高稳定性聚氨基甲酸酯抛光垫的制作方法
【技术领域】
[0001] 本说明书涉及适用于对衬底进行抛光和平面化的抛光垫，并且尤其涉及具有恒定 电介质去除速率的平面化抛光垫。
【背景技术】
[0002] 聚氨基甲酸酯抛光垫是用于多种要求高的精密抛光应用的主要垫类型。这些聚氨 基甲酸酯抛光垫有效用于抛光硅晶片、图案化晶片、平板显示器以及磁存储盘。具体来说， 聚氨基甲酸酯抛光垫为用以制造集成电路的大部分抛光操作提供机械完整性和耐化学性。 举例来说，聚氨基甲酸酯抛光垫具有较高的抗撕裂强度;避免抛光期间磨损问题的抗磨损 性；以及抗强酸性和强碱性抛光溶液侵蚀的稳定性。
[0003] 半导体的生产典型地涉及若干化学机械平面化(CMP)工艺。在每一CMP工艺中，抛 光垫以及抛光溶液(如含研磨剂的抛光浆料或不含研磨剂的反应性液体）以平面化或维持 平坦度以用于接收后续层的方式去除过量物质。这些层的堆叠以形成集成电路的方式组 合。这些半导体装置的制造由于对操作速度更高、泄漏电流更低以及功率消耗降低的装置 的需求而不断变得更复杂。在装置架构方面，这相当于更精细的特征几何结构和增加的金 属化水平。在一些应用中，这些越来越严格的装置设计需求驱使与介电常数更低的新介电 材料结合采用增加数量的钨互连插头或通孔。减少的物理特性(时常与低k和超低k材料相 关）以及装置增加的复杂性已经产生对CMP消耗品（如抛光垫和抛光溶液)的更大需求。
[0004] 为了维持恒定的晶片产出量，半导体制造商已经多年实践使用金刚石盘进行原位 修整。原位修整在抛光期间切割抛光垫顶表面。百分之百原位修整工艺在整个抛光工艺期 间进行金刚石修整。百分之五十原位修整工艺在二分之一抛光工艺内进行修整。这种修整 工艺在使抛光表面粗糙化以通过防止抛光垫起釉(glazing)来维持去除速率方面是必需 的。另外，这些垫必须在数百个晶片上以恒定速率抛光。
[0005] 已经证实，将聚氨基甲酸酯浇铸成饼并且将所述饼切割成若干薄抛光垫是用于制 造具有恒定可再现抛光特性的抛光垫的有效方法。莱因哈特(Re inhardt)等人在美国专利 第5,578,362号中公开聚合微球体在维持低缺陷度的同时改良平面化的用途。不幸的是，所 产生的具有这种结构的商业聚氨基甲酸酯垫通常具有对金刚石修整器和修整工艺灵敏的 速率。具体来说，随着金刚石在修整器上磨损，其在抛光垫中切割出较浅槽道，并且这些较 浅槽道可能导致较低的抛光去除速率。
[0006] 在使用烟雾状二氧化娃衆料的层间介电质（interlayer dielectric，ILD)抛光 中，抛光垫的去除速率(removal rate，RR)对金刚石修整极灵敏。在不进行原位修整的情况 下，RR在抛光几个晶片内迅速地恶化，参见图1。尽管百分之百原位修整典型地使用烟雾状 二氧化硅浆料来用于ILD抛光中，但对修整的高RR灵敏度仍可能在垫寿命内导致由于修整 圆盘磨损的性能变化。因此，需要在不牺牲其抛光效率的情况下对修整的灵敏度降低的抛 光垫。此外，需要开发一种用于制造这些和其它CMP抛光垫的有效方法。
【发明内容】
[0007]本发明的一方面提供一种适用于对半导体、光学和磁性衬底中的至少一者进行平 面化的抛光垫，所述抛光垫包含由异氰酸酯封端的分子和固化剂形成的浇注聚氨基甲酸酯 聚合基质，所述浇注聚氨基甲酸酯聚合基质在所述异氰酸酯封端的分子中含有4.2到7.5重 量％流体填充微球体，所述流体填充微球体是聚合的并且平均直径是10到80μπι，所述抛光 垫的修整器灵敏度(CS)是0到2.6，CS如下定义：
[0009] 其中CS定义为75 %原位修整下的毯覆式TE0S去除速率(RR75%i__)与50 %原位修 整下的毯覆式TE0S去除速率(RR5Q%原a嫌)的差值除以50 %部分原位修整下的毯覆式TE0S去 除速率，使用12.5wt%浓度的pH是10.5的具有0. Ιμπι平均粒度的烟雾状二氧化硅浆料，以及 修整器下压力是91bs (或4.08Kg)的具有150μηι平均粒度、400μηι节距和100μπι突起的金刚石 修整器。
[0010] 本发明的另一方面提供一种适用于对半导体、光学和磁性衬底中的至少一者进行 平面化的抛光垫，所述抛光垫包含由未反应NC0是8.95到9.25?七％的!112101/^01与聚四亚 甲基醚二醇(PTMEG)的氨基甲酸酯预聚物和固化剂形成的浇注聚氨基甲酸酯聚合基质，所 述浇注聚氨基甲酸酯聚合基质在所述氨基甲酸酯预聚物中含有4.2到7.5重量％流体填充 微球体，所述流体填充微球体是聚合的并且平均直径是10到80μπι，所述抛光垫的修整器灵 敏度(CS)是0到2.6，CS如下定义：
[0012] 其中CS定义为75 %原位修整下的毯覆式TE0S去除速率(RR75%|__)与50 %原位修 整下的毯覆式TE0S去除速率(RR5Q%原a嫌)的差值除以50 %部分原位修整下的毯覆式TE0S去 除速率，使用12.5wt%浓度的pH是10.5的具有0. Ιμπι平均粒度的烟雾状二氧化硅浆料，以及 修整器下压力是91bs (或4.08Kg)的具有150μηι平均粒度、400μηι节距和100μπι突起的金刚石 修整器。
【附图说明】
[0013] 图1是在停止Semi-SperseTM 25E(SS25)烟雾状二氧化硅浆料原位修整之后，以 A/min为单位的去除速率对比晶片数目的曲线图。（Semi Sperse是卡巴特微电子公司 (Cabot Microelectronics Corporation)的商标。)
[0014] 图2是ILD抛光中以A:niin为单位的平均去除速率与晶片内非均匀性(￥^1^11-wafer non-uniformity，WIW_NU) ( % )的曲线图。
[0015] 图3是浓度为8wt%的预膨胀和未膨胀流体填充微球体的SEM。
[0016]图4是用MbOCA固化剂形成的浓度为5.25wt%的预膨胀和未膨胀流体填充微球体 的 SEM〇
[0017]图4A是对图4抛光垫以微米为单位测量的直径的大小分布图。
[0018] 图5是用MbOCA固化剂与多官能性多元醇掺合形成的浓度为5.25wt%的预膨胀和 未膨胀流体填充微球体的SEM。
[0019] 图5A是对图5抛光垫以微米为单位测量的直径的大小分布图。
[0020] 图6是根据经修改的爱因斯坦-古斯-戈尔德方程式（Einstein-Guth-Gold equat i on)的相对粘度对比固体体积分数的曲线图。
[0021] 图7是相对粘度对比预膨胀、未膨胀、和预膨胀与未膨胀聚合微球体掺合物的聚合 微球体重量百分比的曲线图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明提供一种适用于对半导体、光学和磁性衬底中的至少一者进行平面化的抛 光垫。抛光垫具有顶部抛光表面，包含异氰酸酯封端的预聚物和固化剂系统的反应产物。顶 部抛光层进一步以介于预聚物的高于4重量％与小于8重量％之间的含量包含聚合微球体。 这些抛光垫具有较高去除速率，较好晶片内均匀性，以及降低的对修整工艺的灵敏度。
[0023] 抛光垫在预聚物中含有4.2到7.5重量％流体填充微球体。优选地，抛光垫在预聚 物中含有4.5到7.5重量％流体填充微球体。最优选地，抛光垫在预聚物中含有5到7.5重 量％流体填充微球体。这产生具有受控孔隙大小的低密度或高孔隙率抛光垫。举例来说，最 终密度可以是0.5到0.75g/cm 3。优选地，最终密度是0.5到0.65g/cm3。
[0024] 填充微球体的流体可以是气体、液体或气体与液体的组合。如果流体是液体，那么 优选的流体是水，如仅含有附带杂质的蒸馏水。出于本申请的目的，术语微球体包括具有小 于完美球形的壳层；举例来说，这些壳层具有在切开并且用SEM查看时似乎为半半球形 (semi-hemispherical shape)的形状。如果流体是气体，那么空气、氮气、氩气、二氧化碳或 其组合是优选的。对于一些微球体，气体可以是有机气体，如异丁烷。优选地，流体是异丁 烷、异戊烷或异丁烷与异戊烷的组合。取决于聚合壳层中的内部压力，滞留在聚合微球体中 的异丁烷在室温(25°C)下和高于室温下是气体。滞留在聚合微球体中的异戊烷在室温下是 液体与气体的组合。取决于聚合壳层中的内部压力，在约30°C和更高的温度下，异戊烷变为 气体。聚合壳层容纳流体;并且典型地，聚合壳层在压力下容纳气体。聚合物壳层的特定实 例包括聚丙烯腈/甲基丙烯腈壳层和聚(偏二氯乙烯)/聚丙烯腈壳层。此外，这些壳层可以 并入有无机粒子，如硅酸盐、含钙或含镁粒子。这些粒子促进聚合微球体的分离。这些流体 填充微球体在膨胀之后的平均最终平均直径典型地是10到80μπι，并且优选地是20到60μπι。 预膨胀的聚合微球体典型地增长10 %到60 %以达到20到150μπι的最终平均直径。然而，未膨 胀的聚合微球体典型地增长1，〇〇〇 %到1 〇，〇〇〇 %以达到20到15〇μπι的最终直径。所得的聚合 微球体在固体化聚合基质中的掺合物在膨胀之后的最终平均直径是10到80μπι，并且优选地 是 20 到 60μπι。
[0025] 抛光垫任选地含有分布在每个聚合微球体内的含二氧化硅或含碱土金属(周期表 第ΙΙΑ族)氧化物的区域。这些含二氧化硅或含碱土金属氧化物的区域可以是粒子，或具有 细长的含碱土金属氧化物结构。典型地，含碱土金属氧化物的区域表示包埋或附接到聚合 微球体的粒子。含碱土金属氧化物粒子的平均粒度典型地是0.01到3μπι。优选地，含碱土金 属氧化物粒子的平均粒度是0.01到2μπι。这些含碱土金属氧化物粒子间隔开以涂布小于 50 %的聚合微球体外表面。优选地，含碱土金属氧化物的区域覆盖1 %到40 %的聚合微球体 表面区域。最优选地，含碱土金属氧化物的区域覆盖2%到30%的聚合微球体表面区域。含 二氧化硅或含碱土金属氧化物的微球体的密度是5克/升到1，000克/升。典型地，含碱土金 属氧化物的微球体的密度是10克/升到1，〇〇〇克/升。
[0026]典型聚合抛光垫基质材料包括聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺、乙烯共聚物、聚醚、聚酯、 聚醚-聚酯共聚物、丙烯酸聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚乙烯共聚物、聚丁二烯、 聚乙烯亚胺、聚氨基甲酸酯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚酮、环氧化物、硅酮、其共聚物和其混合 物。优选地，聚