抛光垫的制作方法

专利名称：抛光垫的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于化学机械抛光的抛光垫。
背景技术：
CMP(化学机械抛光)，作为能够形成高平滑度表面的抛光技术，已经吸引了极大的关注。CMP是这样一种用于抛光的技术，其中将CMP浆液涂布在抛光垫的表面上，该CMP浆液是磨料颗粒的含水分散体，同时使抛光垫和被抛光的表面互相滑动地接触。众所周知，在这种CMP技术中，抛光效果极大地受抛光垫的特性影响。
已经有人使用有孔的聚氨酯泡沫作为抛光垫，并将浆液保持在该树脂表面的开孔中来实施CMP。众所周知，通过在抛光垫的抛光侧面上形成沟槽能够提高去除速度和抛光效果(JP-A 1170463、JP-A 8-216029和JP-A 8-39423)(在此“JP-A”指“未经审查的公开的日本专利申请”)。
然而，当使用聚氨酯泡沫作为抛光垫材料时，因为控制发泡极其困难，因此存在抛光垫的质量、去除速度和处理状态不均一这样的问题。特别是可能产生类似擦伤的表面缺陷(以下称为“擦伤”)，因此希望对此进行改进。
有人提出将包含分散于基质树脂中的水溶性聚合物的抛光垫作为抛光垫，其能够形成孔，而不需泡沫(JP-A 8-500622、JP-A 2000-34416、JP-A 2000-33552和JP-A 2001-334455)。
在这一技术中，通过在抛光过程中使分散在基质树脂中的水溶性聚合物与CMP浆液或者水接触并且溶于CMP浆液或者水中而形成了孔。虽然该技术具有能够任意地控制孔的分散状态的优点，但是在抛光期间或者在修整(dressing)之后，可能无法抑制孔的闭塞，因此可能无法获得令人满意的去除速度和良好的抛光物体的表面状态。因此需要有效的解决这些问题的方案。
对于通常已知的抛光垫，提供的CMP浆液可能不会均匀地遍布抛光垫，因此去除速度和抛光的物体的表面状态可能不是令人满意的。对这些问题也需要解决方案。

发明内容
本发明的目的是提供用于化学机械抛光的抛光垫，其解决了上述现有技术的问题并且能够完全防止被抛光的表面被擦伤。
本发明的其他目的和优点根据以下说明将变得显而易见。
根据本发明，本发明的上述目的和优点通过用于化学机械抛光的抛光垫而到达，该抛光垫具有抛光表面和非-抛光表面并且在非-抛光表面上具有凹入部分。
本发明的发明人已经详细地研究了用通常已知的抛光垫进行抛光导致被抛光的表面被擦伤的机理，并且已经发现这是由在抛光垫的中心部分周围产生的过大压力所引起的。基于这一发现完成了本发明。
上述凹入部分处于抛光垫的非-抛光表面上。该凹入部分用来分散在抛光的时候由抛光头施加到抛光垫上的压力，以避免局部的压力升高。对凹入部分的位置没有特别的限制，但是优选处于抛光垫的中心部分。措词“处于中心部分”不仅指凹入部分位于严格的数学意义上的中心，而且指抛光垫的非-抛光表面的中心位于上述凹入部分的范围内。
凹入部分的开口不局限于特别的形状，但是优选为圆形的或者多边形的，并且特别地优选圆形的。当凹入部分的开口是圆形的时，其直径的上限为作为被抛光物体的薄片的直径的优选100％、更优选75％、尤其优选50％。当凹入部分的开口是圆形的时，其直径的下限为优选1mm、更优选5mm，与被抛光薄片的尺寸无关。
当被抛光薄片的直径是例如300mm时，具有圆形开口的凹入部分的直径为优选1到300mm、更优选1到225mm、尤其优选5到150mm。当被抛光薄片的直径是200mm时，具有圆形开口的凹入部分的直径为优选1到200mm、更优选1到150mm、尤其优选5到100mm。
凹入部分的深度为优选0.01到2.0mm、更优选0.1到1.5mm、尤其优选0.1到1.0mm。
本发明的抛光垫可以任选地在抛光表面上具有沟槽或者其他具有任意形状的凹入部分。沟槽是例如同心圆形的、花格形的、螺旋的或者放射状的(radical)。至于其它凹入部分，可以在抛光表面上形成大量圆形的或者多边形的凹入部分。
本发明的整个抛光垫不局限于特别的形状，而是可以是盘状的、多边形的等等。抛光垫的形状可以根据与本发明的抛光垫一起使用的抛光机来进行适当的选择。抛光垫不局限于特别的尺寸。在盘状的抛光垫情况下，其可以具有150到1,200mm、优选500到800mm的直径和1.0到5.0mm、优选1.5到3.0mm的厚度。
本发明的抛光垫可以由任何材料制成，只要其具有上述凹入部分。例如，其可以由水不溶性的基质材料和分散在该水不溶性的基质材料中的水溶性的颗粒组成，或者由水不溶性的基质材料和分散在该基质材料中的孔组成。
优选将有机材料用于形成上述水不溶性的基质材料，因为其易于模塑成预定形状并且能够获得具有适合的硬度和弹性的模塑的产品。有机材料的实例包括橡胶，可固化树脂例如可热固化树脂和可光致固化树脂，它们借助于外部能量例如热和光而被交联和固化，热塑性树脂和弹性体。它们可以单独使用或混合使用。
上述橡胶包括丁二烯橡胶例如1，2-聚丁二烯；共轭二烯橡胶例如异戊二烯橡胶、丁苯橡胶和苯乙烯-异戊二烯橡胶；丁腈橡胶例如丙烯腈-丁二烯橡胶；丙烯酸橡胶；乙烯-α-烯烃橡胶例如乙丙橡胶和乙烯-丙烯二烯橡胶；和丁基橡胶、硅橡胶和氟橡胶。这些橡胶可以用硫或者有机过氧化物交联。
上述可固化树脂包括聚氨酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯-脲树脂、尿素树脂、硅树酯、酚醛树脂和乙烯基酯树脂。
上述热塑性树脂包括1，2-聚丁二烯树脂、聚烯烃树脂例如聚乙烯、聚苯乙烯树脂、聚丙烯酸树脂例如(甲基)丙烯酸酯树脂、乙烯基酯树脂(排除丙烯酸树脂)、聚酯树脂、聚酰胺树脂、氟树脂、聚碳酸酯树酯和聚缩醛树脂。除这些热塑性树脂外，可以用有机过氧化物进行化学交联或者用辐射例如电子束进行光学交联的树脂可以是交联的或非交联的。
上述弹性体包括二烯烃弹性体例如1，2-聚丁二烯；聚烯烃弹性体(TPO)；热塑性弹性体例如苯乙烯类弹性体包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和其氢化嵌段共聚物(SEBS)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、热塑性聚酯弹性体(TPEE)和聚酰胺弹性体(TPAE)；硅氧烷树脂弹性体和氟树脂弹性体。这些弹性体可以是交联的或非交联的。
上述有机材料可以用酸酐基团、羧基基团、羟基基团、环氧基团或者氨基基团改性。借助于改性可以调节与以下描述的水溶性颗粒和有机材料的浆液的相容性。
这些有机材料可以单独使用或者以两种或多种的混合物形式使用。
本发明的抛光垫优选由包含来自这些有机材料的交联聚合物的有机材料制成。当包含交联聚合物时，每个沟槽的内壁的表面粗糙度可以控制在20μm或以下，借此有助于改进被抛光表面的状况并且能够为水不溶性的基质材料提供弹性回复力。因此，由在抛光的时候施加到抛光垫上的剪切应力所引起的位移可以得到抑制。此外，这可以有效地防止在水不溶性的基质材料在抛光和修整时被过度拉伸时，由于水不溶性的基质材料的塑性变形而导致孔被填塞，和有效地防止抛光垫的表面过度地起毛。因此，在修整的时候还能有效地形成孔，可以防止在抛光的时候浆液的保持性降低，并且可以获得很少起毛的并且提供抛光平滑度的能力不受妨碍的抛光垫。
在上述有机材料中，橡胶、可固化树脂、交联热塑性树脂和交联弹性体可以用作交联聚合物。此外，交联橡胶是尤其优选的，因为它们对包含在许多种浆液中的强酸或者强碱是稳定的并且很少由于水分吸收作用而被软化。在交联橡胶中，用有机过氧化物交联的那些是优选的，并且交联的1，2-聚丁二烯是尤其优选的，因为与其他橡胶相比易于从1，2-聚丁二烯制备具有较高的硬度的交联产品。
在水不溶性的基质中包含的交联聚合物的量基于100vol％的水不溶性的基质材料为20vol％或以上、更优选30vol％或以上、更优选40vol％或以上和可以是100vol％。当水不溶性的基质中包含的交联聚合物的量小于20vol％时，由加入交联聚合物而获得的效果可能不是充分的。
当上述水不溶性基质材料的样品按照JIS K 6251在80℃下被断裂时，上述包含交联聚合物的水不溶性基质材料在断裂之后的剩余伸长(在下文中为了简便称为“断裂剩余伸长”)为优选100％或以下。这是指样品在断裂之后的总标线间距优选是断裂之前标线间距的2倍或以下。该断裂剩余伸长优选是30％或以下、更优选10％或以下、尤其优选5％或以下。当上述断裂剩余伸长大于100％时，在抛光和表面再生的时候从抛光垫破碎下来的或者拉伸的碎片倾向于填塞孔隙。“断裂剩余伸长”是指在按照JIS K 6251规定的“硫化橡胶拉伸试验方法”进行的拉伸试验中，在500mm/min的拉伸速率和80℃的试验温度下将哑铃形样品No.3拉断后，由每个标线之间的总距离减去试验之前的标线间距和断裂和分开的样品的断裂的部分获得的伸长率。试验温度是80℃，如在实际抛光过程中滑动接触所到达的温度。
上述“水溶性的颗粒”在它们接触到浆液时，该浆液是抛光垫中的含水分散体，从水不溶性的基质材料中分离出来。当它们与水接触而被溶于在浆液中包含的水时，或者当它们通过吸收这些水而溶胀和凝胶化时，将发生这种分离。此外，该溶解或者溶胀不仅由于它们与水接触而引起，而且由于它们与包含基于醇例如甲醇的溶剂的含水混合介质接触而引起。
水溶性的颗粒，除具有形成孔隙的作用外，具有提高抛光垫的压痕硬度的作用。例如，通过加入水溶性的颗粒，本发明的抛光垫的肖氏D硬度优选调整到35或以上。该肖氏D硬度更优选为35到100、更优选50到90、尤其优选60到85。当肖氏D硬度为35或以上时，施加到被抛光的物体的压力可以得到提高，并且借此去除速度可以得到提高。此外，获得了高抛光平滑度。因此，水溶性的颗粒尤其优选是能够保证抛光垫具有足够高的压痕硬度的固态物质。
水溶性的颗粒例如是有机水溶性的颗粒或者无机水溶性的颗粒。用于形成有机水溶性颗粒的材料的实例包括糊精、环糊精、甘露醇、糖类例如乳糖、纤维素例如羟基丙基纤维素和甲基纤维素、淀粉、蛋白质、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚环氧乙烷、水溶性的感光树脂、磺化聚异戊二烯和磺化聚异戊二烯共聚物。用于形成无机水溶性颗粒的材料的实例包括乙酸钾、硝酸钾、碳酸钾、碳酸氢钾、氯化钾、溴化钾、磷酸钾和硝酸镁。这些水溶性的颗粒可以单独使用或者以两种或多种的混合物形式使用。水溶性的颗粒可以由预定的单一材料或者两种或多种不同的材料制成。
水溶性的颗粒具有优选0.1到500μm、更优选0.5到100μm的平均粒径。孔尺寸优选为0.1到500μm、更优选0.5到100μm。当水溶性颗粒的平均粒径小于0.1μm时，形成的孔隙的尺寸小于通常使用的磨料颗粒，因此几乎不可能获得能够完全保持浆液的抛光垫。当平均粒径大于500μm时，形成的孔隙过大，因此获得的抛光垫的机械强度和去除速度可能较低。
水溶性颗粒的量基于100vol％的水不溶性基质材料和水溶性颗粒的总量为优选90vol％或以下、更优选0.1到90vol％、更优选0.1到60vol％、尤其优选0.5到40vol％。当以高于90vol％的量包含水溶性颗粒时，难以完全防止在制备的抛光垫的内部存在的水溶性颗粒的溶胀或者溶解，因此制备的抛光垫的硬度和机械强度可能不能被维持在适当的值。
优选的是，水溶性颗粒应该只当它们暴露于抛光垫的表层时才溶于水中，而不应该在它们处于抛光垫内部时吸收水分或者溶胀。因此，水溶性颗粒可以在至少一部分的其最外面的部分上具有用于抑制吸湿性的外壳。该外壳可以被物理地吸附到水溶性颗粒上、化学地键接到水溶性颗粒上或者借助于物理吸附和化学键接与水溶性颗粒接触。该外壳用环氧树脂、聚酰亚胺、聚酰胺或者聚硅酸盐制成。即使其在仅仅一部分的水溶性颗粒上形成时，也能够充分地获得上述作用。
水不溶性的基质材料可以包含相容剂，以控制其与水溶性颗粒的相容性和水溶性颗粒在水不溶性的基质材料中的分散性。相容剂的实例包括用酸酐基团、羧基基团、羟基基团、环氧基团、噁唑啉基团或者氨基基团改性的均聚物、嵌段共聚物和无规共聚物、非离子表面活性剂和偶联剂。
除上述相容剂之外，水不溶性的基质材料可以另外包含至少一种选自已经包含在浆液中的添加剂的物质，例如磨料颗粒、氧化剂、碱金属氢氧化物和酸、pH调节剂、表面活性剂和防擦伤剂。在水不溶性的基质材料包含一种上述添加剂时，在抛光的时候可以通过仅仅提供水来进行抛光。
还可以包含其他添加剂例如填料、软化剂、抗氧剂、紫外线吸收剂、抗静电剂、润滑剂和增塑剂。可以加入反应性的添加剂例如硫或者过氧化物，以使水不溶性的基质材料反应以进行交联。填料的实例包括用于提高劲度的材料例如碳酸钙、碳酸镁、滑石和粘土，和具有抛光作用的材料例如二氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化锆(zirconia)、二氧化钛、氧化锆(zirconium oxide)、二氧化锰、三氧化二锰和碳酸钡。
上述“在水不溶性的基质中具有孔隙的垫”由聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫或者聚苯乙烯泡沫组成。
制造本发明的抛光垫的方法包括，制备将变成抛光垫的用于抛光垫的组合物，并模塑成需要的形状，并且通过切割等形成凹入部分，或者用具有用于形成凹入部分的凸出部分的模具模塑用于抛光垫的组合物以制造具有凹入部分的抛光垫。
用于抛光垫的组合物可以通过使用混合机将包括特定的有机材料的需要的材料捏和在一起来制备。混合机是已知的装置，例如辊炼机、捏和机、密炼机或者挤出机(单螺杆或者多螺杆)。
用于制造包含水溶性的颗粒的抛光垫的组合物可以例如通过将水不溶性的基质材料、水溶性的颗粒和其他添加剂捏和在一起来制备。有利地，它们在加热下被捏和在一起，以便它们可以在捏和的时候被加工。水溶性的颗粒在捏和温度下优选是固体。在它们是固体时，它们可以被分散，具有上述优选的平均粒径，而与它们与水不溶性的基质材料的相容性无关。
因此，水溶性的颗粒的类型根据使用的水不溶性的基质材料的加工温度来选择。
通过在上述本发明的抛光垫的非-抛光侧面上形成基材层可以制造层压的抛光垫。
上述基材层是用于在非-抛光侧面上支撑抛光层的层，所述非-抛光侧面是与抛光层相对的后侧面。虽然对基材层的特性性能没有特别的限制，但是其优选比抛光层柔软。当层压的抛光垫具有软基材层时，如果抛光层的厚度较小，例如1.0毫米或以下，则可以防止抛光层上升，并且防止在抛光的时候抛光层的表面弯曲，借此可以稳定地进行抛光。基材层的硬度为抛光层硬度的优选90％或以下、更优选50到90％、更优选50到80％、尤其优选50到70％。基材层的肖氏D硬度为优选70或以下、更优选60或以下、尤其优选50或以下。
基材层可以由多孔材料(泡沫)或者无孔的材料制成。此外，对其平面形状没有特别的限制，并且可以与抛光层的相同或者不同。基材层可以是例如圆形的，或者多边形的，例如四边形的。基材层的厚度为优选0.1到5mm、更优选0.5到2mm。
用于形成基材层的材料优选为有机材料，因为其易于模塑而具有预定形状和预定性能，并且可以提供适合的弹性。可以使用与用于形成上述抛光垫的水不溶性基质材料的材料相同的材料。用于形成基材层的有机材料可以是交联聚合物或者非交联聚合物。
本发明的抛光垫按照已知方法用于CMP所用的市售可得的抛光机中。
具体实施例方式
实施例给出以下实施例以进一步说明本发明。然而，应当理解，为了获得本发明的效果并不需要限制这些抛光垫的直径、厚度和组成。
实施例1(1)抛光垫的制造使用挤出机，在160℃下，将随后将被交联以成为水不溶性基质的80体积份的1，2-聚丁二烯(JSR Co.的商标JSR RB830)和作为水溶性颗粒的20体积份的β-环糊精(Bio Research Corporation ofYokohama的Dexy Pearl β-100，平均粒径20μm)在一起捏和。其后，以1.0重量份的量加入过氧化二枯基(NOF Corporation的PercumylD)，并且进一步在120℃下捏和，以制备粒料。然后，通过在模具中在170℃下加热18分钟，将捏和的产品交联，从而模塑出盘状的模塑产品，其具有600mm的直径和2.5mm的厚度。其后，在模塑产品的抛光侧面上，借助于市售可得的切削机，形成同心纹槽，其具有0.5mm的宽度、2.0mm的间距和1.0mm的深度。
此外，通过在几乎与抛光表面同心的位置处进行锪孔而在非-抛光侧面上形成圆形的凹入部分，其具有50mm的直径和0.5mm的深度。
(2)去除速度和刮痕数目将如上所述制造的抛光垫安装在抛光机(Ebara Corporation的EPO112)的压盘上，使用稀释到3倍的CMS-1101(商品名，JSR Co.制造)作为CMP浆液，在以下条件下对具有非图案化SiO2薄膜(PETEOS薄膜；使用等离子体作为促进剂通过化学蒸汽淀积由四乙基原硅酸酯(TEOS)形成的SiO2薄膜)的薄片进行抛光。对去除速度和刮痕数目进行评价。结果，去除速度为210nm/分钟和刮痕数目为2。
压盘的转数70rpm机头的转数63rpm
机头的压力4psi浆液的进料速度200mL/min抛光时间2分钟去除速度由使用光学薄膜厚度计测定的在抛光之前和之后的抛光垫的厚度计算。在SiO2薄膜薄片的抛光的整个表面上的刮痕的总数使用薄片缺陷检查装置(KLA Ten Call Co.Ltd.的KLA2351)计数。
实施例2用和实施例1中一样的方法制备包含1，2-聚丁二烯、β-环糊精和过氧化二枯基的粒料。其后，将其在模具中在170℃下加热18分钟以进行交联，该模具在下模的中心处具有50毫米直径和0.5毫米高的凸出部分，这样获得盘状的模塑产品，其具有600毫米的直径，2.5毫米的厚度，和位于非-抛光侧面的50毫米直径和0.5毫米深的凹入部分。在模塑产品的抛光侧面上借助于切削机形成同心纹槽，其具有0.5mm的宽度、2.0mm的间距和1.0mm的深度。
用和实施例1一样的方法评价去除速度和刮痕数目，只是使用了上述的抛光垫。结果，去除速度为200nm/min和刮痕数目为3。
实施例3使用挤出机，在160℃下，将随后将被交联以成为水不溶性基质的98体积份的1，2-聚丁二烯(JSR Co.的商标JSR RB830)和作为水溶性颗粒的2体积份的β-环糊精(Bio Research Corporation of Yokohama的Dexy Pearl β-100，平均粒径2μm)在一起捏和。其后，以0.9体积份的量加入过氧化二枯基(NOF Corporation的商标Percumyl D40)，并且进一步在120℃下捏和，以制备粒料。然后，通过在模具中在170℃下加热18分钟，将捏和的产品交联，从而获得盘状的模塑产品，其具有600mm的直径和3.0mm的厚度。其后，将模塑产品的两侧刮削达到2.5mm的厚度。此外，在模塑产品的抛光侧面上，借助于市售可得的切削机，形成同心纹槽，其具有0.5mm的宽度、2.0mm的间距和1.0mm的深度。
此外，通过在几乎与抛光表面同心的位置处进行锪孔而在非-抛光侧面上形成圆形的凹入部分，其具有78mm的直径和0.5mm的深度。
用和实施例1一样的方法评价去除速度和刮痕数目，只是使用了上述的抛光垫。结果，去除速度为190nm/min和刮痕数目为2。
实施例4用和实施例1一样的方法制备具有600mm的直径和2.5mm的厚度的盘状模塑产品。其后，在模塑产品的抛光侧面上，借助于市售可得的切削机，形成同心纹槽，其具有0.5mm的宽度、2.0mm的间距和1.0mm的深度。
此外，在几乎与抛光表面同心的位置处在非-抛光侧面上形成六边形的凹入部分，其具有0.5毫米的深度和50毫米的对角线长度。
用和实施例1一样的方法评价去除速度和刮痕数目，只是使用了上述的抛光垫。结果，去除速度为210nm/min和刮痕数目为5。
对比实施例1用和实施例1一样的方法制备与实施例1一样大小的盘状模塑产品，并且借助于市售可得的切削机在该模塑产品的抛光侧面上形成同心纹槽，其具有0.5毫米的宽度、2.0毫米的间距和1.0毫米的深度，从而制造在非-抛光侧面上没有凹入部分和在抛光侧面上具有沟槽的抛光垫。
用和实施例1一样的方法评价去除速度和刮痕数目，只是使用了上述的抛光垫。结果，去除速度为200nm/min和刮痕数目为15。
权利要求
1.用于化学机械抛光的抛光垫，其具有抛光表面和非-抛光表面，并且在非-抛光表面上具有凹入部分。
2.权利要求1的抛光垫，其中凹入部分位于非-抛光表面的中心部分。
3.权利要求1或者2的抛光垫，其中凹入部分的开口是圆形的或者多边形的。
4.权利要求1到3任何一项的抛光垫，其包含水不溶性的基质和分散在该水不溶性的基质中的水溶性的颗粒。
全文摘要
在非－抛光表面上包括凹入部分的抛光垫。该抛光垫可以防止物体的被抛光表面被擦伤。
文档编号B24B37/24GK1572422SQ200410045708
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月21日 优先权日2003年5月23日
发明者保坂幸生, 志保浩司, 长谷川亨, 川桥信夫 申请人:Jsr株式会社