DE102013018258A1 - Weiches und konditionierbares chemisch-mechanisches Polierkissen - Google Patents

Weiches und konditionierbares chemisch-mechanisches Polierkissen Download PDF

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David B. James
James Murnane
Fengji Yeh
Marty DeGroot
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Abstract

Ein chemisch-mechanisches Polierkissen zum Polieren eines Substrats, das aus mindestens einem von einem magnetischen Substrat, einem optischen Substrat und einem Halbleitersubstrat ausgewählt ist, das eine Polierschicht enthält, wird bereitgestellt, wobei die Polierschicht das Reaktionsprodukt von Ausgangsmaterialbestandteilen umfasst, welche umfassen: ein polyfunktionelles Isocyanat und ein Härtungsmittelgebinde, wobei das Härtungsmittelgebinde ein Amin-initiiertes Polyol-Härtungsmittel und ein Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht enthält, wobei die Polierschicht eine Dichte von mehr als 0,6 g/cm3, eine Shore D-Härte von 5 bis 40 und eine Bruchdehnung von 100 bis 450% sowie eine Abtragungsrate von 25 bis 150 μm/Stunde aufweist, und wobei die Polierschicht eine Polieroberfläche aufweist, die zum Polieren des Substrats angepasst ist. Es werden auch Verfahren zur Herstellung und Verwendung des chemisch-mechanischen Polierkissens bereitgestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft chemisch-mechanische Polierkissen und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein chemisch-mechanisches Polierkissen, das eine Polierschicht umfasst, wobei die Polierschicht eine Dichte von mehr als 0,6 g/cm3, eine Shore D-Härte von 5 bis 40 und eine Bruchdehnung von 100 bis 450% sowie eine Abtragungsrate von 25 bis 150 μm/Stunde aufweist, und wobei die Polierschicht eine Polieroberfläche aufweist, die zum Polieren des Substrats angepasst ist.
  • Bei der Herstellung integrierter Schaltungen und anderer elektronischer Vorrichtungen werden mehrere Schichten von leitenden, halbleitenden und dielektrischen Materialien auf einer Oberfläche eines Halbleiterwafers abgeschieden und von dieser entfernt. Dünne Schichten von leitenden, halbleitenden und dielektrischen Materialien können durch eine Anzahl von Abscheidungstechniken abgeschieden werden. Gebräuchliche Abscheidungstechniken bei einer modernen Waferverarbeitung umfassen unter anderem eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), die auch als Sputtern bekannt ist, eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und ein elektrochemisches Plattieren. Gebräuchliche Entfernungstechniken umfassen unter anderem ein isotropes und anisotropes Nass- und Trockenätzen.
  • Da Schichten von Materialien aufeinander folgend abgeschieden und entfernt werden, wird die oberste Oberfläche des Wafers nicht-planar. Da eine nachfolgende Halbleiterverarbeitung (z. B. eine Metallisierung) erfordert, dass der Wafer eine flache Oberfläche aufweist, muss der Wafer planarisiert werden. Die Planarisierung ist zur Entfernung einer unerwünschten Oberflächentopographie sowie von unerwünschten Oberflächendefekten, wie z. B. rauen Oberflächen, agglomerierten Materialien, Kristallgitterbeschädigungen, Kratzern und kontaminierten Schichten oder Materialien nützlich.
  • Das chemisch-mechanische Planarisieren oder chemisch-mechanische Polieren (CMP) ist eine gebräuchliche Technik, die zum Planarisieren oder Polieren von Werkstücken, wie z. B. Halbleiterwafern, verwendet wird. Bei dem herkömmlichen CMP wird ein Waferträger oder Polierkopf auf einer Trägeranordnung montiert. Der Polierkopf hält den Wafer und positioniert den Wafer in Kontakt mit einer Polierschicht eines Polierkissens, das auf einem Tisch oder einer Trägerplatte innerhalb einer CMP-Vorrichtung montiert ist. Die Trägeranordnung stellt einen kontrollierbaren Druck zwischen dem Wafer und dem Polierkissen bereit. Gleichzeitig wird ein Poliermedium (z. B. eine Aufschlämmung) auf das Polierkissen abgegeben und wird in den Spalt zwischen dem Wafer und der Polierschicht gezogen. Um ein Polieren zu bewirken, drehen sich das Polierkissen und der Wafer typischerweise relativ zueinander. Wenn sich das Polierkissen unterhalb des Wafers dreht, erzeugt der Wafer eine(n) typischerweise ringförmige(n) Polierbahn oder Polierbereich, wobei die Oberfläche des Wafers direkt auf die Polierschicht gerichtet ist. Die Waferoberfläche wird durch die chemische und mechanische Wirkung der Polierschicht und des Poliermediums auf die Oberfläche poliert und planar gemacht.
  • Das „Konditionieren” oder „Abrichten” einer Kissenoberfläche ist zum Aufrechterhalten einer einheitlichen Polieroberfläche für ein stabiles Polierleistungsvermögen kritisch. Im Laufe der Zeit unterliegt die Polieroberfläche des Polierkissens einem Verschleiß, wobei die Mikrotextur der Polieroberfläche geglättet wird – ein Phänomen, das als „Zusetzen” bezeichnet wird. Eine Polierkissenkonditionierung wird typischerweise durch mechanisches Abtragen der Polieroberfläche mit einer Konditionierscheibe erreicht. Die Konditionierscheibe weist eine raue Konditionieroberfläche auf, die typischerweise eingebettete Diamantspitzen aufweist. Die Konditionierscheibe wird mit der Polieroberfläche entweder während periodischen Unterbrechungen in dem CMP-Verfahren, wenn nicht poliert wird („ex situ”) oder während des CMP-Verfahrens („in situ”) in Kontakt gebracht. Typischerweise wird die Konditionierscheibe in einer Position gedreht, die bezüglich der Drehachse des Polierkissens festgelegt ist, und trägt einen ringförmigen Konditionierbereich ab, wenn das Polierkissen gedreht wird. Der Konditioniervorgang, wie er vorstehend beschrieben worden ist, bringt mikroskopische Furchen in die Kissenoberfläche ein, wobei das Kissenmaterial sowohl abgetragen als auch aufgeraut wird und die Poliertextur erneuert wird.
  • Halbleitervorrichtungen werden immer komplexer und weisen feinere Merkmale und mehr Metallisierungsschichten auf. Dieser Trend erfordert eine verbesserte Leistung von Polierverbrauchsmaterialien, um die Planarität aufrechtzuerhalten und Polierdefekte zu begrenzen. Die Letztgenannten können elektrische Unterbrechungen oder Kurzschlüsse der leitenden Leitungen erzeugen, welche die Halbleitervorrichtung funktionsunfähig machen würden. Es ist allgemein bekannt, dass ein Ansatz zur Verminderung von Polierdefekten, wie z. B. Mikrokratzern oder Rattermarken, darin besteht, ein weicheres Polierkissen zu verwenden.
  • Eine Familie von weichen Polyurethan-Polierschichten ist von James et al. in dem US-Patent Nr. 7,074,115 offenbart. James et al. offenbaren ein Polierkissen, das ein Reaktionsprodukt eines Urethanvorpolymers mit Isocyanatendgruppen mit einem aromatischen Diamin- oder Polyamin-Härtungsmittel umfasst, wobei das Reaktionsprodukt eine Porosität von mindestens 0,1 Volumenprozent, einen KEL-Energieverlustfaktor bei 40°C und 1 rad/s von 385 bis 750 1/Pa und einen Modul E' bei 40°C und 1 rad/s von 100 bis 400 MPa aufweist.
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist es erforderlich, mit der Oberfläche von chemisch-mechanischen Polierkissen eine Diamantkonditionierung durchzuführen, um eine vorteilhafte Mikrotextur für ein optimales Polierleistungsvermögen zu erzeugen. Es ist jedoch schwierig, eine solche Textur in herkömmlichen Polierschichtmaterialien zu erzeugen, wie z. B. denjenigen, die von James et al. beschrieben worden sind, da diese Materialien eine hohe Duktilität aufweisen, wie sie durch Zugbruchdehnungswerte gemessen werden. Als Ergebnis drücken, wenn diese Materialien einem Konditionieren mit einer Diamantkonditionierscheibe unterzogen werden, die Diamanten in dem Konditionierkissen das Kissenmaterial einfach weg, ohne ein Abtragen zu bewirken, anstatt in die Kissenoberfläche Furchen einzubringen. Somit wird in der Oberfläche dieser herkömmlichen Materialien als Ergebnis der Konditionierung mit einer Diamantkonditionierscheibe nur eine sehr geringe Textur erzeugt.
  • Ein anderes Problem, das mit diesen herkömmlichen chemisch-mechanischen Polierkissenmaterialien zusammenhängt, tritt während des Bearbeitungsprozesses zur Bildung von Makrorillenstrukturen in der Kissenoberfläche auf. Herkömmliche chemisch-mechanische Polierkissen werden typischerweise mit einer Rillenstruktur versehen, die in ihre Polieroberfläche eingebracht ist, um den Aufschlämmungsfluss zu fördern und Polierrückstände von der Kissen-Wafer-Grenzfläche zu entfernen. Solche Rillen werden in die Polieroberfläche des Polierkissens häufig entweder mittels einer Drehmaschine oder durch eine CNC-Fräsmaschine eingebracht. Bei weichen Kissenmaterialien tritt jedoch ein ähnliches Problem wie dasjenige auf, das bei der Diamantkonditionierung auftritt, so dass, nachdem der Schneideinsatz vorbei bewegt worden ist, das Kissenmaterial einfach zurückfedert und die gebildeten Rillen sich wieder schließen. Folglich ist die Rillenqualität schlecht und es ist schwieriger, kommerziell akzeptable Kissen mit solchen weichen Materialien erfolgreich herzustellen. Dieses Problem verstärkt sich mit abnehmender Härte des Kissenmaterials.
  • Demgemäß gibt es einen fortlaufenden Bedarf für chemisch-mechanische Polierkissen, die ein physikalisches Eigenschaftsprofil bereitstellen, das gut mit demjenigen von Formulierungen für geringe Defekte korreliert, das jedoch der Polierschicht ein erhöhtes Konditioniervermögen verleiht (d. h., das eine Abtragungsrate von 25 bis 150 μm/Stunde aufweist).
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein chemisch-mechanisches Polierkissen zum Polieren eines Substrats bereit, das aus mindestens einem von einem magnetischen Substrat, einem optischen Substrat und einem Halbleitersubstrat ausgewählt ist, umfassend eine Polierschicht, wobei die Polierschicht das Reaktionsprodukt von Ausgangsmaterialbestandteilen umfasst, welche umfassen: ein polyfunktionelles Isocyanat und ein Härtungsmittelgebinde, umfassend: mindestens 5 Gew.-% eines Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel mindestens ein Stickstoffatom pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel durchschnittlich mindestens drei Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, 25 bis 95 Gew.-% eines Polyol-Härtungsmittels mit hohem Molekulargewicht, wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 2500 bis 100000 aufweist, und wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht durchschnittlich 3 bis 10 Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, und 0 bis 70 Gew.-% eines difunktionellen Härtungsmittels, wobei die Polierschicht eine Dichte von ≥ 0,6 g/cm3, eine Shore D-Härte von 5 bis 40 und eine Bruchdehnung von 100 bis 450% sowie eine Abtragungsrate von 25 bis 150 μm/Stunde aufweist, und wobei die Polierschicht eine Polieroberfläche aufweist, die zum Polieren des Substrats angepasst ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein chemisch-mechanisches Polierkissen zum Polieren eines Substrats bereit, das aus mindestens einem von einem magnetischen Substrat, einem optischen Substrat und einem Halbleitersubstrat ausgewählt ist, umfassend eine Polierschicht, wobei die Polierschicht das Reaktionsprodukt von Ausgangsmaterialbestandteilen umfasst, welche umfassen: ein polyfunktionelles Isocyanat und ein Härtungsmittelgebinde, umfassend: 5 bis 20 Gew.-% des Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel zwei Stickstoffatome pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel durchschnittlich 4 Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist und wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 200 bis 400 aufweist, 50 bis 75 Gew.-% des Polyol-Härtungsmittels mit hohem Molekulargewicht, wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 10000 bis 12000 aufweist, und wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht durchschnittlich 6 Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, und 10 bis 30 Gew.-% des difunktionellen Härtungsmittels, wobei das difunktionelle Härtungsmittel ein Diamin-Härtungsmittel ist, das aus der Gruppe, bestehend aus 4,4'-Methylen-bis-(2-chloranilin) (MBOCA), 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylanilin) (MCDEA) und Isomeren davon, ausgewählt ist, wobei das stöchiometrische Verhältnis der reaktiven Wasserstoffgruppen (d. h., die Summe der Amin(NH2)-Gruppen und der Hydroxyl(OH)-Gruppen) in dem Härtungsmittelgebinde zu den nicht umgesetzten Isocyanatgruppen (d. h., NCO-Gruppen) in dem polyfunktionellen Isocyanat 0,95 bis 1,05 beträgt und wobei die Polierschicht eine Dichte von 0,75 bis 1,0 g/cm3, eine Shore D-Härte von 5 bis 20, eine Bruchdehnung von 150 bis 300% und eine Abtragungsrate von 30 bis 60 μm/Stunde aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines chemisch-mechanischen Polierkissens gemäß der vorliegenden Erfindung bereit, umfassend: Bereitstellen eines polyfunktionellen Isocyanats, Bereitstellen eines Härtungsmittelgebindes, umfassend: (i) Bereitstellen von mindestens 5 Gew.-% eines Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel mindestens ein Stickstoffatom pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel durchschnittlich mindestens drei Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, (ii) Bereitstellen von 25 bis 95 Gew.-% eines Polyol-Härtungsmittels mit hohem Molekulargewicht, wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 2500 bis 100000 aufweist, und wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht durchschnittlich 3 bis 10 Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, und (iii) Bereitstellen von 0 bis 70 Gew.-% eines difunktionellen Härtungsmittels, Mischen des polyfunktionellen Isocyanats und des Härtungsmittelgebindes zur Bildung einer Kombination und Reagierenlassen der Kombination zur Bildung einer Polierschicht.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Polieren eines Substrats bereit, umfassend: Bereitstellen eines Substrats, das aus mindestens einem von einem magnetischen Substrat, einem optischen Substrat und einem Halbleitersubstrat ausgewählt ist, Bereitstellen eines chemisch-mechanischen Polierkissens gemäß Anspruch 1, Erzeugen eines dynamischen Kontakts zwischen einer Polieroberfläche der Polierschicht und dem Substrat, so dass eine Oberfläche des Substrats poliert wird, und Konditionieren der Polieroberfläche mit einer abrasiven Konditioniereinrichtung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die chemisch-mechanischen Polierkissen der vorliegenden Erfindung weisen eine Polierschicht auf, die eine spezielle Kombination von geringer Härte (d. h., Shore D ≤ 40) zur Bereitstellung eines Polierleistungsvermögens mit geringen Defekten und einer geringen Zugdehnung (d. h., einer Bruchdehnung von ≤ 450%) aufweist, die sowohl eine Bearbeitbarkeit zum Erleichtern der Bildung von Rillen in der Polierschicht als auch eine Konditionierbarkeit zum Erleichtern der Bildung einer Mikrotextur unter Verwendung einer Diamantkonditionierscheibe bereitstellt. Darüber hinaus stellt die Ausgewogenheit von Eigenschaften, die durch die Polierschicht der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, das Vermögen z. B. zum Polieren von Halbleiterwafern ohne Beschädigung der Waferoberfläche durch Erzeugen von Mikrokratzerdefekten, welche die elektrische Integrität der Halbleitervorrichtung beeinträchtigen könnten, bereit.
  • Das chemisch-mechanische Polierkissen der vorliegenden Erfindung zum Polieren eines Substrats, das aus mindestens einem von einem magnetischen Substrat, einem optischen Substrat und einem Halbleitersubstrat ausgewählt ist, umfasst eine Polierschicht, wobei die Polierschicht das Reaktionsprodukt von Ausgangsmaterialbestandteilen umfasst, welche umfassen: ein polyfunktionelles Isocyanat und ein Härtungsmittelgebinde, umfassend: mindestens 5 Gew.-% (vorzugsweise 5 bis 30 Gew.-%, mehr bevorzugt 5 bis 25 Gew.-%, insbesondere 5 bis 20 Gew.-%) eines Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel mindestens ein Stickstoffatom pro Molekül enthält (wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel vorzugsweise ein bis vier Stickstoffatom(e) pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel mehr bevorzugt zwei bis vier Stickstoffatome pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel insbesondere zwei Stickstoffatome pro Molekül enthält), wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel durchschnittlich mindestens drei Hydroxylgruppen (vorzugsweise 3 bis 6 Hydroxylgruppen, mehr bevorzugt 3 bis 5 Hydroxylgruppen, insbesondere 4 Hydroxylgruppen) pro Molekül aufweist (wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel vorzugsweise ein Zahlenmittel des Molekulargewichts von ≤ 700 aufweist, mehr bevorzugt von 150 bis 650, noch mehr bevorzugt von 200 bis 500, insbesondere von 250 bis 300), 25 bis 95 Gew.-% (vorzugsweise 35 bis 90 Gew.-%, mehr bevorzugt 50 bis 75 Gew.-%, insbesondere 60 bis 75 Gew.-%) eines Polyol-Härtungsmittels mit hohem Molekulargewicht, wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 2500 bis 100000 aufweist (vorzugsweise 5000 bis 50000, mehr bevorzugt 7500 bis 25000, insbesondere 10000 bis 12000), und wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht durchschnittlich 3 bis 10 Hydroxylgruppen (vorzugsweise 4 bis 8 Hydroxylgruppen, mehr bevorzugt 5 bis 7, insbesondere 6) pro Molekül aufweist, und 0 bis 70 Gew.-% (vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-%, mehr bevorzugt 10 bis 50 Gew.-%, noch mehr bevorzugt 10 bis 30 Gew.-%, insbesondere 10 bis 20 Gew.-%) eines difunktionellen Härtungsmittels, wobei die Polierschicht eine Dichte von ≥ 0,6 g/cm3 (vorzugsweise 0,6 bis 1,2 g/cm3, mehr bevorzugt 0,7 bis 1,1 g/cm3, insbesondere 0,75 bis 1,0 g/cm3), eine Shore D-Härte von 5 bis 40 (vorzugsweise 5 bis 30, mehr bevorzugt 5 bis 20, insbesondere 5 bis 15), eine Bruchdehnung von 100 bis 450% (vorzugsweise 125 bis 425%, mehr bevorzugt 150 bis 300%, insbesondere 150 bis 200%), sowie eine Abtragungsrate von 25 bis 150 μm/Stunde (vorzugsweise 30 bis 125 μm/Stunde, mehr bevorzugt 30 bis 100 μm/Stunde, insbesondere 30 bis 60 μm/Stunde) aufweist, und wobei die Polierschicht eine Polieroberfläche aufweist, die zum Polieren des Substrats angepasst ist.
  • Vorzugsweise enthält das polyfunktionelle Isocyanat, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zwei reaktive Isocyanatgruppen (d. h., NCO).
  • Vorzugsweise ist das polyfunktionelle Isocyanat, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, aus der Gruppe, bestehend aus einem aliphatischen polyfunktionellen Isocyanat, einem aromatischen polyfunktionellen Isocyanat und einem Gemisch davon, ausgewählt. Mehr bevorzugt ist das polyfunktionelle Isocyanat, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Diisocyanat, das aus der Gruppe, bestehend aus 2,4-Toluoldiisocyanat, 2,6-Toluoldiisocyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, Naphthalin-1,5-diisocyanat, Tolidindiisocyanat, para-Phenylendiisocyanat, Xylylendiisocyanat, Isophorondiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat, 4,4'-Dicyclohexylmethandiisocyanat, Cyclohexandiisocyanat und Gemischen davon, ausgewählt ist. Noch mehr bevorzugt ist das polyfunktionelle Isocyanat, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen, das durch die Reaktion eines Diisocyanats mit einem Vorpolymerpolyol gebildet wird.
  • Vorzugsweise weist das Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, 2 bis 12 Gew.-% nicht umgesetzte Isocyanat(NCO)-Gruppen auf. Mehr bevorzugt weist das Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, 2 bis 10 Gew.-% (noch mehr bevorzugt 4 bis 8 Gew.-%, insbesondere 5 bis 7 Gew.-%) nicht umgesetzte Isocyanat(NCO)-Gruppen auf.
  • Vorzugsweise ist das Vorpolymerpolyol, das zur Bildung des polyfunktionellen Urethanvorpolymers mit Isocyanat-Endgruppen verwendet wird, aus der Gruppe, bestehend aus Diolen, Polyolen, Polyoldiolen, Copolymeren davon und Gemischen davon ausgewählt. Mehr bevorzugt ist das Vorpolymerpolyol aus der Gruppe, bestehend aus Polyetherpolyolen (z. B. Poly(oxytetramethylen)glykol, Poly(oxypropylen)glykol und Gemischen davon), Polycarbonatpolyolen, Polyesterpolyolen, Polycaprolactonpolyolen, Gemischen davon, und Gemischen davon mit einem oder mehreren Polyol(en) mit niedrigem Molekulargewicht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ethylenglykol, 1,2-Propylenglykol, 1,3-Propylenglykol, 1,2-Butandiol, 1,3-Butandiol, 2-Methyl-1,3-propandiol, 1,4-Butandiol, Neopentylglykol, 1,5-Pentandiol, 3-Methyl-1,5-pentandiol, 1,6-Hexandiol, Diethylenglykol, Dipropylenglykol und Tripropylenglykol, ausgewählt. Noch mehr bevorzugt ist das Vorpolymerpolyol aus der Gruppe, bestehend aus Polytetramethylenetherglykol (PTMEG), Polyolen auf Esterbasis (wie z. B. Ethylenadipaten, Butylenadipaten), Polypropylenetherglykolen (PPG), Polycaprolactonpolyolen, Copolymeren davon und Gemischen davon, ausgewählt. Insbesondere ist das Vorpolymerpolyol aus der Gruppe, bestehend aus PTMEG und PPG, ausgewählt.
  • Vorzugsweise weist dann, wenn das Vorpolymerpolyol PTMEG ist, das Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen eine Konzentration von nicht umgesetztem Isocyanat (NCO) von 2 bis 10 Gew.-% (mehr bevorzugt von 4 bis 8 Gew.-%, insbesondere 6 bis 7 Gew.-%) auf. Beispiele für handelsübliche Urethanvorpolymere mit Isocyanat-Endgruppen auf PTMEG-Basis umfassen Imuthane®-Vorpolymere (von COIM USA, Inc., erhältlich, wie z. B. PET-80A, PET-85A, PET-90A, PET-93A, PET-95A, PET-60D, PET-70D, PET-75D), Adiprene®-Vorpolymere (von Chemtura erhältlich, wie z. B. LF 800A, LF 900A, LF 910A, LF 930A, LF 931A, LF 939A, LF 950A, LF 952A, LF 600D, LF 601 D, LF 650D, LF 667, LF 700D, LF 750D, LF 751D, LF 752D, LF 753D und L325), Andur®-Vorpolymere (von Anderson Development Company erhältlich, wie z. B. 70APLF, 80APLF, 85APLF, 90APLF, 95APLF, 60DPLF, 70APLF, 75APLF).
  • Vorzugsweise weist dann, wenn das Vorpolymerpolyol PPG ist, das Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen eine Konzentration von nicht umgesetztem Isocyanat (NCO) von 3 bis 9 Gew.-% (mehr bevorzugt von 4 bis 8 Gew.-%, insbesondere 5 bis 6 Gew.-%) auf. Beispiele für handelsübliche Urethanvorpolymere mit Isocyanat-Endgruppen auf PPG-Basis umfassen Imuthane®-Vorpolymere (von COIM USA, Inc., erhältlich, wie z. B. PPT-80A, PPT-90A, PPT-95A, PPT-65D, PPT-75D), Adiprene®-Vorpolymere (von Chemtura erhältlich, wie z. B. LFG 963A, LFG 964A, LFG 740D) und Andur®-Vorpolymere (von Anderson Development Company erhältlich, wie z. B. 8000APLF, 9500APLF, 6500DPLF, 7501DPLF).
  • Vorzugsweise ist das Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Urethanvorpolymer mit einem geringen Gehalt von freien Isocyanat-Endgruppen, das einen Gehalt von freiem Toluoldiisocyanat(TDI)-Monomer von weniger als 0,1 Gew.-% aufweist.
  • Es können auch nicht-TDI-basierte Urethanvorpolymere mit Isocyanat-Endgruppen verwendet werden. Beispielsweise sind Urethanvorpolymere mit Isocyanat-Endgruppen, einschließlich diejenigen, die durch die Reaktion von 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat (MDI) und Polyolen, wie z. B. Polytetramethylenglykol (PTMEG), mit optionalen Diolen, wie z. B. 1,4-Butandiol (BDO), gebildet werden, akzeptabel. Wenn solche Urethanvorpolymere mit Isocyanat-Endgruppen verwendet werden, beträgt die Konzentration des nicht umgesetzten Isocyanats (NCO) vorzugsweise 4 bis 10 Gew.-% (mehr bevorzugt 4 bis 8 Gew.-%, insbesondere 5 bis 7 Gew.-%). Beispiele für handelsübliche Urethanvorpolymere mit Isocyanat-Endgruppen in dieser Kategorie umfassen Imuthane®-Vorpolymere (von COIM USA, Inc., erhältlich, wie z. B. 27-85A, 27-90A, 27-95A), Andur®-Vorpolymere (von Anderson Development Company erhältlich, wie z. B. IE75AP, IE80AP, IE85AP, IE90AP, IE95AP, IE98AP) und Vibrathane®-Vorpolymere (von Chemtura erhältlich, wie z. B. B625, B635, B821).
  • Das Härtungsmittelgebinde, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, enthält vorzugsweise: mindestens 5 Gew.-% (vorzugsweise 5 bis 30 Gew.-%, mehr bevorzugt 5 bis 25 Gew.-%, insbesondere 5 bis 20 Gew.-%) eines Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, 25 bis 95 Gew.-% (vorzugsweise 35 bis 90 Gew.-%, mehr bevorzugt 50 bis 75 Gew.-%, insbesondere 60 bis 75 Gew.-%) eines Polyol-Härtungsmittels mit hohem Molekulargewicht und 0 bis 70 Gew.-% (vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-%, mehr bevorzugt 10 bis 15 Gew.-%, noch mehr bevorzugt 10 bis 30 Gew.-%, insbesondere 10 bis 20 Gew.-%) eines difunktionellen Härtungsmittels.
  • Vorzugsweise enthält das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, mindestens ein Stickstoffatom pro Molekül. Mehr bevorzugt enthält das verwendete Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel ein bis vier (noch mehr bevorzugt zwei bis vier, insbesondere zwei) Stickstoffatom(e) pro Molekül.
  • Vorzugsweise weist das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, durchschnittlich mindestens drei Hydroxylgruppen pro Molekül auf. Mehr bevorzugt weist das verwendete Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel durchschnittlich drei bis sechs (noch mehr bevorzugt drei bis fünf, insbesondere vier) Hydroxylgruppen pro Molekül auf.
  • Vorzugsweise weist das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von ≤ 700 auf. Mehr bevorzugt weist das verwendete Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 150 bis 650 (noch mehr bevorzugt 200 bis 500, insbesondere 250 bis 300) auf.
  • Vorzugsweise weist das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Hydroxylzahl (bestimmt gemäß dem ASTM-Testverfahren 04274-11) von 350 bis 1200 mgKOH/g auf. Mehr bevorzugt weist das verwendete Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel eine Hydroxylzahl von 400 bis 1000 mgKOH/g (insbesondere 600 bis 850 mgKOH/g) auf.
  • Beispiele für handelsübliche Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel umfassen die Voranol®-Familie von Amin-initiierten Polyolen (von The Dow Chemical Company erhältlich), die Quadrol® Specialty-Polyole (N,N,N',N'-Tetrakis-(2-hydroxypropylethylendiamin) (von BASF erhältlich), Pluracol®-Polyole auf Aminbasis (von BASF erhältlich), Multranol®-Polyole auf Aminbasis (von Bayer MaterialScience LLC erhältlich), Triisopropylamin (TIPA) (von The Dow Chemical Company erhältlich) und Triethanolamin (TEA) (von Mallinckrodt Baker Inc. erhältlich). Eine Anzahl von bevorzugten Amin-initiierten Polyol-Härtungsmitteln ist in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
    Amin-initiiertes Polyol-Härtungsmittel Anzahl der OH-Gruppen pro Molekül MN Hydroxylzahl (mgKOH/g)
    Triethanolamin 3 149 1130
    Triisopropanolamin 3 192 877
    MULTRANOL® 9138 Polyol 3 240 700
    MULTRANOL® 9170 Polyol 3 481 350
    VORANOL® 391 Polyol 4 568 391
    VORANOL® 640 Polyol 4 352 638
    VORANOL® 800 Polyol 4 280 801
    QUADROL® Polyol 4 292 770
    MULTRANOL® 4050 Polyol 4 356 630
    MULTRANOL® 4063 Polyol 4 488 460
    MULTRANOL® 8114 Polyol 4 568 395
    MULTRANOL® 8120 Polyol 4 623 360
    MULTRANOL® 9181 Polyol 4 291 770
    VORANOL® 202 Polyol 5 590 475
  • Ohne dass eine Bindung an eine Theorie beabsichtigt ist, wird davon ausgegangen, dass zusätzlich zur Förderung der gewünschten Ausgewogenheit von physikalischen Eigenschaften der damit erzeugten Polierschicht die Konzentration des Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, das in dem Härtungsmittelgebinde verwendet wird, auch dahingehend wirkt, dass es dessen Reaktion und die Reaktion von jedwedem difunktionellen Härtungsmittel in dem Härtungsmittelgebinde mit den nicht umgesetzten Isocyanat(NCO)-Gruppen, die in dem polyfunktionellen Diisocyanat vorliegen, autokatalysiert.
  • Vorzugsweise weist das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 2500 bis 100000 auf. Mehr bevorzugt weist das verwendete Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 5000 bis 50000 auf (noch mehr bevorzugt 7500 bis 25000, insbesondere 10000 bis 12000).
  • Vorzugsweise weist das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, durchschnittlich drei bis zehn Hydroxylgruppen pro Molekül auf. Mehr bevorzugt weist das verwendete Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht durchschnittlich vier bis acht (noch mehr bevorzugt fünf bis sieben, insbesondere sechs) Hydroxylgruppen pro Molekül auf.
  • Vorzugsweise weist das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Molekulargewicht auf, das höher ist als das Molekulargewicht des Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, das in dem Härtungsmittelgebinde verwendet wird, und es weist eine Hydroxylzahl auf, die niedriger ist als diejenige des Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, das in dem Härtungsmittelgebinde verwendet wird.
  • Beispiele für handelsübliche Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht umfassen Specflex®-Polyole, Voranol®-Polyole und Voralux®-Polyole (von The Dow Chemical Company erhältlich), Multranol® Specialty-Polyole und Ultracel® Flexible-Polyole (von Bayer MaterialScience LLC erhältlich), sowie Pluracol®-Polyole (von BASF erhältlich). Eine Anzahl von bevorzugten Polyol-Härtungsmitteln mit hohem Molekulargewicht ist in der Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2
    Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht Anzahl der OH-Gruppen pro Molekül MN Hydroxylzahl (mgKOH/g)
    Multranol® 3901 Polyol 3,0 6000 28
    Pluracol® 1385 Polyol 3,0 3200 50
    Pluracol® 380 Polyol 3,0 6500 25
    Pluracol® 1123 Polyol 3,0 7000 24
    ULTRAGEL® 3000 Polyol 4,0 7500 30
    SPECFLEX® NC630 Polyol 4,2 7602 31
    SPECFLEX® NC632 Polyol 4,7 8225 32
    VORALUX® HF 505 Polyol 6,0 11400 30
    MULTRANOL® 9185 Polyol 6,0 3366 100
    VORANOL® 4053 Polyol 6,9 12420 31
  • Vorzugsweise wird das difunktionelle Härtungsmittel, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, aus Diolen und Diaminen ausgewählt. Mehr bevorzugt ist das verwendete difunktionelle Härtungsmittel ein Diamin, das aus der Gruppe, bestehend aus primären Aminen und sekundären Aminen, ausgewählt ist. Noch mehr bevorzugt ist das verwendete difunktionelle Härtungsmittel aus der Gruppe, bestehend aus Diethyltoluoldiamin (DETDA), 3,5-Dimethylthio-2,4-toluoldiamin und Isomeren davon, 3,5-Diethyltoluol-2,4-diamin und Isomeren davon (z. B. 3,5-Diethyltoluol-2,6-diamin), 4,4'-Bis-(sec-butylamino)-diphenylmethan, 1,4-Bis-(sec-butylamino)-benzol, 4,4'-Methylen-bis-(2-chloranilin), 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylanilin) (MCDEA), Polytetramethylenoxid-di-p-aminobenzoat, N,N'-Dialkyldiaminodiphenylmethan, p,p'-Methylendianilin (MDA), m-Phenylendiamin (MPDA), 4,4'-Methylen-bis-(2-chloranilin) (MBOCA), 4,4'-Methylen-bis-(2,6-diethylanilin) (MDEA), 4,4'-Methylen-bis-(2,3-dichloranilin) (MDCA), 4,4'-Diamino-3,3'-diethyl-5,5'-dimethyldiphenyl-methan, 2,2',3,3'-Tetrachlordiaminodiphenylmethan, Trimethylenglykoldi-p-aminobenzoat und Gemischen davon, ausgewählt. Insbesondere ist das verwendete Diamin-Härtungsmittel aus der Gruppe, bestehend aus 4,4'-Methylen-bis-(2-chloranilin) (MBOCA), 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylanilin) (MCDEA) und Isomeren davon ausgewählt.
  • Vorzugsweise beträgt das stöchiometrische Verhältnis der reaktiven Wasserstoffgruppen (d. h. der Summe der Amin(NH2)-Gruppen und der Hydroxyl(OH)-Gruppen) in den Komponenten des Härtungsmittelgebindes zu den nicht umgesetzten Isocyanat(NCO)-Gruppen in dem polyfunktionellen Isocyanat 0,85 bis 1,15 (mehr bevorzugt 0,90 bis 1,10, insbesondere 0,95 bis 1,05).
  • Die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung umfasst gegebenenfalls ferner eine Mehrzahl von Mikroelementen. Vorzugsweise ist die Mehrzahl von Mikroelementen einheitlich innerhalb der Polierschicht verteilt. Vorzugsweise ist die Mehrzahl von Mikroelementen aus eingeschlossenen Gasblasen, polymeren Materialien mit hohlem Kern, flüssigkeitsgefüllten polymeren Materialien mit hohlem Kern, wasserlöslichen Materialien und einem Material mit unlöslicher Phase (z. B. Mineralöl) ausgewählt. Mehr bevorzugt ist die Mehrzahl von Mikroelementen aus eingeschlossenen Gasblasen und polymeren Materialien mit hohlem Kern, die einheitlich innerhalb der Polierschicht verteilt sind, ausgewählt. Vorzugsweise weist die Mehrzahl von Mikroelementen ein Gewichtsmittel des Durchmessers von weniger als 150 μm auf (mehr bevorzugt von weniger als 50 μm, insbesondere von 10 bis 50 μm). Vorzugsweise umfasst die Mehrzahl von Mikroelementen polymere Mikrokügelchen mit Hüllenwänden aus entweder Polyacrylnitril oder einem Polyacrylnitril-Copolymer (z. B. Expancel® von Akzo Nobel). Vorzugsweise wird die Mehrzahl von Mikroelementen in die Polierschicht bei 0 bis 35 Vol.-% Porosität einbezogen (mehr bevorzugt 10 bis 25 Vol.-% Porosität).
  • Die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung kann sowohl in porösen als auch in nicht-porösen (d. h. ungefüllten) Konfigurationen bereitgestellt werden. Vorzugsweise weist die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung eine Dichte von ≥ 0,6 g/cm3 auf, gemessen gemäß ASTM D1622. Mehr bevorzugt weist die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung eine Dichte von 0,6 bis 1,2 g/cm3 auf (noch mehr bevorzugt 0,7 bis 1,1 g/cm3, insbesondere 0,75 bis 1,0 g/cm3), gemessen gemäß ASTM D1622.
  • Vorzugsweise weist die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung eine Shore D-Härte von 5 bis 40 auf, gemessen gemäß ASTM D2240. Mehr bevorzugt weist die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung eine Shore D-Härte von 5 bis 30 auf (noch mehr bevorzugt 5 bis 20, insbesondere 5 bis 15), gemessen gemäß ASTM D2240.
  • Polierschichten, die eine Shore D-Härte von weniger als 40 aufweisen, weisen typischerweise höhere Bruchdehnungswerte auf (d. h. > 600%). Materialien, die so hohe Bruchdehnungswerte aufweisen, verformen sich reversibel, wenn sie Bearbeitungsvorgängen unterzogen werden, was zu einer Rillenbildung führt, die inakzeptabel schlecht ist, und zu einer Texturerzeugung während des Diamantkonditionierens führt, die unzureichend ist. Das spezielle Härtungsmittelgebinde, das bei der Bildung der Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung verwendet wird, stellt eine geringe Härte gekoppelt mit einer Bruchdehnung von 100 bis 450% bereit, gemessen gemäß ASTM D412. Vorzugsweise weist die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung eine Bruchdehnung von 125 bis 425% auf (noch mehr bevorzugt 150 bis 300%, insbesondere 150 bis 200%), gemessen gemäß ASTM D412.
  • Vorzugsweise weist die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung eine Abtragungsrate von 25 bis 150 μm/Stunde auf, gemessen unter Verwendung des hier in den Beispielen beschriebenen Verfahrens. Mehr bevorzugt weist die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung eine Abtragungsrate von 30 bis 125 μm/Stunde auf (noch mehr bevorzugt 30 bis 100 μm/Stunde, insbesondere 30 bis 60 μm/Stunde), gemessen unter Verwendung des hier in den Beispielen beschriebenen Verfahrens.
  • Das chemisch-mechanische Polierkissen der vorliegenden Erfindung umfasst gegebenenfalls ferner mindestens eine zusätzliche Schicht, die an die Polierschicht angrenzt. Vorzugsweise umfasst das chemisch-mechanische Polierkissen ferner eine zusammendrückbare Basisschicht, die an der Polierschicht anhaftet. Die zusammendrückbare Basisschicht verbessert vorzugsweise die Anpassung der Polierschicht an die Oberfläche des Substrats, das poliert wird.
  • Die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung weist eine Polieroberfläche auf, die zum Polieren des Substrats angepasst ist. Vorzugsweise weist die Polieroberfläche eine Makrotextur auf, die aus mindestens einem von Perforationen und Rillen ausgewählt ist. Perforationen können sich von der Polieroberfläche durch einen Teil der Dicke oder durch die gesamte Dicke der Polierschicht erstrecken. Vorzugsweise sind Rillen auf der Polieroberfläche derart angeordnet, dass beim Drehen des chemisch-mechanischen Polierkissens während des Polierens mindestens eine Rille über die Oberfläche des Substrats, das poliert wird, bewegt wird. Vorzugsweise weist die Polieroberfläche eine Makrotextur auf, die mindestens eine Rille umfasst, die aus der Gruppe, bestehend aus gekrümmten Rillen, linearen Rillen und Kombinationen davon, ausgewählt ist.
  • Vorzugsweise weist die Polierschicht des chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung eine Polieroberfläche auf, die zum Polieren des Substrats angepasst ist, wobei die Polieroberfläche eine Makrotextur aufweist, die eine darin ausgebildete Rillenstruktur aufweist. Vorzugsweise umfasst die Rillenstruktur eine Mehrzahl von Rillen. Vorzugsweise ist die Rillenstruktur aus einer Rillengestaltung ausgewählt. Vorzugsweise ist die Rillengestaltung aus der Gruppe, bestehend aus konzentrischen Rillen (die kreisförmig oder spiralförmig sein können), gekrümmten Rillen, Rillen in der Form einer gekreuzten Schraffur (z. B. angeordnet als X-Y-Gitter auf der Kissenoberfläche), anderen regelmäßigen Gestaltungen (z. B. Sechsecken, Dreiecken), Strukturen des Reifenlaufflächentyps, unregelmäßigen Gestaltungen (z. B. fraktalen Strukturen) und Kombinationen davon, ausgewählt. Mehr bevorzugt ist die Rillengestaltung aus der Gruppe, bestehend aus zufällig angeordneten Rillen, konzentrischen Rillen, Spiralrillen, Rillen in der Form einer gekreuzten Schraffur, X-Y-Gitterrillen, hexagonalen Rillen, dreieckigen Rillen, fraktalen Rillen und Kombinationen davon, ausgewählt. insbesondere weist die Polieroberfläche eine darin ausgebildete Spiralrillenstruktur auf. Das Rillenprofil ist vorzugsweise aus einem Rechteck mit geraden Seitenwänden ausgewählt oder der Rillenquerschnitt kann „V”-förmig, „U”-förmig, sägezahnförmig und Kombinationen davon sein.
  • Vorzugsweise weist die Polierschicht, die in dem chemisch-mechanischen Polierkissen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine durchschnittliche Dicke von 0,51 bis 3,81 mm (20 bis 150 mil) auf. Mehr bevorzugt weist die verwendete Polierschicht eine durchschnittliche Dicke von 0,76 bis 3,18 mm (30 bis 125 mil) (noch mehr bevorzugt 1,02 bis 3,05 mm (40 bis 120 mil), insbesondere 1,27 bis 2,54 mm (50 bis 100 mil)) auf.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren zur Herstellung eines chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung: Bereitstellen eines polyfunktionellen Isocyanats, Bereitstellen eines Härtungsmittelgebindes, umfassend: (i) Bereitstellen von mindestens 5 Gew.-% (vorzugsweise 5 bis 30 Gew.-%, mehr bevorzugt 5 bis 25 Gew.-%, insbesondere 5 bis 20 Gew.-%) eines Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel mindestens ein Stickstoffatom pro Molekül enthält (wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel vorzugsweise ein bis vier Stickstoffatom(e) pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel mehr bevorzugt zwei bis vier Stickstoffatome pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel insbesondere zwei Stickstoffatome pro Molekül enthält), wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel durchschnittlich mindestens drei Hydroxylgruppen (vorzugsweise 3 bis 6 Hydroxylgruppen, mehr bevorzugt 3 bis 5 Hydroxylgruppen, insbesondere 4 Hydroxylgruppen) pro Molekül aufweist (wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel vorzugsweise ein Zahlenmittel des Molekulargewichts von ≤ 700 aufweist, mehr bevorzugt von 150 bis 650, noch mehr bevorzugt von 200 bis 500, insbesondere von 250 bis 300), (ii) Bereitstellen von 25 bis 95 Gew.-% (vorzugsweise 35 bis 90 Gew.-%, mehr bevorzugt 50 bis 75 Gew.-%, insbesondere 60 bis 75 Gew.-%) eines Polyol-Härtungsmittels mit hohem Molekulargewicht, wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 2500 bis 100000 aufweist (vorzugsweise 5000 bis 50000, mehr bevorzugt 7500 bis 25000, insbesondere 10000 bis 12000), und wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht durchschnittlich 3 bis 10 Hydroxylgruppen (vorzugsweise 4 bis 8 Hydroxylgruppen, mehr bevorzugt 5 bis 7, insbesondere 6) pro Molekül aufweist, und (iii) Bereitstellen von 0 bis 70 Gew.-% (vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-%, mehr bevorzugt 10 bis 50 Gew.-%, noch mehr bevorzugt 10 bis 30 Gew.-%, insbesondere 10 bis 20 Gew.-%) eines difunktionellen Härtungsmittels, Mischen des polyfunktionellen Isocyanats und des Härtungsmittelgebindes zur Bildung einer Kombination und Reagierenlassen der Kombination zur Bildung einer Polierschicht.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines chemisch-mechanischen Polierkissens der vorliegenden Erfindung umfasst gegebenenfalls ferner: Bereitstellen einer Form, Gießen der Kombination in die Form und Reagierenlassen der Kombination in der Form zur Bildung einer ausgehärteten Masse, wobei die Polierschicht von der ausgehärteten Masse abgetrennt wird. Vorzugsweise wird die ausgehärtete Masse geschält, so dass eine Mehrzahl von Polierschichten von einer einzelnen ausgehärteten Masse abgetrennt wird. Gegebenenfalls umfasst das Verfahren ferner das Erwärmen der ausgehärteten Masse zum Erleichtern des Schälvorgangs. Vorzugsweise wird die ausgehärtete Masse unter Verwendung von Infrarotheizlampen während des Schälvorgangs erwärmt, bei dem die ausgehärtete Masse in eine Mehrzahl von Polierschichten geschält wird.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren zum Polieren eines Substrats der vorliegenden Erfindung: Bereitstellen eines Substrats, das aus mindestens einem von einem magnetischen Substrat, einem optischen Substrat und einem Halbleitersubstrat ausgewählt ist (vorzugsweise einem Halbleitersubstrat, mehr bevorzugt einem Halbleitersubstrat, wobei das Halbleitersubstrat ein Halbleiterwafer ist), Bereitstellen eines chemisch-mechanischen Polierkissens gemäß Anspruch 1, Erzeugen eines dynamischen Kontakts zwischen einer Polieroberfläche der Polierschicht und dem Substrat, so dass eine Oberfläche des Substrats poliert wird, und Konditionieren der Polieroberfläche mit einer abrasiven Konditioniereinrichtung.
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in den folgenden Beispielen detailliert beschrieben.
  • Vergleichsbeispiele A und B und Beispiele 1 bis 19
  • Polierschichten wurden gemäß den Formulierungsdetails, die in der Tabelle 3 angegeben sind, hergestellt. Insbesondere wurden Polyurethanmassen durch kontrolliertes Mischen des Urethanvorpolymers mit Isocyanat-Endgruppen bei 51°C (d. h., des Adiprene® LF667 für das Vergleichsbeispiel A und die Beispiele 1 bis 9 und des Adiprene® LFG963A für das Vergleichsbeispiel B und die Beispiele 10 bis 19, die beide von Chemtura Corporation erhältlich sind) mit den Komponenten des Härtungsmittelgebindes hergestellt. Das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel (d. h. das Voranol® 800, das von The Dow Chemical Company erhältlich ist) und das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht (d. h. das Voralux® HF505, das von The Dow Chemical Company erhältlich ist) wurden vor dem Einmischen in die anderen Ausgangsmaterialien vorgemischt. Alle Ausgangsmaterialien mit Ausnahme des MBOCA wurden bei einer Vormischtemperatur von 51°C gehalten. Das MBOCA wurde bei einer Vormischtemperatur von 116°C gehalten. Das Verhältnis des Urethanvorpolymers mit Isocyanat-Endgruppen und des Härtungsmittelgebindes wurde so eingestellt, dass die Stöchiometrie, wie sie durch das Verhältnis der aktiven Wasserstoffgruppen (d. h., die Summe der -OH-Gruppen und der -NH2-Gruppen) in den Härtungsmitteln zu den nicht umgesetzten Isocyanat(NCO)-Gruppen in dem Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen definiert ist, derart war, wie es in der Tabelle 3 angegeben ist.
  • Eine Porosität wurde in die Polierschichten durch Zusetzen von Expancel®-Mikrokügelchen zu dem Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen vor dem Vereinigen mit dem Härtungsmittelgebinde eingebracht, um die gewünschte Porosität und Kissendichte zu erreichen.
  • Das Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen mit jedweden eingebrachten Expancel®-Mikrokügelchen und das Härtungsmittelgebinde wurden mit einem Mischkopf mit hoher Scherung zusammengemischt. Nach dem Austreten aus dem Mischkopf wurde die Kombination während eines Zeitraums von 5 Minuten in eine kreisförmige Form mit einem Durchmesser von 86,4 cm (34 Zoll) eingebracht, so dass eine Gesamtgießdicke von etwa 10 cm (4 Zoll) erhalten wurde. Die eingebrachte Kombination wurde 15 Minuten gelieren gelassen, bevor die Form in einen Aushärteofen eingebracht wurde. Die Form wurde dann in dem Aushärteofen unter Verwendung des folgenden Zyklus ausgehärtet: 30 Minuten Anstieg von Umgebungstemperatur zu einem Einstellpunkt von 104°C, dann Halten für 15,5 Stunden bei 104°C und dann 2 Stunden Absenkung von 104°C auf 21°C.
  • Die ausgehärteten Polyurethanmassen wurden dann aus der Form entnommen und bei einer Temperatur von 30 bis 80°C in etwa vierzig separate 2,0 mm (80 mil) dicke Lagen geschält (mittels einer sich bewegenden Klinge geschnitten). Das Schälen wurde von der Oberseite jeder Masse her durchgeführt. Jedwede unvollständigen Lagen wurden verworfen.
  • Es sollte beachtet werden, dass Adiprene® LF667, das in den Beispielen verwendet wurde, ein Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen auf PTMEG-Basis ist, das ein 50/50 Gewichtsprozent-Gemisch von Adiprene® LF950A und Adiprene® LF600D umfasst, das von Chemtura erhältlich ist. Es sollte auch beachtet werden, dass Adiprene® LFG963A ein Urethanvorpolymer mit Isocyanat-Endgruppen auf PPG-Basis ist, das von Chemtura erhältlich ist.
  • Figure DE102013018258A1_0001
  • Die nicht mit Rillen versehenen Polierschichtmaterialien von jedem der Vergleichsbeispiele A und B und der Beispiele 1 bis 19 wurden analysiert, um deren physikalischen Eigenschaften zu bestimmen, wie sie in der Tabelle 4 angegeben sind. Es sollte beachtet werden, dass die angegebenen Dichtedaten gemäß ASTM D1622 bestimmt worden sind, die angegebenen Shore D-Härtedaten gemäß ASTM D2240 bestimmt worden sind, die angegebenen Shore A-Härtedaten gemäß ASTM D2240 bestimmt worden sind und die angegebenen Bruchdehnungsdaten gemäß ASTM D412 bestimmt worden sind.
  • Die Abtragungsrate-Daten, die in der Tabelle 4 angegeben sind, wurden unter Verwendung eines 200 mm Mirra®-Poliergeräts von Applied Materials gemessen. Dieses Poliergerät ist so gestaltet, dass es ein kreisförmiges chemisch-mechanisches Polierkissen mit einem Nenndurchmesser von 51 cm (20 Zoll) aufnehmen kann. Polierschichten mit einem kreisförmigen Querschnitt wurden so hergestellt, wie es hier in den Beispielen beschrieben ist. Diese Polierschichten wurden dann maschinell mit Rillen versehen, so dass eine Rillenstruktur in der Polieroberfläche bereitgestellt wurde, die eine Mehrzahl von konzentrischen kreisförmigen Rillen mit Abmessungen eines Abstands von 3,05 mm (120 mil), einer Breite von 0,51 mm (20 mil) und einer Tiefe von 0,76 mm (30 mil) umfasste. Die Polierschichten wurden dann an eine Schaum-Unterkissenschicht (SP2310, von Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc. erhältlich) laminiert.
  • Eine Diamantkonditionierscheibe (DiaGrid® AD3CL-150840-3-Kissenkonditionierer, der von Kinik Company hergestellt worden ist) wurde zum Abtragen der Polieroberfläche der mit Rillen versehenen Polierschichten unter Verwendung der folgenden Verfahrensbedingungen eingesetzt: Die Polieroberfläche der Polierschichten wurde einem kontinuierlichen Abtragen mit der Diamantkonditionierscheibe für einen Zeitraum von 2 Stunden bei einer Trägerplattendrehzahl von 100 U/min, einer Flussrate von entionisiertem Wasser von 150 cm3/min und einer Konditionierscheiben-Andruckkraft von 48,3 kPa (7 psi) unterzogen. Die Abtragungsrate wurde durch Messen der Änderung der durchschnittlichen Rillentiefe im Zeitverlauf bestimmt. Die Rillentiefe wurde unter Verwendung eines Microtrack II Laser Triangulation Sensor von MTI Instruments, der auf einem motorisierten Gleittisch von Zaber Technologies montiert war, gemessen (in μm/Stunde), wobei das Profil der Polieroberfläche jeder Polierschicht von der Mitte zur Außenkante vermessen wurde. Die Abtastgeschwindigkeit des Sensors auf dem Gleittisch betrug 0,732 mm/s und die Abtastrate (Messungen/mm Abtastung) für den Sensor betrug 6,34 Punkte/mm. Die in der Tabelle 4 angegebene Abtragungsrate ist der arithmetische Mittelwert der Verminderung der Rillentiefe im Zeitverlauf auf der Basis der gesammelten Dickenmesswerte, die als > 2000 Punkte über die Polieroberfläche der Polierschicht festgelegt sind.
  • Figure DE102013018258A1_0002
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Chemisch-mechanisches Polierkissen zum Polieren eines Substrats, das aus mindestens einem von einem magnetischen Substrat, einem optischen Substrat und einem Halbleitersubstrat ausgewählt ist, umfassend eine Polierschicht, wobei die Polierschicht das Reaktionsprodukt von Ausgangsmaterialbestandteilen umfasst, welche umfassen: ein polyfunktionelles Isocyanat und ein Härtungsmittelgebinde, umfassend: mindestens 5 Gew.-% eines Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel mindestens ein Stickstoffatom pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel durchschnittlich mindestens drei Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, 25 bis 95 Gew.-% eines Polyol-Härtungsmittels mit hohem Molekulargewicht, wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 2500 bis 100000 aufweist, und wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht durchschnittlich 3 bis 10 Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, und 0 bis 70 Gew.-% eines difunktionellen Härtungsmittels, wobei die Polierschicht eine Dichte von mehr als 0,6 g/cm3, eine Shore D-Härte von 5 bis 40 und eine Bruchdehnung von 100 bis 450% sowie eine Abtragungsrate von 25 bis 150 μm/Stunde aufweist, und wobei die Polierschicht eine Polieroberfläche aufweist, die zum Polieren des Substrats angepasst ist.
  2. Chemisch-mechanisches Polierkissen nach Anspruch 1, wobei das stöchiometrische Verhältnis der reaktiven Wasserstoffgruppen in dem Härtungsmittelgebinde zu den nicht umgesetzten Isocyanatgruppen in dem polyfunktionellen Isocyanat 0,85 bis 1,15 beträgt.
  3. Chemisch-mechanisches Polierkissen nach Anspruch 2, wobei das polyfunktionelle Isocyanat aus der Gruppe, bestehend aus einem aliphatischen polyfunktionellen Isocyanat, einem aromatischen polyfunktionellen Isocyanat und einem Gemisch davon, ausgewählt ist.
  4. Chemisch-mechanisches Polierkissen nach Anspruch 3, wobei das difunktionelle Härtungsmittel aus der Gruppe, bestehend aus Diol-Härtungsmitteln und Diamin-Härtungsmitteln, ausgewählt ist.
  5. Chemisch-mechanisches Polierkissen nach Anspruch 3, wobei das polyfunktionelle Isocyanat ein Urethanvorpolymer mit Isocyanatendgruppen ist, das 2 bis 12 Gew.-% nicht umgesetzte NCO-Gruppen aufweist.
  6. Chemisch-mechanisches Polierkissen nach Anspruch 5, wobei das Härtungsmittelgebinde umfasst: 5 bis 20 Gew.-% des Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel zwei Stickstoffatome pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel durchschnittlich 4 Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, und wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 200 bis 400 aufweist, 50 bis 75 Gew.-% des Polyol-Härtungsmittels mit hohem Molekulargewicht, wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 10000 bis 12000 aufweist, und wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht durchschnittlich 6 Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, 10 bis 30 Gew.-% des difunktionellen Härtungsmittels, wobei das difunktionelle Härtungsmittel ein Diamin-Härtungsmittel ist, das aus der Gruppe, bestehend aus 4,4'-Methylen-bis-(2-chloranilin) (MBOCA), 4,4'-Methylen-bis-(3-chlor-2,6-diethylanilin) (MCDEA) und Isomeren davon, ausgewählt ist, wobei das stöchiometrische Verhältnis der reaktiven Wasserstoffgruppen in dem Härtungsmittelgebinde zu den nicht umgesetzten Isocyanatgruppen in dem polyfunktionellen Isocyanat 0,95 bis 1,05 beträgt, wobei die Polierschicht eine Dichte von 0,75 bis 1,0 g/cm3, eine Shore D-Härte von 5 bis 20, eine Bruchdehnung von 150 bis 300% und eine Abtragungsrate von 30 bis 60 μm/Stunde aufweist.
  7. Chemisch-mechanisches Polierkissen nach Anspruch 6, wobei das Urethanvorpolymer mit Isocyanatendgruppen 5 bis 7 Gew.-% nicht umgesetzte NCO-Gruppen aufweist und wobei das Urethanvorpolymer mit Isocyanatendgruppen ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 400 bis 2500 aufweist.
  8. Chemisch-mechanisches Polierkissen nach Anspruch 7, wobei die Polieroberfläche eine darin ausgebildete Spiralrillenstruktur aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines chemisch-mechanischen Polierkissens nach Anspruch 1, umfassend: Bereitstellen eines polyfunktionellen Isocyanats, Bereitstellen eines Härtungsmittelgebindes, umfassend: (i) Bereitstellen von mindestens 5 Gew.-% eines Amin-initiierten Polyol-Härtungsmittels, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel mindestens ein Stickstoffatom pro Molekül enthält, wobei das Amin-initiierte Polyol-Härtungsmittel durchschnittlich mindestens drei Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, (ii) Bereitstellen von 25 bis 95 Gew.-% eines Polyol-Härtungsmittels mit hohem Molekulargewicht, wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht ein Zahlenmittel des Molekulargewichts, MN, von 2500 bis 100000 aufweist, und wobei das Polyol-Härtungsmittel mit hohem Molekulargewicht durchschnittlich 3 bis 10 Hydroxylgruppen pro Molekül aufweist, und (iii) Bereitstellen von 0 bis 70 Gew.-% eines difunktionellen Härtungsmittels, Mischen des polyfunktionellen Isocyanats und des Härtungsmittelgebindes zur Bildung einer Kombination und Reagierenlassen der Kombination zur Bildung einer Polierschicht.
  10. Verfahren zum Polieren eines Substrats, umfassend: Bereitstellen eines Substrats, das aus mindestens einem von einem magnetischen Substrat, einem optischen Substrat und einem Halbleitersubstrat ausgewählt ist, Bereitstellen eines chemisch-mechanischen Polierkissens gemäß Anspruch 1, Erzeugen eines dynamischen Kontakts zwischen einer Polieroberfläche der Polierschicht und dem Substrat, so dass eine Oberfläche des Substrats poliert wird, und Konditionieren der Polieroberfläche mit einer abrasiven Konditioniereinrichtung.
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