[发明专利]冰粒型固结磨料抛光垫及快速制备方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷冻抛光垫及其制备方法和装置，尤其是一种利用雾化后的液氮和雾化后的抛光液经对流换热，快速冻结成含有磨料的冰粒，之后再用经雾化后的常温水或去离子水作为粘结剂，通过振动平台将冰粒振实后制备所得到的抛光垫及其制备方法和装置。具体地说是一种冰粒型固结磨料抛光垫及快速制备方法及制造装置。

背景技术

众所周知，传统的CMP(化学机械抛光法)系统是由一个旋转的工件夹持装置、承载抛光垫的工作台和抛光液(浆料)供给系统三大部分组成。抛光时，旋转的工件以一定的压力压在随工作台一起旋转的抛光垫上，而由亚微米或纳米磨料和化学液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动，并在工件表面产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨粒的机械摩擦作用去除。由于选用比工件软或者与工件硬度相当的游离磨料，在化学成膜和机械成膜的交替过程中，通过化学和机械的共同作用从工件表面去除极薄的一层材料，实现超精密表面加工。尽管这种传统的CMP技术在超精密表面加工中得到广泛应用，但在实际应用中也显现出一定的缺点：(1)传统的CMP是基于三体(游离磨料、抛光垫和硅片)磨损机理，工艺参数多、加工过程不稳定，不易实现自动控制，生产效率低。(2)由于抛光垫是具有一定弹性的有机织物，抛光时对材料去除的选择性不高，导致产生过度抛光(Over polishing)、碟形凹陷(Dishing)、氮化物腐蚀(Nitride erosion)等缺陷。(3)抛光后一部分游离磨料会镶嵌在薄膜层表面，不易清洗。而且浆料成分复杂，抛光表面残留浆料的清除是CMP后清洗的难题。(4)由于在抛光垫和工件之间磨粒分布不均匀，工件各部分的材料去除率不一致，影响表面平坦度。特别是对大尺寸工件，这种影响更突出。(5)抛光过程中，抛光垫产生塑性变形而逐渐变得光滑，或抛光垫表面微孔表面发生堵塞使其容纳浆料和排除废屑的能力降低，导致材料去除率随时间下降。需要不断地修整和润湿抛光垫以恢复其表面粗糙度和多孔性。此外抛光垫的不均匀磨损，使得抛光过程不稳定，很难进行参数优化。(6)CMP浆料、抛光垫、修整盘等耗材的成本占CMP总成本的70％左右，而抛光浆料的成本就占耗材的60％～80％。(7)抛光浆料管理和废料浆处理也相当麻烦。

综上所述，随着对CMP平坦化的效率、成本、均匀性、可靠性、工艺控制能力等的要求越来越高。目前在利用抛光垫进行精加工时，急需一种适应性强，制造方便，磨削热小，采用固结磨料的抛光垫代替传统CMP中的游离磨料和抛光垫供使用。

发明内容

本发明的目的是针对已有冰冻固结磨料抛光垫在制备过程中效率低、磨料在低温下易沉降、均匀性和可靠性差等缺点，提供一种冰粒型固结磨料抛光垫及快速制备方法和装置，以适应目前既要保证工件抛光质量又能提高经济效益的要求。

本发明的技术方案之一是：

一种冰粒型固结磨料抛光垫，其特征是由含有固结磨料的微小冰粒和成形粘结用常温水或常温去离子水相互冻结而成，其中微小冰粒点整个抛光垫总重量的90％～95％；所述的微小冰粒主要由纳米或微米级磨料、添加剂和粘结剂组成，其中磨料占抛光垫总重量的10％～70％，添加剂占抛光垫总重量的5％～9％，余量为粘结剂。各组份总和为100％。

所述的添加剂由多羟基二胺、聚乙烯吡咯烷酮、乙二胺四乙酸二钠盐和聚阴离子纤维素组成，它们的配比关系为：多羟基二胺占整个抛光垫重量的0.5％～2％、聚乙烯吡咯烷酮占整个抛光垫重量的2％～3％、乙二胺四乙酸二钠盐占整个抛光垫重量的0.5％～1％，聚阴离子纤维素占整个抛光垫重量的2％～3％。

所述的纳米或微米级磨料为Al₂O₃、SiC、Cr₂O₃、SiO₂、CeO₂、ZrO₂、金刚石粉或它们的组合。

所述的粘结剂为最终能结成冰的水或浓度为30％-60％的含水乙醇。

本发明的技术方案之二是：

一种权利要求1所述的抛光垫的快速制备方法，其特征是包括以下步骤：

(1)首先，将占抛光垫总重量10％～70％的分散均匀、悬浮性好的纳米或微米级磨料、占抛光垫总重量的5％～9％的添加剂及余量的最终结成冰粒并起到粘结作用的粘结剂配制成抛光液；

(2)其次，利用雾化器将配制好的抛光液泵送到换热器中进行雾化；同时，液氮由自增压液氮罐输送到换热器中，经雾化喷嘴进行雾化，最终，经雾化后的抛光液在换热器中经液氮的吸热作用快速冷却成含有磨料的微小冰粒；