一种聚氨酯抛光垫及其制备方法与应用

本公开涉及化学机械抛光垫，具体涉及一种聚氨酯抛光垫及其制备方法与应用。

背景技术：

1、采用“金属栅极+高介电系数绝缘层”的栅极结构(hkmg)，能够有效解决介质薄弱导致的漏电或者多晶硅栅耗尽效应等系列问题，可提供较佳的效能表现，已经成为28nm制程的主要技术发展方向，多应用于运算速度高的高阶电子产品，如cpu、fpga、存储器等。金属栅极的化学机械抛光技术，在后栅工艺应用中主要指铝(al)栅极的抛光，其中涉及al/多晶硅(poly)/高k介质材料氧化物(oxide)的同时原子尺度的去除。金属栅极、高k介质层、多晶硅层的硬度不同，需协调抛光垫和抛光液来均匀去除层内不同材料，固定范围内的抛光选择比可以得到平坦化的工作层，否则会导致工作层出现缺陷。

2、多孔聚氨酯抛光垫采用聚氨酯发泡原液，经浇铸发泡、剖切获得化学机械抛光垫的上层垫。不过，多孔聚氨酯抛光垫一般硬度较高，金属栅极抛光的选择比高，不适合al栅极的抛光。通过软硬段结构设计可以制得硬度较低的软质多孔聚氨酯抛光垫，但软质多孔聚氨酯的力学性能差，使其在al栅极抛光过程的使用时间仅为数十或者十几小时，存在使用寿命短和抛光过程稳定性较差的问题。因此，亟需提供一种软质、耐磨的多孔聚氨酯抛光垫材料。

技术实现思路

1、本公开的目的在于克服现有技术的不足，一种聚氨酯抛光垫及其制备方法与应用，该抛光垫对al栅极材料的抛光选择比合适、平坦化效果良好、使用寿命长。

2、为实现上述目的，本公开采取的技术方案为：

3、一种聚氨酯抛光垫的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将聚氨酯和助剂依次经干燥、预混合、双螺杆连续挤出、压延和裁切后，得到前驱聚氨酯片材；

5、(2)将前驱聚氨酯片材置入高压流体中浸渍得到浸渍聚氨酯片材，将浸渍聚氨酯片材进行双轴拉伸发泡，即得聚氨酯发泡体；其中，双轴拉伸的拉力为f＝0.1-1.0x，x为前驱聚氨酯片材的重量；发泡的温度为70-140℃；

6、(3)将聚氨酯发泡体经去皮、冲切，得到上层垫；将上层垫磨平、开槽、贴合缓冲层和/或背胶，得到聚氨酯抛光垫。

7、在一个实施方式中，所述双轴拉伸的拉力为f＝0.2-0.8x。

8、在一个实施方式中，所述发泡的温度为80-130℃。

9、浸渍聚氨酯片材在升温发泡的过程中，浸渍聚氨酯片材中的高压流体逃逸会使聚氨酯发泡体泡孔的尺寸变化范围增大；并且高压流体的塑化作用导致浸渍聚氨酯片材发生变形，导致聚氨酯发泡体发生翘曲或者厚度变化不均匀。

10、本公开将浸渍聚氨酯片材在常压下进行升温发泡，诱导泡孔成核，增长，在升温发泡过程中，同时采用双轴拉伸的进行发泡，一方面，双轴拉伸能够减少浸渍聚氨酯片材的变形，提高聚氨酯发泡体的平整度；另一方面，发泡过程中的双轴拉伸作用有利于泡孔成核和增长，从而减少泡孔直径的变化范围，提高聚氨酯发泡体泡孔的均匀性，由此，提高抛光垫的抛光效果。

11、考虑到聚氨酯，发泡的温度不可以太高，太高的温度会导致高压流体的逃逸增加，泡孔增长速率过快且不可控；发泡的温度过低，聚氨酯的模量过高，导致聚氨酯发泡体不成型，本公开优选发泡的温度为80-130℃，以获得各项性能优异的聚氨酯抛光垫。

12、此外，双轴拉伸的拉力也是影响聚氨酯发泡体性能的关键因素之一，拉力过小，无法有效分散浸渍聚氨酯中的高压流体，所得聚氨酯发泡体的泡孔直径变化范围大，且有可能导致聚氨酯发泡体的发生翘曲；拉力过大，虽然提高了聚氨酯发泡体的平整度，但是会使聚氨酯发泡体的泡孔出现明显变形，从而影响聚氨酯抛光垫的抛光效果，本公开优选双轴拉伸的拉力为0.2-0.8x，以获得各项性能优异的聚氨酯抛光垫。

13、在一个实施方式中，所述聚氨酯的邵氏硬度为45-50d。

14、通过优选特定的原料硬度以及前驱体厚度，可保障后续高压流体的浸渍、发泡效果以及最终产品的性能，通过对聚氨酯的邵氏硬度进行优选，可以进一步控制后续产品的密度、硬度、泡孔尺寸等性质。

15、在一个实施方式中，所述浸渍聚氨酯片材中高压流体的溶解度为2.0～5.0％。

16、浸渍聚氨酯片材中高压流体的溶解度会影浸渍聚氨酯片材的发泡效果，本公开通过对高压流体的浸渍含量进行优选，可以进一步控制产品的泡孔尺寸、密度和发泡效率等性质。

17、在一个实施方式中，所述聚氨酯的质量为100重量份；所述助剂的质量为0-2重量份。

18、在一个实施方式中，所述聚氨酯发泡体的性能参数如下：硬度为30-45d，泡孔的平均直径为19～42μm，泡孔直径的范围为8～57μm，密度为0.50～1.05g/cm3，拉伸强度为20.0～50.0mpa，断裂伸长率为200～400％。

19、在一个实施方式中，所述助剂为润滑剂和/或抗氧剂。

20、抛光层可任选包含其他粒子，例如除上述掺入抛光层的助剂之外的粒子。所述粒子可为磨料粒子、聚合物粒子、复合材料粒子(例如胶囊化粒子)、有机粒子、无机粒子、澄清粒子、水溶性粒子及其混合物。所述聚合物粒子、复合材料粒子、有机粒子、无机粒子、澄清粒子和水溶性粒子在性质上可为磨料或非磨料。所述磨料粒子可以为金属氧化物，例如氧化铝、二氧化硅、氧化铈等，所述粒子也可为聚合物粒子，如聚苯乙烯粒子、聚甲基丙烯酸甲酯粒子、液晶聚合物(lcp，例如包含萘单元的芳族共聚酯)、聚醚醚酮(peek)、微粒热塑性聚合物(例如微粒热塑性聚氨酯)、微粒交联聚合物(例如微粒交联聚氨酯或聚环氧化物)，或其组合，如美国专利7,204,742中所述。复合粒子包含固体核(例如金属、陶瓷或聚合物)和聚合物壳(例如聚氨酯、尼龙或聚乙烯)。澄清粒子可为页硅酸盐(例如云母如氟化云母，和粘土如滑石、高岭土、蒙脱土、水辉石)、玻璃纤维、玻璃珠、金刚石粒子、碳纤维等。

21、一种聚氨酯抛光垫，所述聚氨酯抛光由上述聚氨酯抛光垫的制备方法制得。

22、一种抛光al栅极的方法，包括以下步骤：

23、将上述聚氨酯抛光垫装置在化学机械抛光设备上，使用抛光液，在聚氨酯抛光垫的压缩率为1-8％的条件下，抛光al栅极。

24、在一个实施方式中，所述聚氨酯抛光垫的压缩率为3-5％。

25、al栅极抛光过程中涉及al、poly、oxide三种物质的同时去除，al的质地柔软易于去除，而oxide的质地坚硬较难去除，需要控制抛光垫性能和抛光过程中晶片对抛光垫的压缩程度来获得适当的抛光速度和选择比。

26、聚氨酯发泡体的硬度、密度和压缩率影响al栅极的去除速度。聚氨酯发泡体的硬度过高、密度过低时，抛光过程中al的抛光速度过快，影响三种材质的抛光选择比；al栅极抛光时，聚氨酯发泡体的硬度过低或者压缩率过高，将导致抛光中的抛光液被挤出泡孔结构，降低材料的抛光速度。

27、在一个实施方式中，聚氨酯抛光垫对al的抛光速度为优选为对oxide的抛光速度为对poly的抛光速度为其中al/oxide选择比10～100，al/poly选择比为2～10。通过控制al/oxide/poly的抛光速度和选择比在上述范围，可以确保抛光后的al栅极具有合适的平坦化表面。

28、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

29、(1)本公开通过选择合适的聚氨酯，通过高压流体物理发泡，制得了表面平整、具有多孔结构、密度和硬度可控、软质、力学性能优异的聚氨酯发泡体，该聚氨酯发泡体的性能参数如下：硬度为30-45d，泡孔的平均直径为19～42μm，泡孔直径的范围为8～57μm，密度为0.50～1.05g/cm3，拉伸强度为20.0～50.0mpa，断裂伸长率为200～400％。

30、(2)以本公开的聚氨酯发泡体作为聚氨酯抛光垫的抛光层，对al栅极抛光过程中，通过控制聚氨酯抛光垫的压缩率，可以使al、poly、oxide在抛光过程中具有合适的抛光速度和选择比，从而在被抛光al栅极上获得平坦化的表面。

31、(3)本公开所述的聚氨酯抛光垫的力学性能优异、耐磨性能好，具有使用使用寿命长、抛光过程稳定的优点。