一种抛光材料的制备方法及应用与流程

1.本发明涉及衬底片抛光技术领域，特别涉及一种抛光材料的制备方法及应用。


背景技术：

2.衬底片作为半导体行业中重要的基础材料，制备过程一般是将经液相或气相生长得到的晶体，经过粗加工、切割、研磨、抛光、化学机械抛光等工艺，经清洗后封装得到用于外延或籽晶生长的衬底片。衬底片缺陷、表面光洁度及平整度会对外延片及生长得到的晶体质量具有直接且重要的影响。
3.衬底片在加工过程中，需要进行研磨工序，从而获得良好的面型及表面光洁度。在研磨过程中，抛光材料的选择会影响衬底片表面质量，衬底片造成的宏观缺陷(划痕)及非本征结晶缺陷会影响衬底片的良率，增加成本。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种抛光材料的制备方法及应用，制备的抛光材料表面粗造度低，获得的抛光垫可以提高衬底片表面光滑度，减少衬底片表面划伤。
5.为解决上述技术问题，本发明是通过如下的技术方案实现的：
6.本发明提出一种抛光材料的制备方法，至少包括以下步骤：
7.将聚丙烯腈溶液与有机硅烷混合，得到混合浆料；
8.向所述混合浆料中加入助剂，混合均匀，得到混合物；以及
9.将所述混合物梯度加热处理，获取所述抛光材料。
10.在本发明一实施例中，将所述混合物梯度加热处理的步骤包括：所述梯度加热处理的步骤包括：将所述混合物从室温升温加热至第一预设温度，并保持预设时间。
11.在本发明一实施例中，所述混合物从室温升温加热至所述第一预设温度的升温速率为1℃/min-3℃/min。
12.在本发明一实施例中，所述梯度加热处理的步骤包括：将所述混合物从所述第一预设温度升温加热至第二预设温度，并保持预设时间，且所述第一预设温度至所述第二预设温度的升温速率为2℃/min-4℃/min。
13.在本发明一实施例中，所述梯度加热处理的步骤还包括：将所述混合物从所述第二预设温度升温加热至第三预设温度，并保持预设时间。
14.在本发明一实施例中，所述抛光材料的尺寸为0.1μm-1μm。
15.在本发明一实施例中，所述聚丙烯腈溶液为聚丙烯腈/二甲基甲酰胺、聚丙烯腈/碳酸丙烯、聚丙烯腈/二甲基亚砜、聚丙烯腈/四氢呋喃或聚丙烯腈/二甲基乙酰胺中的任意一种。
16.在本发明一实施例中，所述有机硅烷为聚碳硅烷、聚硅氧烷、全氢聚碳硅烷或聚硅烷中的任意一种或几种。
17.在本发明一实施例中，所述有机硅烷的数均分子量为1000-1100。
18.本发明还提出一种抛光垫，所述抛光垫包括以上任一所述方法制备得到的所述抛光材料。
19.本发明提出了一种抛光材料的制备方法及应用，制备的抛光材料为碳-碳化硅复合材料，具有易成型、结构可修饰且颗粒之间的结合力强等优点，并通过调节原料的添加比例，可以降低碳-碳化硅复合材料的表面粗糙度，从而可有效提高衬底片表面光滑度，减少衬底片表面划伤，从而提高研磨得到的衬底片的表面质量。
附图说明
20.图1为本发明中抛光材料的制备方法的流程图。
21.图2为本发明中抛光材料的制备方法的部分流程图。
具体实施方式
22.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
23.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
24.下面结合若干实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)可以平整衬底片表面的不平坦区域，属于化学作用和机械作用相结合的技术，使芯片制造商能够继续缩小电路面积并扩展光刻工具的性能。每个晶圆的生产，都需要对衬底片进行多次cmp抛光才得以实现。抛光垫主要作用是存储、传输抛光液，对衬底提供一定压力并对其表面进行机械摩擦，是决定表面质量的重要辅料。本发明提供的一种抛光材料的制备方法及应用，由此方法制备的抛光材料能用于各类衬底片的抛光，提高衬底片的抛光质量。
26.请参阅图1所示，本发明提出一种抛光材料的制备方法，包括但不限于步骤s100-s300。
27.s100、将聚丙烯腈溶液与有机硅烷混合，得到混合浆料。
28.s200、向所述混合浆料中加入助剂，混合均匀，得到混合物。
29.s300、将所述混合物升温加热处理，获取所述抛光材料。
30.请参阅图1所示，在步骤s100中，在本发明一实施例中，可直接以聚丙烯腈(polyacrylonitrile，pan)为原料，聚丙烯腈(pan)在体系中作为碳源，且聚丙烯腈分子量例如可以为200000-400000。在其他实施例中，例如也可以将丙烯腈作为原料，并加入自由基引发剂，促进丙烯腈聚合生成聚丙烯腈。本发明对自由基引发剂的种类不加以限制，可根
据实际生产需要进行选择。在本实施例中，自由基引发剂例如可以为偶氮二异丁腈等。
31.请参阅图1所示，在步骤s100中，在本发明一实施例中，聚丙烯腈溶液例如可以为将聚丙烯腈溶于有机溶剂中所获得的混合溶液，聚丙烯腈的分子量例如为30000，且聚丙烯腈的质量例如可以占混合溶液总质量的15％-20％。在本发明一实施例中，有机溶剂的纯度例如可以为分析纯，且有机溶剂例如可以为二甲基甲酰胺(dimethylformamide，dmf)、碳酸丙烯(propylene carbonate，pc)、二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide，dmso)、四氢呋喃(tetrahydrofuran，thf)或二甲基乙酰胺(dimethylacetamide，dmac)等中的任意一种或几种。进一步的，聚丙烯腈溶液例如可以为聚丙烯腈/二甲基甲酰胺(pan/dmf)、聚丙烯腈/碳酸丙烯(pan/pc)、聚丙烯腈/二甲基亚砜(pan/dmso)、聚丙烯腈/四氢呋喃(pan/thf)或聚丙烯腈/二甲基乙酰胺(pan/dmac)等混合溶液中的任意一种或几种。
32.请参阅图1所示，在步骤s100中，在本发明一实施例中，有机硅烷在体系中作为碳化硅源，且有机硅烷例如可以为聚碳硅烷(polycarbosilane，pcs)、聚硅氧烷、全氢聚碳硅烷或聚硅烷等中的任意一种或几种。进一步的，有机硅烷例如为聚碳硅烷，且聚碳硅烷的数均分子量例如为1000-1100，又例如聚碳硅烷的数均分子量例如为1066。在本发明一实施例中，聚碳硅烷(pcs)在使用时，可先将聚碳硅烷(pcs)与四氢呋喃(thf)混合，配成混合溶液，且聚碳硅烷(pcs)的质量在此混合溶液中的质量分数例如为12％-16％。
33.请参阅图1所示，在本发明一实施例中，在步骤s200中，在体系中添加催化剂，以催化聚丙烯腈与有机硅烷发生缩合反应。在本发明一实施例中，催化剂例如可以为偶氮二异丁腈、氯铂酸(h2ptcl6·
6h2o)或一氯
·
一羰基
·
二(三苯基膦)合铑((ph3p)2(co)rhcl)等中的任意一种。进一步的，催化剂例如为偶氮二异丁腈，当以丙烯腈作为原料时，偶氮二异丁腈又可作为自由基引发剂，引发丙烯腈发生聚合反应形成聚丙烯腈，不需要额外添加自由基引发剂。在本发明一实施例中，在体系中添加消泡剂，能降低溶液的表面张力，防止泡沫形成，且消泡剂例如可以为正辛醇、聚丙烯酰胺、缩合烷基苯基醚硫酸酯或聚苯乙烯磺酸盐等中的任意一种。
34.请参阅图1所示，在步骤s300中，在本发明一实施例中，可以将混合物置于加热炉中，对混合物进行梯度升温加热处理。
35.请参阅图2所示，在步骤s300中，在本发明一实施例中，对混合物进行升温加热处理的步骤包括s301-s304。
36.s301、将所述混合物从室温升温至第一预设温度。
37.请参阅图2所示，在步骤s301中，在本发明一实施例中，第一预设温度例如可以设置为300℃-400℃，此阶段的目的是让聚丙烯腈发生裂解，聚碳硅烷中的si-h键与聚丙烯腈中的不饱和键结合，随着温度逐渐升高，反应加深，最终形成si-c键。在本发明一实施例中，例如可以以1℃/min-3℃/min的速率将混合物从室温升温至第一预设温度，且例如可以在第一预设温度条件下恒温2h-6h，确保充分反应。
38.s302、继续将所述混合物从所述第一预设温度升温至第二预设温度。
39.请参阅图2所示，在步骤s302中，在本发明一实施例中，第二预设温度例如可以设置为600℃-800℃，此阶段的目的是让聚碳硅烷发生脱氢缩合和脱甲基缩合，并释放氢气(h2)和甲烷(ch4)，氢气与炉腔内残留的氮元素反应，从而减少碳-碳化硅复合材料中非目标元素含量。在本发明一实施例中，例如可以以2℃/min-4℃/min的速率将混合物从第一预设
温度升温至第二预设温度，且例如可以在第二预设温度条件下恒温4h-8h。
40.s303、继续将所述混合物从所述第二预设温度升温至第三预设温度。
41.请参阅图2所示，在步骤s303中，在本发明一实施例中，第三预设温度例如可以设置为1100℃-1400℃，此阶段的目的是让聚碳硅烷从有机结构向无机结构转变。在本发明一实施例中，例如可以以2℃/min-4℃/min的速率将混合物从第二预设温度升温至第三预设温度，且例如可以在第三预设温度条件下恒温5h-10h，确保聚碳硅烷完全分解，并转变为碳化硅。
42.s304、将所述混合物从所述第三预设温度降温冷却至室温，获取多孔的所述抛光材料。
43.请参阅图2所示，在步骤s304中，在本发明一实施例中，混合物在第三预设温度下恒温5h-10h后，停止对加热炉的加热，并让混合物自然冷却至室温，得到抛光材料，且抛光材料为多孔抛光材料，多孔抛光材料例如为碳-碳化硅复合粉料。随后对多孔抛光材料进行筛分，得到粒度均一的多孔抛光材料。在本发明一实施例中，多孔抛光材料的尺寸例如可以为0.1μm-1μm。
44.在本发明一实施例中，可利用上述制备方法制备的碳-碳化硅复合材料为抛光材料，例如通过等静压烧结等工艺将此复合材料制成碳-碳化硅陶瓷靶坯，将此碳-碳化硅陶瓷靶坯作为蓝宝石、氟化钙(caf2)、钇铝石榴石(yag)、钛氧磷酸钾(ktp)等晶体的衬底片的抛光垫。此碳-碳化硅陶瓷靶坯表面粗糙度低，研磨得到的衬底片表面光洁度高。
45.在本发明一实施例中，将聚丙烯腈/二甲基亚砜溶液与聚碳硅烷/四氢呋喃溶液混合，向混合溶液中加入偶氮二异丁腈和正辛醇并混合均匀，得到一混合物。将混合物放入烧结炉内进行梯度升温。第一阶段，以2℃/min的速率从室温升温至350℃，恒温3h，在此阶段聚丙烯腈开始裂解，聚碳硅烷中的si-h键与聚丙烯腈中的不饱和键反应，随着温度升高，反应加深，形成si-c键。第二阶段，以3℃/min的速率从350℃升温至600℃，在此阶段，聚碳硅烷发生脱氢缩合和脱甲基缩合，释放h2和ch4，氢气与气氛中氮元素反应，从而减少碳-碳化硅复合粉料中非目标元素含量。第三阶段，以3℃/min的速率从600℃升温至1100℃，恒温5h，在此阶段聚碳硅烷实现有机结构向无机结构的转变，经冷却降温，得到多孔抛光材料，即碳-碳化硅复合粉料。通过对多孔抛光材料进行筛分，即可得到粒度均匀的多孔抛光材料。相比于混合碳粉和碳化硅粉，粘结制备碳碳化硅复合粉料，本实施例以有机聚合物作为先驱体，常温下，以溶液混合均匀，保证烧结反应得到的碳-碳化硅复合粉料粒度的均匀性，且所得到的复合粉料具有更强的结合性。
46.在本发明一实施例中，以分子量为300000的聚丙烯腈为原料，以分析纯二甲基甲酰胺作为溶剂，配置浓度为20％的聚丙烯腈/二甲基甲酰胺溶液，以数均分子量为1066的聚碳硅烷为原料，以分析纯四氢呋喃为溶剂，制备浓度为16％的聚碳硅烷/四氢呋喃溶液，将两溶液混合均匀，向混合溶液中加入0.2vol％氯铂酸、聚丙烯酰胺并混合均匀，得到一混合物，将此混合物放入烧结炉内进行梯度升温。第一阶段，以1℃/min的速率从室温升温至300℃，恒温3h，在此阶段聚丙烯腈开始裂解，聚碳硅烷中的si-h键与聚丙烯腈中的不饱和键反应，随着温度升高，反应加深，形成si-c键。第二阶段，以2℃/min的速率从300℃升温至700℃，在此阶段，聚碳硅烷发生脱氢缩合和脱甲基缩合，释放h2和ch4，氢气与气氛中氮元素反应，从而减少合成的抛光材料中非目标元素含量。第三阶段，以2℃/min的速率从700℃升温
至1150℃，恒温4h，在此阶段聚碳硅烷实现有机结构向无机结构的转变，经冷却降温，得到多孔的抛光材料。
47.在本发明一实施例中，将聚丙烯腈/二甲基乙酰胺溶液与液态聚碳硅烷混合，向混合溶液中加入(ph3p)2(co)rhcl和聚苯乙烯磺酸盐并混合均匀，得到一混合物，将混合物放入烧结炉内进行梯度升温。第一阶段，以2℃/min的速率从室温升温至320℃，恒温4h，在此阶段，聚丙烯腈开始裂解，液态聚碳硅烷与聚丙烯腈结构中的不饱和键反应接枝。第二阶段，再以3℃/min的速率从至320℃升温至600℃，恒温6h，在此阶段主要是聚碳硅烷的裂解，释放出氢气和甲烷，氢气与气氛中的氮元素反应，从而降低制备得到的抛光材料中的氮含量。第三阶段，以3℃/min的速率从600℃升温至1200℃，在此阶段恒温10h，聚碳硅烷从有机结构转变为碳化硅，聚丙烯腈从有机结构转变为无定形碳。最后经冷却降温，得到多孔的抛光材料。
48.在本发明一实施例中，以丙烯腈作为原料，将丙烯腈加入聚碳硅烷/四氢呋喃溶液中混合，向混合溶液中加入偶氮二异丁腈和正辛醇并混合均匀，得到一混合物。将混合物放入烧结炉内进行梯度升温。第一阶段，以2℃/min从室温升温至350℃，恒温3h，在此阶段聚丙烯腈开始裂解，聚碳硅烷中的si-h键与聚丙烯腈中的不饱和键反应，随着温度升高，反应加深，形成si-c键。第二阶段，以3℃/min从350℃升温至600℃，在此温度段，聚碳硅烷发生脱氢缩合和脱甲基缩合，释放h2和ch4，氢气与气氛中氮元素反应，从而减少碳-碳化硅复合粉料中非目标元素含量。第三阶段，以3℃/min从600℃升温至1100℃，恒温5h，在此阶段聚碳硅烷实现有机结构向无机结构的转变，经冷却降温，得到多孔抛光材料，即碳-碳化硅复合粉料。通过对多孔抛光材料进行筛分，即可得到粒度均匀的多孔抛光材料。
49.综上所述，本发明提出一种抛光材料的制备方法及应用，使用聚丙烯腈作为碳源先驱体，使用有机硅烷作为碳化硅源先驱体，将两者混合，升温交联，经高温有机-无机转化，最终制备得到多孔的抛光材料。本方法制得多孔的抛光材料具有易成型、结构可修饰且颗粒之间的结合力强等优点，并通过调节原料的添加比例，可以控制抛光材料的表面粗糙度，从而可有效提高衬底片表面光滑度，减少衬底片表面划伤，从而提高研磨得到的衬底片的表面质量。
50.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
51.除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。