一种抛光垫及用于制备抛光垫的方法与流程

本发明涉及化学机械平面化处理的抛光技术领域，更具体地，涉及一种抛光垫及用于制备抛光垫的方法。

背景技术：

在集成电路和其他电子设备制造中，需要将沉积在半导体晶片表面的多层导电材料、半导体材料和介电材料去除。化学机械平面抛光或化学机械抛光(CMP)是目前用于工件表面抛光最常用的技术。CMP是将化学侵蚀和机械去除结合的技术，也是对半导体晶片之类平面化最常用的技术。目前，常规的CMP过程中，安装在设备的支架组件上，同时设置抛光过程中与抛光垫接触的位置。晶片在抛光过程中被施加了可控压力，压向抛光垫，通过外驱力使抛光垫相对于晶片转动。转动过程中有持续性滴入的抛光液，从而通过抛光垫表面的机械作用以及抛光液的化学作用，对晶片表面进行平坦化。

美国专利US5578362R提供了一种已知技术的抛光垫，该抛光垫包含有许多分散的微球体的聚合物基质。所述的微球体通常混入一种液体聚合物基质，然后与另外的固化原料混合，最后移入模具中固化，然后将模制的物件切割成抛光垫。可惜的是，用这种方法形成的抛光垫可能有缺陷性条纹，密度分布不均和良率低的问题。

缺陷性条纹是聚合物基质中微球体的堆积密度差异或者物料混合不均造成的。这些条纹是不希望有的，这样不同微球堆积密度或者反应不均一的区域会导致抛光垫外观不达标准，更严重的是可能导致抛光过程中抛光性能的不均一。密度分布不均是由于浇注和凝胶过程中体系(浇注体)整体热量分布不均，导致微球膨胀程度不一致，从而引起整个体系上层至下层，中间至外围的密度分布不均。这样非可控性热膨胀一方面会导致工艺流程控制上重复性差，会使整个体系的密度合格率降低，另外，同一平面的不同密度分布可能会影响抛光过程中结果的稳定性。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供了一种抛光垫的制备方法，该方法包括如下步骤：将液体预聚物、固化剂与中空微元件在50～85℃混合，以形成可固化混合物，所述可固化混合物的粘度为3000-20000cps，凝胶后固化，即得；所述液体预聚物为由多元醇和异氰酸酯为原料反应而成的聚氨酯预聚物。

在抛光垫的制备过程中通常包括浇注、凝胶和固化。而在浇注混合过程中，通过将液体预聚物、固化剂与中空微元件的混合温度控制在50～85℃，粘度控制在3000-20000cps时，混合和反应效果比较理想；并且，由液体预聚物、固化剂与中空微元件形成的反应物料放热可控。

若混合温度太低，物料反应速率低，在凝胶阶段反应程度不足，导致材料在性能上达不到最优状态，例如弹性模量降低，这样会降低抛光垫的去除效率，并且使用寿命缩短。

若混合温度太高，材料的反应热高，放热剧烈，会在凝胶阶段引起不可控的热膨胀，使上述可膨胀的中空微元件体积膨胀，导致物料体系整体的密度偏低，且密度分布极不均匀。另外，由于反应物料的热膨胀还会使物料体系中微球定向移动，导致不同区域微球的堆积密度分布不一致，最终导致条纹的产生。

其中，粘度优选是在50℃测量得到的值。

其中，上述可固化混合物中通常加入本领域所公知的相对应的固化剂。

在一个优选实施方式中，将液体预聚物、固化剂与中空微元件混合的温度优选为55～85℃；更优选为60～80℃。

在一个优选实施方式中，将液体预聚物、固化剂与中空微元件混合后，所得的可固化混合物的粘度优选为4000-18000cps；更优选为5000-16000cps。

在一个优选实施方式中，上述液体预聚物为由多元醇和异氰酸酯为原料反应而成的聚氨酯预聚物。

在一个优选实施方式中，多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇，或聚酯多元醇与聚醚多元醇的混合物。

在一个优选实施方式中，为了保证得到的抛光垫的条纹缺陷率更小，不同区域的硬度差异更小，性能更均一，所述制备方法中还包括将所述可固化混合物转移到模具中进行凝胶化。其中，所述模具初始的温度为30-70℃，控制凝胶过程中反应物料的温度与所述模具的温差为5-25℃。

在一个优选实施方式中，将所述可固化混合物转移到模具中进行凝胶化。其中，所述模具初始的温度为35-65℃，控制凝胶过程中反应物料与所述模具的温差为8-20℃。

在一个优选实施方式中，将所述可固化混合物转移到模具1中进行凝胶化。其中，所述模具1初始的温度为40-60℃，控制凝胶过程中反应物料与所述模具1的温差为10-15℃。

在一个优选实施方式中，液体预聚物、固化剂与中空微元件在浇注机的机头中混合完成后，将所得到的可固化混合物浇注到模具1中凝胶化。

其中，在凝胶化过程中优选控制反应物料的升温速率为0-6℃/min；优选为0-5℃/min；更优选为0-4℃/min。

参见图1所示，在一个优选实施方式中，为了更好地实现对反应物料凝胶化过程的控制，模具1包括基底11和中空柱体结构的外壁12。外壁12位于基底11的上侧，且外壁12的底端与基底11的上端面接触。外壁12为沿基底11的外周布置、且环向闭合的环壁。

所述基底11和外壁12之间、且位于基底11上方的空间构成模腔。将反应物料，也即上述可固化混合物转移至所述模腔中进行凝胶化；所述基底11和外壁12上均设有用于实时记录反应物料温度的实时温度传感器13和用于根据反应物料温度进行实时调整对模具1的加热状态的第一数字控制系统，如图1所示。

具体地，可以采用模具1内部嵌设的含有导热介质的管道与模具1的换热而调控模具1的温度；将导热介质的温度作为模具1的温度。管道可与温度调节装置相连，以用于对管道中导热介质的加热或冷却。或者，模具1直接与温度调节装置相连，则温度调节装置对模具1的加热或冷却温度为模具1的温度。

即，基底11上设置的实时温度传感器13，能测量反应物料的温度并反馈至第一数字控制系统。具体地，由于实时温度传感器13设置在基底11和外壁12上，反应物料与基底11的上端面和外壁12的内端面接触，实时温度传感器13即测量得到相应的反应物料表面的温度。从反应物料的多个侧面获取其表面温度，能够更准确的监控反应物料的温度。反应物料的温度认为是多个实时温度传感器13测量的平均值。

当反应剧烈进行，反应物料温度开始升高时，例如，若温差大于25℃，第一数字控制系统控制温度调节装置对模具1加热，以降低基底11和外壁12与模具1中反应物料的温差，避免温差过大而导致反应物料分相；待两者温差下降，例如小于5℃时，第一数字控制系统控制温度调节装置冷却模具1，以增加模具1与反应物料之间的温差，以免反应物料温度下降过多，导致反应不均。

其中，基底通常沿着x-y平面定向，模腔具有垂直于x-y平面的中心轴。

在一个优选实施方式中，为了实现更加精准的控制，可以将模腔设为圆环形，所述基底11沿均分圆环半径径向方向分布多个用于实时检测温度的实时温度传感器13；所述外壁12上设有沿外壁12环向均分外壁12的多个用于实时检测温度的实时温度传感器13。

例如，可在基底沿均分圆环半径径向方向设置8个实时温度传感器13，在外壁12上设有沿外壁环向均分外壁12的8个实时温度传感器13。

当反应物料的表面温度与模具1的温度差值在合适范围内，则不对模具1加热或冷却；当反应物料的表面温度与模具1的温度差值低于预设的最低值，则对模具1降温，使模具1的温度与反应物料的表面温度差值增大；当反应物料的表面温度与模具1的温度差值高于预设的最高值，则对模具1加热，使模具1的温度与反应物料的表面温度差值减小。

即，基底11和外壁12上对应设置实时温度传感器13，能测量反应物料的表面温度并反馈至第一数字控制系统。

例如，当模腔中的反应物料的反应剧烈进行，反应物料的温度开始升高时，若模具1的温度与反应物料的温度的温差大于25℃，第一数字控制系统即控制温度调节装置加热模具1，从而减小模具1的温度与反应物料的温度的差值。

若两者温差小于5℃时，第一数字控制系统控制温度调节装置冷却模具1，使模具1的温度与反应物料的温度的差值增大，从而增大模具1的温度与反应物料的温度的差值。采用这种方式控制模具1与反应物料之间的温差，使反应物料在凝胶化过程中，反应物料的温度与模具1的温度不会过大或过小，从而疏导反应物料内部的热量积累，使反应物料在凝胶化过程中，物料温度不会下降过大/过快，或者反应物料与环境的温差不会过大，而导致反应不均，影响抛光垫品质。

在一个优选实施方式中，为了更好地实现调控以及产品的良率，上述制备方法中还包括在凝胶化过程中调整用于降低反应物料表面温度的风速：

当反应物料表面的温升速率在0-2℃/min时，保持风速1000-2000m³/h，当温升速率在2-4℃/min时，风速设定为2000-3000m³/h，当温升速率大于4℃/min时，风速增加到3000-4000m³/h。另外，凝胶过程中还需要控制反应物料的最高温度，当温度高于90度时，反应物料当时升温速率无论为多少均需要风速增加到3000-4000m³/h，因为温度过高会引起内部中空微元件的不可控膨胀，导致密度不均一。

参见图2所示，在一个优选实施方式中，为了实现上述调控，可以通过在凝胶化过程中，在模具1的上方设有抽风罩2，抽风罩2的面板21设有用于获取反应物料表面温度的红外测温仪22和用于根据温度调节风口风速大小的第二数字控制系统。

为了实现上述调控，可以通过在凝胶化过程中，在模具1的上方设有抽风罩2，抽风罩2的抽风口面向模具1。抽风罩2包括罩体23和面板21，面板21固定于罩体23的下端。面板21上设置的红外测温仪22以获取模具1中反应物料的表面温度，并将该表面温度信息输送至第二数字控制系统，第二数字控制系统根据该表面温度变化信息控制抽风罩2的运作。

当模具1中反应物料的表面升温速率过高而需要降低时，启动抽风罩2处于抽风状态，以降低模具1中反应物料的表面升温速率；当红外测温仪22感知模具1中反应物料的表面升温速率降至合适值，红外测温仪22将此时的实时温度信息输送至第二数字控制系统，第二数字控制系统可调节风速，以减缓对模具1中反应物料的降温作用。

在一个优选实施方式中，面板21优选均分为多个小区域，在每个小区域均设有用于获取对应反应物料表面温度的红外测温仪22。例如，将面板21均分为12个小区域，如图2所示。每个小区域的可调风速优选范围为1000-5000m³/h。

具体地，抽风罩2均分为若干个小区域，每个小区域内对应设置对应的红外测温仪，使红外测温仪22能够全面、准确的反映模具1中反应物料的表面温度，以使第二数字控制系统能够更准确的调控抽风罩2的工作状态。

在一个优选实施方式中，抽风罩2优选为圆形抽风罩，其直径为模腔直径的1.1-1.3倍，抽风罩2的面板21离反应物料的上端面的高度为10-40cm。抽风罩的直径范围为1.1-1.3倍，主要是考虑冷却效果，太小无法全面覆盖浇注面，太大使整个浇注面风速不均，且易形成环流，使反应物料冷却不均衡。对于高度的设置是与风速相对应使用的，太低影响散热，太高风速减小。

在一个优选实施方式中，抽风罩2优选为圆形抽风罩，其直径为模腔直径的1.2倍；抽风罩的面板21离反应物料的上端面的高度为15-35cm；优选为较优20-30cm。

在一个优选实施方式中，在凝胶化过程中当检测反应物料表面的温度恒定且不低于60℃，将反应物料固化，以形成固化的材料，即得所述抛光垫。具体地，凝胶化过程中，当检测反应物料表面的温度恒定且在高于60℃内，将反应物料固化，以形成固化的材料，即得所述抛光垫。

对于不同体系，聚合物种类的不同会使反应热不一样，也就是反应能达到的最高温度和速率不一样，凝胶反应稳定阶段的温度只要不低于60度，对于材料的最终性能无太大影响，若温度太低，分子链运动性减弱，会降低后固化阶段的反应程度，降低材料力学性能。

固化通常是将凝胶化后反应物料放入烘箱中进行固化，固化的温度和时间本领域技术人员可以根据固化程度而定。

本发明的另一个目的在于提供了上述制备方法制备得到的抛光垫。

本发明的另一个目的在于提供一种凝胶模具，在制备上述抛光垫时，该凝胶模具用于可固化混合物的凝胶化。该凝胶模具包括模具1，将可固化混合物转移到模具1中进行凝胶化，所述模具1初始的温度为30-70℃，控制凝胶化过程中反应物料与所述模具1的温差为5-25℃。

在一个优选实施方式中，将可固化混合物转移到该模具1中进行凝胶化，所述模具1初始的温度为35-65℃，控制凝胶化过程中反应物料与所述模具1的温差为8-20℃。

在一个优选实施方式中，将所述可固化混合物转移到模具1中进行凝胶化。其中，所述模具1初始的温度为40-60℃，控制凝胶过程中反应物料与所述模具1的温差为10-15℃。

具体地，可固化混合物转移到模具1中后，其在模具1中进行凝胶化反应。此时，可固化物料即成为模具1中的反应物料，调控模具1的初始温度，以及反应物料与模具1之间的温差，能够使得到的抛光垫的条纹缺陷率更小，不同区域的硬度差异更小，性能更均一。

在一个优选实施方式中，所述模具1包括基底11和围绕所述基底11的外周的外壁12，所述基底11和外壁12之间、且位于所述基底11上方的空间构成模腔；所述基底11和外壁12上均设有用于实时记录反应物料温度的实时温度传感器13和用于根据所述反应物料温度进行实时调整的第一数字控制系统。实时温度传感器13与第一数字控制系统相连。

为了更好地实现对反应物料凝胶化过程的控制，模具1优选包括基底11和外壁12，所述基底11和外壁12之间、且位于基底11上方的空间构成模腔。将上述可固化混合物转移至所述模腔中进行凝胶化；所述基底11和外壁12上均设有用于实时记录反应物料温度的实时温度传感器13和用于根据反应物料温度进行实时调整的第一数字控制系统，如图1所示。

即，基底11和外壁12会带有实时温度传感器13，能测量反应物料的温度并反馈至第一数字控制系统。当反应剧烈进行，反应物料温度开始升高时，若温差大于25℃，基底11和外壁12的第一数字控制系统对模具1加热，以减小基底11和外壁12与模具1中反应物料的温差，以避免反应物料温度温度变化太大，导致反应不均；待两者温差小于5℃时，第一数字控制系统冷却模具1，外壁12及基底11温度降低，以增大模具1与反应物料之间的温差，以有效疏导反应物料的散热。

其中，基底11通常沿着x-y平面定向，模腔具有垂直于x-y平面的中心轴。

在一个优选实施方式中，为了实现更加精准的控制，可以将模腔设为环形，所述基底11均匀分布多个所述实时温度传感器13，所述外壁12上设有沿外壁12环向均分外壁12的多个所述实时温度传感器13。

具体地，实时温度传感器13可嵌设于基底11或外壁12内部。实时温度传感器13在基底11或外壁12上均是均匀布置。多个实时温度传感器13环绕基底11的中心布置，多个实时温度传感器环绕模具1的中心轴线均匀布置于外壁12上。

例如，可在基底11沿均分圆环半径径向方向设置8个实时温度传感器13，在外壁12设有沿外壁12环向均分外壁12的多个所述实时温度传感器13。

在一个优选实施方式中，所述模具1的上方设有抽风罩2，所述抽风罩置1的抽风口处设置有平行于所述基底11的面板21，所述面板21上设有用于获取所述反应物料的表面温度的红外测温仪22和用于根据所述表面温度变化速率调节所述抽风口风速大小的第二数字控制系统。红外测温仪22与第二数字控制系统相连。

为了实现上述调控，可以通过在凝胶化过程中，在模具1的上方设有面板抽风罩2，抽风罩2的抽风口面向模具1。抽风罩2包括罩体23和面板21，面板21固定于罩体23的下端。面板21处设置的红外测温仪22获取模具1中反应物料的表面温度，并将该表面温度信息输送至第二数字控制系统，第二数字控制系统根据该表面温度变化速率信息控制抽风罩2的运作。

当模具1中反应物料的表面升温速率过高而需要降温时，启动抽风罩2处于抽风状态，以降低模具1中反应物料的表面升温速率；当红外测温仪22感知模具1中反应物料的表面升温速率降至合适值，红外测温仪22将此时的实时温度信息输送至第二数字控制系统，第二数字控制系统可调节抽风速率，以缓解对模具1中反应物料的降温作用。

在一个优选实施方式中，面板21优选均分为多个小区域，在每个小区域均设有用于获取对应反应物料表面温度的红外测温仪22。例如，将面板21均分为12个小区域，如图2所示。每个小区域的风速单独控制，可调风速优选范围为1000-5000m³/h。

具体地，抽风罩2均分为若干个小区域，每个小区域内对应设置对应的红外测温仪22，使红外测温仪22能够全面、准确的反映模具1中反应物料的表面温度，以使第二数字控制系统能够更准确的调控抽风罩2的工作状态。

具体地，抽风罩2的面板21处均匀布设红外测温仪22，并设置与红外测温仪22相连的第二数字控制系统，上述结构结合模具1的基底11和外壁12上设置的实时温度传感器13，能够更准确的调控模具1中反应物料的温度。

当实时温度传感器13感知模具1中反应物料温度较低而需要升温时，实时温度传感器13将感知的温度信息输送至第一数字控制系统，由第一数字控制系统调控对模具1的升温过程，主要涉及升温幅度和升温速率。此时，抽风罩2的面板21处的红外测温仪22感知模具1中反应物料表面升温速率较低，抽风罩2抽风速率较低。

当模具1中反应物料的反应剧烈进行，反应物料温度开始升高时，若温差大于15℃，基底11和外壁12的第一数字控制系统停止供热并冷却，温度开始下降，增加基底11和外壁12与反应物料中反应物料的温差，同时，抽风罩2的面板21处设置的红外测温仪22感知反应物料的表面温度，由第二数字控制系统调控抽风罩2运作，以降低反应物料的升温速率，可疏导反应物料热量的发散，不至于使反应物料内部热量积累。

待反应物料的表面升温速率降低至合适范围，第二数字控制系统控制抽风罩2降低风速。待模具1与反应物料两者温差小于10℃时，第一数字控制系统开始供热，外壁12及基底11温度开始升高，以免反应物料与模具1之间的温差下降过多，导致反应不均。

因此，模具1上实时温度传感器13、第一数字控制系统与对应的抽风罩2上红外测温仪22、第二数字控制系统的设置，各部件相互配合运作，使得在制备抛光垫的凝胶化过程中，能够有效提高对反应物料温度调控的准确性和即时性，从而有效提升所制备得到的抛光垫的综合性能，提高产品良率。

在一个优选实施方式中，抽风罩2优选为圆形抽风罩，其直径为模腔直径的1.1-1.3倍，抽风罩的面板21离反应物料上端面的高度为10-40cm。抽风罩2的直径范围为1.1-1.3倍，主要是考虑冷却效果，太小无法全面覆盖浇注面，太大使整个浇注面风速不均，且易形成环流，使反应物料冷却不均衡。对于高度的设置是与风速相对应使用的，太低影响散热，太高风速减小。

在一个优选实施方式中，抽风罩2优选为圆形抽风罩，其直径为模腔直径的1.2倍；抽风罩2的面板21离反应物料上端面的高度为15-35cm；优选为20-30cm。

由上述制备方法得到的抛光垫从上到下的均匀性高，条纹少，密度和性能均一，产品的良率接近100％。其中，抛光垫的浇注厚度范围优选为1-5cm。抛光垫的浇注厚度过大，抛光垫内外的温度差异越大，会影响抛光垫的性能。

本发明提供的制备方法中提供了浇注及凝胶过程中最优的工艺条件，通过控制整个过程中的体系温度的变化来获得较少条纹、密度均一和良率高的抛光垫。其在化学机械抛光过程中，被抛光物料能够获得更好的表面形貌。

附图说明

图1为根据本发明一个优选实施方式中带有温度传感器的模具结构示意图；

图2为根据本发明一个优选实施方式中带有红外测温仪的抽风罩的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规技术手段。若未特别指明，实施例中所用的试剂为市售。

实施例1

将预定量的液体预聚物、固化剂与微球体混合，脱气完成后设定至60度在浇注机中循环，液体MOCA(4,4’-二氨基-3,3’-二氯二苯甲烷)设定为116℃循环。预先调整基底和外壁温度稳定至50℃。以一定比例在高速搅拌头中混合后浇注至模腔中心，使之均匀流平。浇注过程中可以测得此时混合物料温度为65.3℃，粘度10000cps(50℃)。浇注整体厚度约5cm时，停止浇注，在凝胶化过程中控制反应物料的升温速率为3.9℃/min。随着凝胶过程的进行，基底和外壁温度开始下降，体系散热加强，当温差小于10℃时，反应物料与模具的温度开始上升，维持温差14.5℃。与此同时，模腔上方抽风罩的风速随温度的上升而加强。当检测到体系表面温度维持在80℃并有下降趋势时，把浇注体移入烘箱中固化，在30min内将烘箱温度升至100℃，固化16h。固化完成后切割成厚度约2mm的薄片，总计25片。所得抛光垫的良率及抛光NU值参见表1

表1抛光垫的良率及抛光NU(％)值

实施例2

采用与实施例1相同的方法制备抛光垫，其不同之处在于：混合物料温度为63.8℃；在凝胶化过程中控制反应物料的升温速率为3.5℃/min；反应物料与模具的温差保持在12.8℃。所制备得到的抛光垫的良率及抛光NU值见表1。

实施例3

采用与实施例1相同的方法制备抛光垫，其不同之处在于：混合物料温度为58.2℃，粘度为13000cps；在凝胶化过程中控制反应物料的升温速率为5.5℃/min；反应物料与模具的温差保持在18.3℃。所制备得到的抛光垫的良率及抛光NU值见表1。

对比例1

采用与实施例1相同的方法制备抛光垫，不同之处仅在于：反应物料在模具中自然凝胶化，不对其温度进行调控。

对比例2

采用与实施例1相同的方法制备抛光垫，其不同之处在于：混合物料温度为88.5℃，粘度为7000cps；在凝胶化过程中控制反应物料的升温速率为4.3℃/min；反应物料与模具的温差保持在14.8℃。所制备得到的抛光垫的良率及抛光NU值见表1。

对比例3

采用与实施例1相同的方法制备抛光垫，其不同之处在于：混合物料温度为64.4℃；在凝胶化过程中控制反应物料的升温速率为8.6℃/min；反应物料与模具的温差保持在15.5℃。所制备得到的抛光垫的良率及抛光NU值见表1。

对比例4

采用与实施例1相同的方法制备抛光垫，其不同之处在于：混合物料温度为65.1℃；在凝胶化过程中控制反应物料的升温速率为3.8℃/min；反应物料与模具的温差保持在27.3℃。所制备得到的抛光垫的良率及抛光NU值见表1。

对比例5

采用与实施例1相同的方法制备抛光垫，其不同之处在于：混合物料温度为65.8℃，粘度为23000cps；在凝胶化过程中控制反应物料的升温速率为4.2℃/min；反应物料与模具的温差保持在15.2℃。所制备得到的抛光垫的良率及抛光NU值见表1。

由表1中所制备的抛光垫的良率参数可以看出，混合物料的温度和粘度，以及反应物料的升温速率，以及反应物料与模具的温差保持在合适的范围，能够显著的提高所制备得到的抛光垫的良率。最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。