CN116262329A - 一种抛光垫 - Google Patents

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张季平
高越
刘敏
梅黎黎
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Abstract

本发明涉及抛光垫，所述抛光垫包括聚氨酯抛光层，所述聚氨酯抛光层中包含有复合金属氧化物微单元，所述聚氨酯抛光层是原料组合的反应产物，所述原料组合包括多官能异氰酸酯与多元醇反应所得的异氰酸酯封端的预聚物、中空微球聚合物以及固化剂，本发明中通过严格控制中空微球聚合物的尺寸及尺寸分布，制备的抛光垫表现出了良好的理化特性，且具有适当的粗糙度和适量的金属元素含量，表现出良好抛光性能。

Description

一种抛光垫
技术领域
本发明涉及化学机械平面化处理的抛光技术领域，具体而言，涉及一种抛光垫。
背景技术
随着集成电路的特征尺寸向着深纳米制程的发展过程中，特征尺寸越来越小，CMP制程带来的缺陷，在先进制程中变得越来越突出，甚至达到了严重影响芯片性能的程度。为此，作为CMP制程四大核心材料之一的抛光垫，追求其性能的极致是抛光垫研发中的永恒话题。对于抛光垫的性能指标，趋于极致的稳定性和均一性在CMP领域得到了越来越多的共识。对于抛光垫的稳定性与均一性的要求，从不同批次之间、同一批次的不同片抛光垫之间的宏观指标诸如密度、硬度、压缩比、压缩回复率的稳定与均一，逐渐提升至同一抛光垫的不同位置间，乃至于分子结构的规整性趋于稳定与均一。
中国专利CN107553313B、CN108047420A、CN109015342A、WO2019042428A1以及CN109824854A从配方角度，阐述了通过控制放热、控制微球膨胀以及引入新的低放热预聚物方面获得均一性更好的抛光垫，有效地缓解了不同批次/片次抛光垫的差异，不同片抛光垫之间的宏观指标诸如硬度、密度、压缩比、压缩回复率更加的稳定与均一，在应用评价中获得了更好的抛光性能。然而随着抛光制程的精细化，某些特殊制程对抛光垫提出了更加严格的要求，例如某些STI制程抛光中，采用了特殊的CeO2抛光液，其在抛光过程中对抛光垫表面粗糙度提出近乎苛刻的要求，因为其抛光速率与抛光垫表面粗糙度呈现严重的正向相关，过高或者过低的粗糙度均会导致制程控制超出管控范围。
从抛光垫的制备来说，影响粗糙度的因素分为两个方面，材料以及加工工艺，材料方面主要为形成抛光垫的预聚物、固化剂以及造孔剂；而加工工艺主要影响抛光垫初始粗糙度，然而在抛光之前，均会对抛光垫表面进行处理，目的便是消除初始粗糙度差异，并且保持一个粗糙的表面，在抛光工艺确定后，能够决定抛光垫表面粗糙度的主要还是由抛光垫材料。预聚物与固化剂两者相互反应形成抛光垫基材，而造孔剂则将基材隔断形成不同的孔隙，理论上来说表面粗糙度的决定性因素为造孔剂，造孔剂形成的孔径越大，粗糙度也会越大，孔径越小，粗糙度则越小，传统抛光垫制备过程中使用的造孔方法是使用微球发泡，但是选自供应商的微球D50范围难以得到保障，且不同批次产品D50范围波动较大，导致不同批次微球生产的抛光垫在实际使用过程中产生了较大的性能波动。此外，由于微球制备过程中缺少对产品金属含量的特殊控制，导致微球中金属含量超标，金属氧化物颗粒较大等问题，抛光中造成半导体器件的划伤等缺陷。
因此，如何控制微球中金属元素含量及金属氧化物尺寸，如何在一张抛光垫不同使用寿命时期以及不同抛光垫之间维持适当且稳定的粗糙度以及较高的去除速率成了一个迫切需要解决的课题。
发明内容
本发明将购自供应商的微球进行了进一步处理，将微球粒径及分布范围控制在较窄的范围内的同时，通过控制抛光垫中的金属含量，以及金属氧化物的尺寸，将其制备成抛光垫，得到了抛光性能及其稳定的产品。
本发明提供一种抛光垫，包括聚氨酯抛光层，所述聚氨酯抛光层中包含有复合金属氧化物微单元，所述聚氨酯抛光层是原料组合的反应产物，所述原料组合包括多官能异氰酸酯与多元醇反应所得的异氰酸酯封端的预聚物、中空微球聚合物以及固化剂，所述复合金属氧化物微单元包含两种或两种以上金属元素；
进一步的，所述金属元素包含碱土金属元素、硼族金属元素、以及过渡金属元素，所述复合金属氧化物微单元中的碱土金属元素包含镁元素和钙元素中的至少一种，所述硼族金属元素包含铝元素，所述过渡金属元素包含铁元素和铬元素中的至少一种；
进一步的，所述复合金属氧化物微单元中各金属元素的含量满足以下条件：铝元素的含量不超过50ppm，铁元素的含量不超过70ppm，铬元素的含量不超过100ppm，镁元素的含量不超过50ppm，钙元素的含量不超过150ppm；
进一步的，所述复合金属氧化物微单元中各金属元素的含量满足以下条件：铝元素的含量不低于10ppm，铁元素的含量不低于10ppm，铬元素的含量不低于15ppm，镁元素的含量不低于10ppm，钙元素的含量不低于30ppm；
进一步的，所述复合金属氧化物微单元中钙元素、镁元素、铝元素的含量比为1～20：2～10：1～9，铁元素和铬元素的含量比为0.2～10：0.5～20；
进一步的，所述复合金属氧化物微单元的粒径为10μm～60μm；
进一步的，所述中空微球聚合物经过分级设备进行分级处理；
进一步的，所述分级设备包括第一分级区域，所述第一分级区域内包含有至少一个下分级叶轮(7)，所述下分级叶轮(7)顶部设置有第一引风机(10)，所述第一分级区域内包含有中级物料存储室(12)，所述中级物料存储室(12)与第一引风机(10)通过管连接，所述第一分级区域底部包含下级物料存储室(13)，所述第一分级区域底部设置有磁性部件(9)；
进一步的，包括第二分级区域，所述第二分级区域与第一分级区域通过管相连，所述第二分级区域包含有至少两个上分级叶轮(2)，所述上分级叶轮(2)设置于第二分级区域的分级管路侧壁，且所述上分级叶轮(2)的旋转主轴与分级管路侧壁呈60～90°，所述第二分级区域底部设置有二次进风口(6)，所述第二分级区域内设置有一个或多个第二引风机(3)，与第二引风机(3)通过管连接的还设置有一个或多个上级物料存储室(5)，所述上分级叶轮(2)表面设置有磁性材料；
进一步的，所述聚氨酯抛光层的密度为0.6～1.1g/cm3，邵氏硬度为15～80D，压缩比为0.1～3.0％，表面粗糙度Ra为1.5～30μm。
本发明的有益效果：
1、通过将中空微球聚合物粒径及粒径分布控制在较窄的范围内，所制备出的抛光垫产品重复性极好，抛光性能极其优异。
2、通过将中空微球聚合物粒径及粒径分布控制在较窄的范围内，可以实现对中空微球内部的复合金属氧化物微单元进行调控，可以实现对聚氨酯抛光垫表面粗糙度的调变，并且聚氨酯抛光层表面存在适量且颗粒粒径适当的复合金属氧化物微单元时，去除率保持良好，还可以有效减少抛光垫对被抛光材料的划伤。
3、对中空微球聚合物粒径控制的同时，可以对中空微球聚合物内部的金属元素含量进行调控，适当种类的复合金属氧化物微单元可以起到催化的效果，可以提高抛光垫的抛光性能和较低缺陷产生。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所涉及的分级设备的第一分级区域的剖面图；
图2为本发明所涉及的分级设备第二分级区域与第一分级区域组合的剖面图；
图3为本发明涉及的实施例中提供的抛光垫进行抛光作业过程示意图；
1-泵，2-上分级叶轮，3-第二引风机，4-上级物料出口，5-上级物料存储室，6-二次进风口，7-下分级叶轮，8-调隙锥，9-磁性部件，10-第一引风机，11-中级物料出口，12-中级物料存储室，13-下级物料存储室，14-待抛光材料，15-抛光垫，16-抛光机台，17-支架，18-抛光液。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明而不应该视为限制发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
整个说明书中，除非有特别说明，本文使用的属于应该理解为本领域中通常所使用的含义，因此除非有特殊定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所述技术人员的一般理解相同的含义，若有矛盾，以本说明书优先。
聚氨酯抛光层
通常，聚氨酯抛光层的制作工艺是将异氰酸酯封端的预聚物加热到一定的温度，使其具有一定的粘度，一般会加入中空微球聚合物调节产品密度，然后该混合物与固化剂混合，浇注形成聚氨酯浇注块，在一定条件下固化后形成聚氨酯材料块，然后切割具有一定厚度的薄片作为聚氨酯抛光层。
其中，聚氨酯是衍生自二官能团或多官能团异氰酸酯的产物，例如：聚醚脲，聚异氰脲酸酯，聚氨基甲酸酯、聚脲、聚氨酯脲中的两种以上的混合物或共聚物，此外可以通过化学成分调整，可以有效改善制作聚氨酯抛光层的抛光效果。
本发明中，聚氨酯抛光层包括多种原料反应生成的反应产物。所述的多种原料包括以下将详述的异氰酸酯封端的预聚物，固化剂，和可选的中空微球聚合物。较佳地，中空微球聚合物被混合于异氰酸酯封端的预聚物中，并使该混合物与固化剂混合后，进行固化反应。
本发明中，提供原料制备的聚氨酯抛光层具有以下理化特性：其中聚氨酯抛光层的密度为0.6～1.1g/cm3，优选的密度为0.72～0.75g/cm3，特别优选的密度为0.72～0.73g/cm3。
所获得聚氨酯抛光层的邵氏硬度为15～80D，优选的邵氏硬度为55～75D，特别优选的邵氏硬度为55～65D，当硬度大于80D时，聚氨酯抛光层具有很高的去除速率，但是随之而来的则是诸如划痕等缺陷过多的问题。而当硬度小于15D时，虽然能有效地降低缺陷率，但是去除速率却严重下降。而本发明的聚氨酯抛光层获得了缺陷率以及去除速率的良好平衡，在不增加缺陷率(甚至有所降低的情况下)显著增加了去除速率。
聚氨酯抛光层的压缩比为0.1～3.0％，优选压缩比为0.35～0.7％，特别优选压缩比为：0.4～0.6％。
聚氨酯抛光层表面粗糙度Ra为1.5～30μm，优选表面粗糙度Ra为1.5～14μm，特别优选表面粗糙度Ra为1.5～13.5μm，表面粗糙度低于1.5μm使得抛光效率较低，无法满足生产的需要，表面粗糙度Ra大于30μm使得聚氨酯抛光层的磨损量增加，寿命减少，而且可能会对被抛光面造成划伤。
中空微球聚合物
在聚氨酯抛光层制备工艺流程中，将中空微球聚合物均匀地分散在抛光层中，从而实现对聚氨酯抛光层的抛光效果的调整。
本发明中的术语“中空微球聚合物”是指一种可膨胀的中空聚合物微球体，下文中“中空微球聚合物”可表述为“微球”，可在固化过程中借助反应放热导致的温度升高而适度膨胀。通过调整中空微球聚合物在聚氨酯抛光层中分布方式(如密度)并结合调节中空微球聚合物的粒度，可以进一步调节抛光层的抛光性能。优选的，中空微球聚合物分散在抛光层中可使抛光层最终具有的孔隙率为10～40％，特别优选的，孔隙率为15～35％。
优选的，中空微球聚合物包括但不限于具有聚丙烯腈和聚丙烯腈共聚物外壁的囊状结构，可以采购自阿克苏诺贝尔公司、松本油脂制药株式会社或积水化学工业株式会社任一家公司的微球或微珠，特别优选的，阿克苏诺贝尔公司(Akzo Nobel)中空微球或松本微珠F系列。
需要说明的是，上述购自的中空微球聚合物仅为优选的众多中空微球聚合物中的一种，并非是对其的限定，在使用过程中可以选择本领域中可以满足聚氨酯抛光层制造的所有中空微球聚合物。
微球发泡制备而来的聚氨酯抛光层可以实现孔径的均一，孔径分布系数较低的特性，但是在采购自供应商的聚合物微球受到产品限制比较明显，标称的D50范围往往会产生较大的差异，例如购自阿克苏诺贝尔公司的牌号为551DE40D42的微球，其标称粒径为30-50μm，但是实测粒径会波动到20-55μm，即使能够达到标称值，其粒径波动也比较大，这就导致不同批次微球生产的抛光垫，物性参数的稳定性难以得到保障，以至于在实际使用过程中产生较大的性能波动。此外，由于商用微球并不专供半导体行业，导致其对产品中金属成分及金属含量没有特殊控制，并且具有较多异物及杂质，微球中具有较多诸如黑色、黄色、棕色的异物点，其成分包括诸如微球团聚形成的大颗粒、复合金属氧化物微单元等。由于因此本发明中对中空微球聚合物进行微球分级处理，可将其中的异物及杂质彻底去除，不仅控制其粒径和分布范围在较窄的范围内，还可以有效控制其中的金属含量，以及复合金属氧化物微单元的粒径，使用该中空微球聚合物制备出的抛光垫，粗糙度适当，具有较高的去除速率。
本发明实施例中提供一种分级设备，如图1所示，出于分级效率及分级粒径管控范围的考虑，第一分级区域内设置有至少一个下分级叶轮7，其中，下分级叶轮7顶部设置有第一引风机10，第一引风机10通过中级物料出口11与中级物料存储室12相连，用于吸引经过下分级叶轮7分级后的物料；在第一分级区域底部设置有下级物料存储室13，优选的，下级物料存储室13包含有磁性部件9，用于在此吸引中空微球聚合物中的金属成分，可选择的，该分级装置还包含有8调隙锥，位于下分级叶轮7的下方。
本发明中实施例中，分级叶轮的分级原理是根据相邻分级叶轮之间的相对间隙对物料进行分级，或者是根据分级叶轮本身的绝对间隙对物料进行分级，优选的，本发明实施例中选择使用分级叶轮本身的绝对间隙对中空微球聚合物进行分级，优选的下分级叶轮7叶片的绝对间隙为10～90μm。
上述磁性部件9可以是本领域常见的磁性部件，上述磁性部件9具有5000高斯到15000高斯的磁力，优选的，磁性部件9磁力为8000高斯到12000高斯，特别优选的，磁性部件9的磁力为8000高斯到9000高斯。
本发明中，优选的，还包含第二分级区域，其中第二分级区域可以为空的分级管路，不设置有任何分级叶轮和引风机，还可以包含多个分级叶轮及引风机。
本发明中，特别优选的，出于分级效能与经济性两方面考虑，如图2所示第二分级区域内包含有4个上分级叶轮2，其中，考虑到分级的高效性与设备安装的难易程度，本发明实施例中上分级叶轮2的旋转主轴与第二分级区域的分级管路侧壁呈90°，根据需要分级粒径的大小，第二分级区域中上分级叶轮2叶片的绝对间隙为10～90μm，为微球的充分分级考虑，本发明实施例中4个上分级叶轮2分别位于第二分级区域的分级管路侧壁两侧且呈交错排列，本发明实施例中与上分级叶轮2相连的还设置有4个第二引风机3，第二引风机3用于将分级后的物料通过上级物料出口4吸引到所述的上级物料存储室5；其中，第二分级区域底部设置有二次进风口6，用于将通过第二分级区域的中空微球聚合物吹入第一分级区域。
本发明实施例中所述的分级设备中分级管路可以为直线型，“S”型，“N”型中的一种或多种组合，出于设备成本及分级时间考虑，本发明实施例中分级管路为直线型。
上述磁性材料可以是本领域常见的磁性材料，可以吸引过渡金属氧化物即可，用于初步吸引中空微球聚合物中的过渡金属成分，上述磁性材料具有500高斯到10000高斯的磁力。
优选的，其中，第一分级区域可对粒径范围为20μm～50μm粒径的中空微球聚合物进行准确筛分，第二分级区域可对粒径范围为10μm～20μm粒径的中空微球聚合物进行准确筛分。
中空微球聚合物分级使用如图1所示的分级装置进行，打开分级装置，首先调节上分级叶轮2频率为25～90Hz，控制第二引风机3的频率20～80Hz，第二引风机3用于吸引中空微球聚合物至上级物料存储室5，该分级装置设置有两个上级物料存储室5，后再调节下分级叶轮7频率为10～80Hz，打开第一引风机10开关，控制第一引风机10的频率为20～80Hz，用于吸引通过下分级叶轮7的中空微球聚合物至中级物料存储室12，调节调隙锥8到合适角度，打开二次风进口6，随后将未分级的中空微球聚合物通过泵1输送入分级装置中，其中泵1的给料转速控制在10～70rps，经过微球分级后，取中级物料存储室12的物料，即为分级后的中空微球聚合物，优选的，在分级设备底部下级物料存储室13之下还设置有磁性部件9，用于再次吸引微球中的金属成分。
优选的，其中上分级叶轮2的频率为30～65Hz，特别优选的，上分级叶轮2的频率为50～65Hz；优选的下分级叶轮7的频率为10～45Hz，特别优选的，下分级叶轮7的频率为30～45Hz。
需要说明的是，分级后的中空微球聚合物可以是中级物料存储室所收集的物料，也可以是下级物料存储室所收集的物料。可以根据实际分级情况调节下分级叶轮7以及第一引风机10的频率，从而使得分级后的中空微球聚合物收集于中级物料存储室12或下级物料存储室13，优选的，本发明中选择下级物料存储室所收集的物料为分级后的中空微球聚合物。
本发明所述的聚氨酯抛光层中含有一定量的复合金属氧化物微单元，该复合金属氧化物微单元一般是由中空微球聚合物引入或者由制备过程中引入，大量复合金属氧化物微单元以及大颗粒金属氧化物微单元的存在可能会对被抛光物体造成损伤；我们在进行微球分级的同时，研究发现在分级之后的中空微球聚合物不仅可以使得其粒径分布均一且分布集中，而且可以有效控制中空微球聚合物中复合金属氧化物微单元的含量，将其控制在一定的范围内可以得到抛光性能更为优异的聚氨酯抛光层。
本发明中复合金属氧化物微单元包含两种或两种以上金属元素，所述金属元素包含碱土金属元素、硼族金属元素、以及过渡金属元素，其中碱土金属元素包含：铍、镁、钙、锶、钡元素；硼族金属元素包含：铝元素；过渡金属元素包含：铬、锰、铁、钴、镍元素；其中本发明实施例中所述的复合金属氧化物微单元包含铁、铝、镁、钙、铬元素中的两种或两种以上。
本发明实施例中复合金属氧化物微单元包含钙镁铝金属氧化物微单元或铁铬金属氧化物微单元中的至少一种，一定含量和适当粒径的钙镁铝金属氧化物微单元可以使得聚氨酯抛光层表面具有适当的粗糙度，有效提高研磨去除率，提高抛光垫的使用寿命，除此之外，本发明研究发现，一定量的铁铬金属氧化物微单元的存在可以与抛光液配合，达到一定的催化化学抛光效果，可以进一步的提高研磨去除率。
本发明实施例中钙镁铝金属氧化物微单元的通式为：CaaMgbAlbOx，其中a为2～4的整数，b为1～3的整数，x＝(2a+5b)/2；铁铬金属氧化物微单元的通式为：FecCrdOy，其中c为1～5的整数，d为2～8的整数，y＝(3c+3d)/2。
除此之外，中空微球聚合物中还包含有团聚的大颗粒钙镁金属氧化物，由于其颗粒较大，一般大于80μm，通过微球分级将其除去；中空微球聚合物中还存在有一定的亚铁成分存在，可以通过第二分级区域中的磁性材料进行过滤后去除。
经过微球分级后，上述复合金属氧化物微单元的平均粒径为10μm～60μm，优选的，复合金属氧化物微单元的平均粒径为36μm～47μm，特别优选的，复合金属氧化物微单元的平均粒径为40μm～45μm。
本发明中，经过微球分级后复合金属氧化物微单元中各金属元素的含量为铝元素的含量不超过50ppm，铁元素的含量不超过70ppm，铬元素的含量不超过100ppm，镁元素的含量不超过50ppm，钙元素的含量不超过150ppm。
本发明中，经过微球分级后复合金属氧化物微单元中各金属元素的含量满足以下条件：铝元素的含量不低于10ppm，铁元素的含量不低于10ppm，铬元素的含量不低于15ppm，镁元素的含量不低于10ppm，钙元素的含量不低于30ppm。
优选的，铝元素的含量为10～30ppm，特别优选的，铝元素的含量为20～30ppm。
优选的，铁元素的含量为10～60ppm，特别优选的，铁元素的含量为30～50ppm。
优选的，钙元素的含量为35～70ppm，特别优选的，钙元素的含量为55～70ppm。
优选的，镁元素的含量为10～30ppm，特别优选的，镁元素的含量为20～30ppm。
优选的，铬元素的含量为20～50ppm，特别优选的，铬元素的含量为35～50ppm。
进一步的，本发明中钙元素、镁元素、铝元素的含量比为1～20：2～10：1～9，铁元素和铬元素的含量比为0.2～10：0.5～20；优选的，钙元素、镁元素、铝元素的含量比为6～8：2～5：1～3，铁元素和铬元素的含量比为2～3：3～5，特别优选的，钙元素、镁元素、铝元素的含量比为6：2：2，铁元素和铬元素的含量比为3：3.5。
本发明实施例中选择上述分级装置对中空微球聚合物进行微球分级处理，通过对工艺参数的调变，控制微球中复合金属氧化物微单元颗粒粒径以及各金属元素含量，进一步的，实现控制聚氨酯抛光层中微球中复合金属氧化物微单元颗粒粒径以及各金属元素含量的目的。
异氰酸酯封端的预聚物
本发明中，异氰酸酯封端的预聚物由多官能异氰酸酯和聚醚类多元醇反应而得；优选的，预聚物具有两个-NCO基团封端；特别优选的，预聚物是基于聚醚的异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物。
其中，异氰酸酯封端的预聚物的制备原料中多官能异氰酸酯包括但不限于芳香族异氰酸酯、脂肪族异氰酸酯中的一种或两者组合。优选使用80摩尔％以上的芳香族异氰酸酯，更优选95摩尔％以上，特别优选100摩尔％。
芳香族异氰酸酯包括但不限于2,4-甲苯二异氰酸酯、2,6-甲苯二异氰酸酯、2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、间苯二异氰酸酯、对苯二亚甲基二异氰酸酯、间苯二亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种组合。
脂肪族异氰酸酯包括但不限于亚乙基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、1,6-六亚甲基二异氰酸酯、甲基亚环己基二异氰酸酯、1，4-环己烷二异氰酸酯、4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、降冰片烷二异氰酸酯中的一种或多种组合。
优选的，所述芳香族异氰酸酯包含2,4-甲苯二异氰酸酯、2,6-甲苯二异氰酸酯、2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种组合，所述脂肪族异氰酸酯包含4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、甲基亚环己基二异氰酸酯中的一种或多种组合。
特别优选的，芳香族异氰酸酯为2,4-甲苯二异氰酸酯，脂肪族异氰酸酯为4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯。
其中，异氰酸酯封端的预聚物的制备原料中，多元醇可以是基于高分子量的聚醚类多元醇。
优选的，聚醚类多元醇包括但不限于聚四亚甲基醚二醇(PTMEG)、聚丙二醇(PPG)、聚四亚甲基醚二醇-聚丙二醇中的任一种，或两种以上的共聚物，或两种以上的混合物。
可选择的，异氰酸酯封端的预聚物也可以是市售的基于聚醚与TDI和MDI反应所得预聚物；异氰酸酯封端的预聚物包括但不限于科聚亚(Chemtura)公司生产的系列预聚物LF800A、LF900A、LF910A、LF930A、LF931A、LF939A、LF950A、LF952A、LF600D、LF601D、LF650D、LF667D、LF700D、LF750D、LF751D、LF752D、LF753D、L325、LFG963A、LFG964A、LFG740D中的任意一种或多种组合。
本发明中，异氰酸酯封端的预聚物含有3.5～9.5wt％的未反应异氰酸基团-NCO；优选的，控制预聚物中未反应的-NCO含量在6.5～9.3wt％之间；特别优选的，未反应的-NCO含量在7.5～9.25wt％之间。
固化剂
本发明中固化剂选择芳香族双官能固化剂中的一种或多种组合，本发明对芳香族双官能固化剂无特别限定，可为本领域中任何合适的芳香族双官能固化剂。本领域技术人员可以根据具体需要进行适当选择。
本发明中可以使用的芳香族双官能固化剂的实例有：二乙基甲苯二胺(DETDA)、N,N’-二烷基二氨基二苯甲烷、3,5-二乙基-2,4-甲苯二胺及其异构体(例如,3,5-二乙基-2,6-甲苯二胺)、3,5-二甲硫基-2,4-甲苯二胺及其异构体、4,4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(MOCA)、4,4’-双-(仲丁基氨基)-二苯甲烷、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-2,6-二乙苯胺)(MCDEA)、聚氧化四亚甲基-二-对氨基苯甲酸酯；p,p’-亚甲基双苯胺(MDA)；间苯二胺(MPDA)；4,4’-亚甲基-二-(2,6-二乙基苯胺)(MDEA)、4,4’-亚甲基-二-(2,3-二氯苯胺)(MDCA)、4,4’-二氨基-3,3’-二乙基-5,5’-二甲基二苯甲烷、2,2’,3,3’-四氯二氨基二苯甲烷、丙二醇-二-对氨基苯甲酸酯中的多种组合，但不限于此。
优选的，固化剂包含4,4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(MOCA)、4,4’-双-(仲丁基氨基)-二苯甲烷、4,4’-亚甲基-双-(3-氯-2,6-二乙苯胺)(MCDEA)、聚氧化四亚甲基-二-对氨基苯甲酸酯中的两种或多种组合。考虑到MOCA独特的化学结构，为保证了抛光垫制备中具有合适的可操作时间，并且所得抛光垫具有良好的抛光性能，因此特别优选的，固化剂包含4,4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(MOCA)和4,4’-亚甲基-双-(3-氯-2,6-二乙苯胺)(MCDEA)的中的一种或组合。
其他添加剂
本发明中，聚氨酯抛光层中还可以添加适当的改性剂，以便获得更加优异的综合性能改进。
优选的，这些改性剂可改变聚氨酯抛光层的至少一个性质，上述性质包括但不限于以下各项构成的组：孔隙度、刚性、表面能量、抗磨性、传导性，以及化学功能。改性材料包括但不限于：抗氧化剂、多元醇等。
沟槽
本发明中，聚氨酯抛光层上可按本领域常规设有沟槽，沟槽用于在抛光过程中接收抛光液。沟槽可在所述抛光垫成型之后经加工获得。沟槽的设置能够确保抛光过程中所用的抛光液的平稳排放和流动。优选的，沟槽为同心沟槽(例如可以是环状或螺旋状的沟槽)、曲线沟槽、网格线沟槽、正多边形沟槽(例如，六边形、三角形)、和轮胎面型图案中的一种或多种。特别优选的，沟槽为环状沟槽、螺旋沟槽、X～Y网格沟槽、六边形沟槽、三角形沟槽和分形沟槽中的一种或多种。特别优选的，沟槽的横截面为直侧壁矩形、“V”形、“U”形和锯齿形中的一种或多种。
优选的，所述沟槽的宽度为0.1～0.6cm，特别优选的，所述沟槽的宽度为0.2～0.4cm。
缓冲层
本发明中，聚氨酯抛光层的背面还设有缓冲层，所述缓冲层能够减轻抛光过程中向所述抛光垫施加的冲击。
聚氨酯抛光层的制备方法
将液体状态的所述异氰酸酯封端的预聚物与经过微球分级后的中空微孔聚合物混合，真空脱气后得到第一产物；将第一产物在50℃下与所述固化剂在高速剪切下混合，得到第二产物，然后浇铸到圆形模具中，待固化冷却至室温后，切割为厚度2～3毫米的薄片即可得到聚氨酯抛光层；
制备过程中控制第二产物的温度，以使所述第一产物、所述固化剂的初始反应温度≤70℃，且反应峰值温度≤80℃。
抛光处理
采用具有上述抛光层的化学机械抛光垫进行抛光处理的示意图可参见图2，其中，抛光垫15被固定在抛光机台16上。待抛光材料14被固定在支架17上。抛光作用时，首先使抛光垫15在抛光机台的作用下进行旋转。然后，通过支架17将待抛光材料14以垂直于抛光垫15的方式靠近(由上至下)，支架在向下运动的同时进行旋转，且支架17的转动方向与抛光台16的转动方向一致，以使抛光垫15与待抛光材料14的转转动方向一致。在抛光的同时，向抛光垫15上喷洒抛光液18。
实施例
以下参考附图所示的示意性的示例，进一步说明本发明，通过以下说明，本发明的各方面优点将更加明显，附图中相同的附图标记指代相同的部件，示意性附图中各部件的形状和尺寸仅用于示意，并不能被公认体现了实际的形状、尺寸和绝对位置。
实施例1
本实施例提供了一种聚氨酯抛光层T1，其制作方法如下：
步骤一：微球分级处理
对D50＝40μm中空微球聚合物进行微球分级：本实施例中选择使用阿克苏诺贝尔公司的牌号为551DE40D42的微球，调节上分级叶轮频率为30Hz，后再调节下分级叶轮频率为20Hz，打开第一及第二引风机开关，控制第一及第二引风机的频率为50Hz，调节磁性部件9的磁力为8000高斯，随后将D50＝40μm中空微球聚合物通过泵输送入分级装置中，其中泵的给料转速控制在70rps，经过微球分级后，取下级物料存储室的物料，即为分级后的中空微球聚合物。
步骤二：异氰酸酯封端的预聚物的处理
将100质量份由2,4-甲苯二异氰酸酯和聚四氢呋喃反应所得的异氰酸酯封端的预聚物(含有未反应-NCO基团质量百分数为9.2％)升温至80℃，真空(～0.095MPa)下脱气2小时，以便将预聚物中的气体以及小分子化合物除去；然后加入2.45质量份的标准粒径D50＝40μm的经微球分级处理以后的中空微球聚合物，搅拌下使中空微球聚合物均匀地分散于预聚物中，真空(～0.095MPa)下再次脱气2小时，然后降温至50℃，待用。
步骤三、固化剂溶解
将25.5质量份的MOCA升温至115℃，使其完全熔化成澄清透明液体。
步骤四、采用固化剂对含有中空微球聚合物的预聚物进行固化
将预聚物与固化剂在高速剪切下混合，然后浇铸到圆柱形模具中，形成厚度为12厘米的浇铸块，并且使之在70℃下凝胶15分钟，然后在30分钟内将浇铸体升温至80℃，固化16小时。固化完成后使其在烘箱内自动降温至室温，然后切割成厚度为2毫米的薄片，总计60片，从上到下取第5片记为聚氨酯抛光层T1。
将缓冲层上表面涂中间胶形成粘合层与聚氨酯抛光层T1下表面进行粘合，后将缓冲层下表面粘合背胶层，即可形成抛光垫P1。
实施例2～11
采用与实施例1相同的工艺，选取D50＝40μm的中空聚合物微球进行微球分级，与不同量的TDI和HMDI以及固化剂进行反应，所获得的不同效果的聚氨酯抛光层T2～11；各原料、用量及工艺总结于表1中，其中所有物料的量均为质量份数；
将缓冲层上表面涂中间胶形成粘合层与聚氨酯抛光层T2～11下表面进行粘合，后将缓冲层下表面粘合背胶层，即可形成抛光垫P2～11。
对比例1～4
对比例4使用与实施例1相同的微球分级工艺，不同之处在于上分级叶轮以及下分级叶轮以及引风机的参数不同，对比例1～3采用与实施例1相同的制备工艺，不同之处在于使用未分级的阿克苏诺贝尔的中空微球聚合物(牌号551DE40D42)，与不同量的TDI和HMDI以及固化剂进行反应，所获得的不同效果的聚氨酯抛光层T12～15；各原料及用量同样总结于表1中，其中所有物料的量均为质量份数；将缓冲层上表面涂中间胶形成粘合层与聚氨酯抛光层T12～15下表面进行粘合，后将缓冲层下表面粘合背胶层，即可形成抛光垫P12～15。
表1
Figure BDA0003406617600000131
其中，TDI为2,4-甲苯二异氰酸酯，HMDI为4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯；MOCA为4,4’-亚甲基-双-(2-氯苯胺)(MOCA)，MCDEA为4,4’-亚甲基-双-(3-氯-2,6-二乙苯胺)。
聚氨酯抛光层的金属元素含量
元素含量：金属元素钙、镁、铝、铁、铬的含量：使用ICP-AES进行测量，取一定量聚氨酯抛光层高温灼烧后取其灰分酸解后测试。
复合金属氧化物微单元的平均粒径：使用SEM扫描电子显微镜进行测量后计算得到。
表2
Figure BDA0003406617600000141
聚氨酯抛光层的理化特性
分别按以下方法测定所得聚氨酯抛光层T1～15的邵氏硬度、密度和压缩率、粗糙度。
邵氏硬度：根据ASTM D 2240方法测量。
密度：按以下公式计算：S.G＝m/v＝m/(π(d/2)^2*h)，其中m为抛光垫重量，d为抛光垫直径，h为抛光垫厚度。
压缩率：按以下公式计算：压缩比＝((M1-M2)/M1)×100％，其中M1为聚氨酯抛光层从无负荷状态经历60s、30kpa压强时的聚氨酯抛光层厚度，M2是从M1状态经历60s负载180kpa压强时的聚氨酯抛光层厚度。
粗糙度：粗糙度Ra根据下式(1)所定义，可采用这样的测定器等，其可对使用前的抛光垫沟槽等3处不同的内表面区域测定表面粗糙度，通过分别测定其平均表面粗糙度，由所得的3个平均表面粗糙度求出平均值，即为表面粗糙度Ra。
Ra＝∑|Z-Zav|/N
在上式中，Z为粗糙曲面的高度、Zav为粗糙曲面的平均高度、N为测定点数。
对上述测定器没有特别限制，例如可以使用三维表面结构解析显微镜、扫描型激光显微镜、电子线表面形态解析装置等的光学式表面粗糙度测定器、触针式表面粗糙度计等的接触式表面粗糙度测定器。
各聚氨酯抛光层的理化性质见表3。
抛光垫的抛光性能评价
取上述实施例1～11和对比例1～4中的抛光垫P1～15，我们通过上机测试，对其抛光性能进行评价，测试条件如下：
测试机台为AMAT Refelxion(Modify 5Zone)；
抛光液为ANJI 3060(1:9稀释,H2O2％＝1％)，流速250mL/min；
修整盘为Saesol Disk 6045C4，P/C downforce 5lbf，Head&Platen RPM:93/87；
所用的晶圆(wafer)为Patten wafer:Semitech 754,Cu Blanket waferPreThickness 10KA。
在AMAT Refelxion测试机上用实施例1～11和对比例1～4的聚氨酯抛光层制备的抛光垫P1～15对晶圆进行研磨，在研磨中记录其寿命周期内的去除速率。
观察抛光后的晶圆，判断其是否具有划痕，并将结果以及上述去除速率的结果记录与表3；
表3
Figure BDA0003406617600000161
其中，×-表示无划痕；○-表示少量微小划痕；○○-表示大量微小划痕；○○○-表示有较明显的划痕。
需要说明的是，根据上述说明书的解释和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求保护范围之内。此外尽管本说明书使用了一写特定的术语，但是这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种抛光垫，其特征在于，包括聚氨酯抛光层，所述聚氨酯抛光层中包含有复合金属氧化物微单元，所述聚氨酯抛光层是原料组合的反应产物，所述原料组合包括多官能异氰酸酯与多元醇反应所得的异氰酸酯封端的预聚物、中空微球聚合物以及固化剂，所述复合金属氧化物微单元包含两种或两种以上金属元素。
2.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述金属元素包含碱土金属元素、硼族金属元素、以及过渡金属元素，所述复合金属氧化物微单元中的碱土金属元素包含镁元素和钙元素中的至少一种，所述硼族金属元素包含铝元素，所述过渡金属元素包含铁元素和铬元素中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述复合金属氧化物微单元中各金属元素的含量满足以下条件：铝元素的含量不超过50ppm，铁元素的含量不超过70ppm，铬元素的含量不超过100ppm，镁元素的含量不超过50ppm，钙元素的含量不超过150ppm。
4.根据权利要求2所述的抛光垫，其特征在于，所述复合金属氧化物微单元中各金属元素的含量满足以下条件：铝元素的含量不低于10ppm，铁元素的含量不低于10ppm，铬元素的含量不低于15ppm，镁元素的含量不低于10ppm，钙元素的含量不低于30ppm。
5.根据权利要求3或4中任意一项所述的抛光垫，其特征在于，所述复合金属氧化物微单元中钙元素、镁元素、铝元素的含量比为1～20：2～10：1～9，铁元素和铬元素的含量比为0.2～10：0.5～20。
6.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述复合金属氧化物微单元的粒径为10μm～60μm。
7.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述中空微球聚合物经过分级设备进行分级处理，所述分级设备包括第一分级区域，所述第一分级区域内包含有至少一个下分级叶轮(7)，所述下分级叶轮(7)顶部设置有第一引风机(10)，所述第一分级区域内包含有中级物料存储室(12)，所述中级物料存储室(12)与第一引风机(10)通过管连接，所述第一分级区域底部包含下级物料存储室(13)。
8.根据权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，所述第一分级区域底部设置有磁性部件(9)。
9.根据权利要求7所述的抛光垫，其特征在于，包括第二分级区域，所述第二分级区域与第一分级区域通过管相连，所述第二分级区域包含有至少两个上分级叶轮(2)，所述上分级叶轮(2)设置于第二分级区域的分级管路侧壁，且所述上分级叶轮(2)的旋转主轴与分级管路侧壁呈60～90°，所述第二分级区域底部设置有二次进风口(6)，所述第二分级区域内设置有一个或多个第二引风机(3)，与第二引风机(3)通过管连接的还设置有一个或多个上级物料存储室(5)，所述上分级叶轮(2)表面设置有磁性材料。
10.根据权利要求1所述的抛光垫，其特征在于，所述聚氨酯抛光层的密度为0.6～1.1g/cm3，邵氏硬度为15～80D，压缩比为0.1～3.0％，表面粗糙度Ra为1.5～30μm。
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