCA、25～45wt％的异氰酸酯、15～45wt％的多元醇以及5～35wt％的EOPO。优选地，异氰酸酯包括TDI和MDI中的至少一种。多元醇是聚(四亚甲基醚)二醇(Poly(tetramethylene ether)glycol，简称PTMG)。本公开的实施方式中的EOPO在组成物中用作预聚物。EOPO是由环氧乙烷和环氧丙烷聚合形成的共聚物。优选地，组成物包括10～25wt％的EOPO。参考图2和图3，其示出了EOPO的化学结构的各种实施方式。在如图2所示的一种实施方式中，本公开的实施方式中的EOPO是具有OH-(CH2-CH2-O-CH2-CH(CH3)-O)k-H化学结构的环氧乙烷(EO)和环氧丙烷(PO)的交替共聚醇，其中，k在5至200的范围内。在如图3所示的另一种实施方式中，本公开的实施方式中的EOPO是具有OH-(CH2-CH2-O)m-(CH2-CH(CH3)-O)n-H化学结构的嵌段共聚醇，其中，m在2到150的范围内，n在2到150的范围内。在如图4所示的再一种实施方式中，本公开的实施方式中的EOPO是具有OH-(CH2-CH2-O)a-(CH2-CH(CH3)-O)b-(CH2-CH2-O)c-H化学结构的嵌段共聚醇，其中，a、b、c在2至80的范围内。在如图5所示的又一种实施方式中，本公开的实施方式中的EOPO是OH-(CH2-CH(CH3)-O)x-(CH2-CH2-O)y-(CH2-CH(CH3)-O)z-H化学结构的嵌段共聚醇，其中，x、y、z在2至80的范围内。
本公开的实施方式中的组成物还可以包括1至5重量百分比的添加剂。添加剂选自表面活性剂、填料、催化剂、加工助剂、抗氧化剂、稳定剂、润滑剂以及导电添加剂中的至少一种。导电添加剂可以选自炭黑、碳纤维以及氧化铝颗粒中的至少一种。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。氧化铝颗粒可以是氧化铝球颗粒。优选地，导电添加剂的电导率为1至30mS/cm，Zeta电位为-200至100mV。
此外，组成物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，组成物的NCO百分比在0.1～10wt％，优选8.5～9.2wt％的范围内。
由本公开的实施方式中的组成物制成的聚氨酯研磨垫的硬度在40至70肖氏硬度D(优选50至70肖氏硬度D)的范围内，伸长率在200％至400％(优选250％至350％)的范围内，密度在0.7至0.9g/cc的范围内，模量在25000至40000kg/cm2的范围内，以及拉伸应力在120至320kg/cm2的范围内。本公开的实施方式中的聚氨酯研磨垫的伸长率高，并且硬度高。因此，聚氨酯研磨垫提高了研磨过程的去除率，延长了垫寿命。
参考图6，其示出了根据另一种实施方式制造聚氨酯研磨垫的方法的流程图。如图6所示，方法S300包括步骤S301至S303。在步骤S301中，提供了一种制造聚氨酯研磨垫的组成物。组成物可以参考之前的实施方式。组成物包括5～15wt％的MBCA、25～45wt％的异氰酸酯、45～55wt％的多元醇、5～35wt％的EOPO以及1～5wt％的添加剂。优选地，异氰酸酯包括TDI和MDI中的至少一种。多元醇是聚(四亚甲基醚)二醇(PTMG)。在步骤S302中，组成物浇注成敞模。例如，敞模是盘式敞模。在步骤S303中，加热组成物以固化并产生聚氨酯树脂泡沫。在一种实施方式中，将组成物加热至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和形状的各种研磨垫。由本公开的实施方式中的组成物制成的聚氨酯研磨垫的硬度在40至70肖氏硬度D(优选50至70肖氏硬度D)的范围内，伸长率在200％至400％(优选250％至350％)的范围内，密度在0.7至0.9g/cc的范围内，模量在25000至40000kg/cm2的范围内，以及拉伸应力在120至320kg/cm2的范围内。本公开的实施方式中的聚氨酯研磨垫的伸长率高，并且硬度高。因此，聚氨酯研磨垫提高了研磨过程的去除率，延长了垫寿命。
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装置可以称作图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，此外可以沿一方向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，以防止晶圆S1表面上的缺陷。
平台110的研磨垫111是由一组成物制成的聚氨酯研磨垫。该组成物包括5～15wt％的MBCA、25～45wt％的异氰酸酯、45～55wt％的多元醇、5～35wt％的EOPO以及1～5wt％的添加剂。优选地，异氰酸酯包括TDI和MDI中的至少一种。多元醇是聚(四亚甲基醚)二醇(PTMG)。由本公开的实施方式中的组成物制成的聚氨酯研磨垫的硬度在40至70肖氏硬度D(优选50至70肖氏硬度D)的范围内，伸长率在200％至400％(优选250％至350％)的范围内，密度在0.7至0.9g/cc的范围内，模量在25000至40000kg/cm2的范围内，以及拉伸应力在120至320kg/cm2的范围内。组成物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包括作为预聚物的EOPO的组成物制成的。本公开的实施方式中的聚氨酯研磨垫的伸长率高，并且硬度高。因此，聚氨酯研磨垫提高了研磨过程的去除率，延长了垫寿命。
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物的其他特征。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物制造而成，其特征在于，所述组成物包括：
15～25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；
15～45wt％的多元醇；
5～35wt％的环氧乙烷环氧丙烷共聚醇(EOPO)；以及
1～5wt％的添加剂。
2.如权利要求1所述的聚氨酯研磨垫，其特征在于，
所述组成物进一步包括10～25wt％的EOPO。
3.如权利要求1所述的聚氨酯研磨垫，其特征在于，
所述组成物的所述添加剂选自包括表面活性剂、填料、催化剂、加工助剂、抗氧化剂、稳定剂、润滑剂、导电添加剂或任意几者的组。
4.如权利要求3所述的聚氨酯研磨垫，其特征在于，所述导电添加剂选自包括炭黑、碳纤维和铝颗粒的组。
5.如权利要求1所述的聚氨酯研磨垫，其特征在于，
所述组成物的所述异氰酸酯包括甲苯二异氰酸酯(TDI)和亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)中的至少一种。
6.如权利要求1所述的聚氨酯研磨垫，其特征在于，
所述组合物的所述多元醇是聚(四亚甲基醚)二醇(PTMG)。
7.如权利要求1所述的聚氨酯研磨垫，其特征在于，
所述聚氨酯研磨垫的硬度在40至70肖氏硬度D的范围内，伸长率在200％至400％的范围内，密度在0.7至0.9g/cc的范围内，模量在25000至40000kg/cm2的范围内，以及拉伸应力在120至320kg/cm2的范围内。
8.一种制造聚氨酯研磨垫的方法，包括：
提供一种用于制造研磨垫的组成物，其特征在于，所述组成物包括：
15～25wt％的MBCA；
25～45wt％的异氰酸酯；
15～45wt％的多元醇；
5～35wt％的EOPO；以及
1～5wt％的添加剂；
将所述组成物浇注成敞模；以及
加热所述组成物以固化所述组成物并产生聚氨酯树脂泡沫。
9.一种化学机械研磨(CMP)装置，所述CMP装置用于研磨晶圆，其特征在于，所述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，其中，所述研磨垫是由包括以下物质的组成物制成的聚氨酯研磨垫：
15～25wt％的MBCA；
25～45wt％的异氰酸酯；
15～45wt％的多元醇；
5～35wt％的EOPO；以及
1～5wt％的添加剂；
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。
10.如权利要求9所述的CMP装置，其特征在于，还包括：
供应管，所述供应管配置成将所述浆料供应给所述研磨垫；
驱动马达，所述驱动马达连接至所述研磨头并且配置成旋转所述研磨头。
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