[发明专利]一种化学机械抛光垫的抛光层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于化学机械抛光垫抛光层及其制备方法，其通过包含异氰酸酯预聚物、固化剂以及功能填料原料制备得到，预聚物是由二异氰酸酯和聚四氢呋喃多元醇分两步反应得到，固化剂组分是胺类交联剂，功能填料是已膨胀聚合物空心微球。由其制备的抛光层具有弹性模量随温度变化稳定、孔隙率高(微孔体积分数高)以及密度均匀的优点。

技术领域

本发明涉及可用来对基材、例如半导体基材或磁盘进行抛光和平面化的抛光垫的抛光层及其制备方法。

背景技术

半导体的生产通常包括一些化学机械平整化(CMP)过程。在各个CMP过程中，抛光垫与抛光液(例如含磨料的抛光浆液或不含磨料的活性液)一起以刨平的方式除去多余的材料或保持其平整度，以便随后接收新层。这些层的堆叠以形成集成电路的方式合在一起。由于人们对具有更高运作速度、更小泄漏电流和更低能耗的器件的需求，这些半导体器件的制造正在变得越来越复杂。在器件的结构方面，这就意味着需要使零件(features)的几何形状更为精细并提高其金属化程度。这些越来越严格的器件设计要求使得人们要将镀铜作业和具有较低介电常数的新介电材料结合使用。降低的物理性质(通常与低k和超低k的材料有关)与器件复杂性的增加一起提高了对抛光垫和抛光液之类的CMP消耗品的要求。具体来说，低k和超低k介电材料与常规介电材料相比，往往具有较低的机械强度和较差的粘着性，使得平整化作业更加困难。另外，随着集成电路零件尺寸的减小，划痕之类由CMP造成的缺陷成为了更大的问题。另外，集成电路膜厚度的减小要求在改进缺陷的同时为晶片基片提供可接受的构形，这些构形上的需要使得对平整度、凹陷和侵蚀具有更高的要求。因此，先进制程(制程是指CPU的制作工艺，具体指生产CPU过程中，集成电路的精细度，也就是说精度越高，生产工艺越先进。通俗来讲也就是：芯片的特征尺寸越小，其制作工艺越先进。)的工艺，例如特征尺寸为28nm以及低于28nm的工艺，要求抛光垫具有更低的缺陷、更少的划痕以及更好的去除率。公知的是，使用低硬度的聚氨酯能够有效地降低抛光过程中产生的划痕等缺陷，但是与之相对应的则会降低去除速率，反之高硬度的聚氨酯虽然能够有效提高去除速率，但同时抛光过程中的划痕数量也会增加。如何在划痕与去除速率之间达到一个理想的平衡，是抛光垫研发中需要关注的重要话题。

传统的抛光垫的制备方法，大多采用多元醇与多异氰酸酯反应，制备异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物，然后再进行发泡或者造孔，并与多元胺混合固化成所需的聚氨酯抛光垫。多元醇的选择中，出于耐水解和弹性方面的考虑，聚四氢呋喃多元醇为优选。异氰酸酯的选择中，出于强度、模量以及耐磨性的考虑，芳香族异氰酸酯为首选，但由于芳香族异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物与多元胺反应固化时反应剧烈，凝胶时间较短，因此抛光垫中孔的形成会分布不均匀，由此造成抛光垫的硬度、密度分布不均匀，影响抛光效果。相比之下，脂环族或脂肪族的异氰酸酯可有效降低异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物与多元胺固化的反应速率，使得抛光垫中孔的分布均匀，从而使抛光垫的硬度、密度等分布均匀，最终使得抛光过程中抛光液的输送效率高，使得抛光效果大幅度提升。另外脂环族或脂肪族的异氰酸酯的结构以及加入方式也尤为关键。多元胺的选择中，出于原料易得且供应稳定方面考虑，3,3′-二氯-4,4′-二苯基甲烷二胺(俗称MOCA)为首选，但MOCA经高温或长时间加热会发生氧化，颜色变深，稳定性变差，且用其制备的聚氨酯抛光层在抛光过程中所涉及的动态力学性能、耐热性、水解稳定性等方面稍差，因此通过配方调整制备具有硬度和密度分布均匀、弹性模量随温度变化较稳定，且兼具优异动态力学性能、耐热性、水解稳定性和光稳定性优势的抛光垫的抛光层成为目前研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化学机械抛光垫的抛光层，具有以下优势：抛光层中孔的分布均匀，从而抛光垫的硬度、密度等分布均匀，抛光过程中抛光液的输送效率高，抛光效果好；②抛光层的弹性模量随温度的变化比较稳定，从而抛光过程中抛光速率比较稳定，抛光缺陷少；③抛光层的动态力学性能、耐热性、水解稳定性以及光稳定性优异。

本发明的另一个目的在于提供一种化学机械抛光垫的抛光层的制备方法。采用此方法制备的抛光层其弹性模量随温度的变化比较稳定，最终使得抛光过程中抛光速率比较稳定。