一种化学机械抛光垫的抛光层及其应用制造技术

本发明专利技术提供一种化学机械抛光垫的抛光层及其应用，本发明专利技术提供的抛光层具备优异的弹性和耐水解性的同时，还具备更高的机械强度和耐磨性，使得抛光层的耐久性良好。所述抛光层通过异氰酸酯预聚物、固化剂和功能填料反应制得，所述异氰酸酯预聚物为采用包括二异氰酸酯、聚醚酯多元醇和任选的小分子多元醇的原料反应制得的预聚物；所述固化剂为二胺化合物与氯化钠的络合物在己二酸二辛酯中形成的分散液，其浓度为40wt％‑50wt％；所述功能填料为已膨胀聚合物空心微球。

Polishing layer of a chemical mechanical polishing pad and its application

【技术实现步骤摘要】
一种化学机械抛光垫的抛光层及其应用
本专利技术涉及可用来对基材例如半导体基材或磁盘进行抛光和平面化的抛光垫的抛光层。
技术介绍
半导体的生产通常包括一些化学机械平整化(CMP)过程。在各个CMP过程中，抛光垫与抛光液(例如含磨料的抛光浆液或不含磨料的活性液)一起以刨平的方式除去多余的材料或保持其平整度，以便随后接收新层。这些层的堆叠以形成集成电路的方式合在一起。由于人们对具有更高运作速度、更小泄漏电流和更低能耗的器件的需求，这些半导体器件的制造正在变得越来越复杂。在器件的结构方面，这就意味着需要使零件(features)的几何形状更为精细并提高其金属化程度。这些越来越严格的器件设计要求使得人们要将镀铜作业和具有较低介电常数的新介电材料结合使用。降低的物理性质(通常与低k和超低k的材料有关)与器件复杂性的增加一起提高了对抛光垫和抛光液之类的CMP消耗品的要求。具体来说，低k和超低k介电材料与常规介电材料相比，往往具有较低的机械强度和较差的粘着性，使得平整化作业更加困难。另外，随着集成电路零件尺寸的减小，划痕之类由CMP造成的缺陷成为了更大的问题。另外，集成电路膜厚度的减小要求在改进缺陷的同时为晶片基片提供可接受的构形，这些构形上的需要使得对平整度、凹陷和侵蚀具有更高的要求。因此，先进制程的工艺，例如特征尺寸为28nm以及低于28nm的工艺，要求抛光垫具有更低的缺陷、更少的划痕以及更好的去除率。公知的是，使用低硬度的聚氨酯能够有效地降低抛光过程中产生的划痕等缺陷，但是与之相对应的则会降低去除速率。反之，高硬度的聚氨酯虽然能够有效提高去除速率，但同时抛光过程中的划痕数量也会增加。如何在划痕与去除速率之间达到一个理想的平衡，是抛光垫研发中需要关注的重要话题。传统的抛光垫的制备方法，大多采用多元醇与多异氰酸酯反应，制备异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物，然后再进行发泡或者造孔，并与多元胺混和固化成所需的聚氨酯抛光垫。多元醇的选择中，出于耐水解和弹性方面的考虑，聚醚多元醇为优选，然而制备的抛光垫其强度和耐磨性稍差，抛光垫的使用寿命短。而相对于聚醚多元醇，聚酯类多元醇由于具有更多的强极性基团而具备更强的结晶性，因而制备的抛光垫具有更高的硬度、机械强度和耐磨性；然而，用聚酯多元醇制备的抛光垫因其聚酯多元醇不耐水解(抛光过程中抛光垫会接触抛光液，而抛光液的主要成分是水)，因此制备的抛光垫也不耐水解，一旦抛光垫水解，其强度和耐磨性会急剧下降，直接影响抛光速率和抛光质量以及抛光垫寿命。另外，由于异氰酸酯封端的氨基甲酸酯预聚物与多元胺反应固化时反应剧烈，凝胶时间较短，因此抛光垫中孔的形成会分布不均匀，由此造成抛光垫的硬度、密度分布不均匀，影响抛光效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种化学机械抛光垫的抛光层。本专利技术提供的抛光层具备优异的弹性和耐水解性的同时，还具备更高的机械强度和耐磨性，使得抛光层的耐久性良好。此外抛光层的密度分布均匀，抛光层的均一性良好。本专利技术为达到其目的，提供如下技术方案：本专利技术提供一种化学机械抛光垫的抛光层，通过异氰酸酯预聚物、固化剂和功能填料反应制得，所述异氰酸酯预聚物为采用包括异氰酸酯、聚醚酯多元醇和任选的相对分子量小于500的小分子多元醇的原料反应制得的NCO含量为6wt％-10wt％的预聚物；所述固化剂为二胺化合物与氯化钠的络合物在己二酸二辛酯中形成的分散液，其中所述络合物浓度为40wt％-50wt％，优选40wt％-45wt％；所述功能填料为已膨胀聚合物空心微球。优选实施方式中，所述聚醚酯多元醇为以聚四氢呋喃为起始剂的聚己内酯多元醇，官能度为2-3，优选官能度为2，数均分子量为1000-2000，优选数均分子量为2000。聚四氢呋喃多元醇虽然具有聚己内酯多元醇所不能达到的某些特性，特别是良好的耐水解性，但其机械强度、耐磨性能等比不上聚己内酯多元醇。聚己内酯多元醇虽然耐撕裂、耐磨、耐烃类溶剂和耐化学品性能等要比聚四氢呋喃多元醇优异，但其耐水解性能又比聚四氢呋喃多元醇差，而且在异氰酸酯预聚物NCO含量以及固化剂种类相同的情况下，其制备的聚氨酯抛光层的硬度偏高，进而导致抛光过程中的划痕数量增多，抛光质量下降。为了结合以上两种多元醇各自不同的特性，制备综合性能更加优异的聚氨酯抛光层，可以把聚四氢呋喃多元醇与聚己内酯多元醇混用制备异氰酸酯预聚物。比如把聚氢呋喃多元醇与聚己内酯多元醇按一定的比例混和，再以混合物的形式与异氰酸酯反应。然而，本申请专利技术人发现，这种做法，由于聚四氢呋喃多元醇与聚己内酯多元醇本身极性有一定差异，所以反应合成的异氰酸酯预聚物稳定性较差，具体表现为：随着时间的延长，异氰酸酯预聚物会出现分层，进而导致制备的聚氨酯抛光层综合性能较差。即使异氰酸酯预聚物没有出现分层现象，由其制备的聚氨酯抛光层其综合性能也不能达到最佳。本申请专利技术人发现，采用的聚醚酯多元醇为聚四氢呋喃为起始剂的聚己内酯多元醇时，即在聚醚酯多元醇合成反应的阶段，使得聚四氢呋喃多元醇和聚己内酯多元醇达到分子结构层级上的融合，由此反应生成的异氰酸酯预聚物最为稳定，制备的聚氨酯抛光层具有优异的弹性、耐水解性，也能赋予抛光垫优异的强度和耐磨性，综合性能最为稳定、突出，使得抛光效果大幅度提升。本专利技术所用的以聚四氢呋喃为起始剂的聚己内酯多元醇可以可根据现有工艺制备得到，也可直接采用市售产品，例如可以采用但不限于日本大赛璐，型号为PlaccelT2205T的产品，瑞典Perstorp公司的CAPA7201A。一些实施方式中，所述异氰酸酯预聚物采用包括如下质量百分比的原料反应制得：30wt％-50wt％优选30wt％-40wt％的二异氰酸酯；40wt％-60wt％优选50-60wt％更优选50-55wt％的聚醚酯多元醇；0wt％-10wt％优选5wt％-10wt％的小分子多元醇；以上各原料的质量百分比均为基于所述二异氰酸酯、所述聚醚酯多元醇和所述小分子多元醇的总质量。所述异氰酸酯预聚物的制备工艺为本领域的现有技术，对此不作特别限制。本领域人员可根据现有工艺而制备得到所述异氰酸酯预聚物；例如可以采用如下工艺过程：将异氰酸酯、聚醚酯多元醇和小分子多元醇在75-80℃下反应1-3小时，得到所需NCO含量的预聚物。一些示例的工艺操作如下：先称取所需质量的异氰酸酯于反应容器中，并使其温度维持在60℃左右，然后把60℃左右的聚醚酯多元醇分批或逐滴加入异氰酸酯中，然后将40℃左右的小分子多元醇分批或逐滴加入异氰酸酯和聚醚酯多元醇的混合物中，加完聚醚酯多元醇后把反应温度提高至75-80℃，恒温反应1-3小时后取样测NCO％含量，达到预设值后真空脱泡出料。一些实施方式中，所述异氰酸酯选自亚甲基双-4,4’-环己基二异氰酸酯、环己基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、己二异氰酸酯、亚丙基-1,2-二异氰酸酯、四亚甲基-1,4-二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯、十二烷-1,12-二异氰酸酯、环丁烷-1,3-二异氰酸酯、环己烷-1,3-二异氰酸酯、环己烷-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化学机械抛光垫的抛光层，通过异氰酸酯预聚物、固化剂和功能填料反应制得，其特征在于，所述异氰酸酯预聚物为采用包括异氰酸酯、聚醚酯多元醇和任选的相对分子量小于500的小分子多元醇的原料反应制得；/n所述固化剂为二胺化合物与氯化钠的络合物在己二酸二辛酯中形成的分散液，其中所述络合物浓度为40wt％-50wt％，优选40wt％-45wt％；/n所述功能填料为已膨胀聚合物空心微球。/n

【技术特征摘要】
1.一种化学机械抛光垫的抛光层，通过异氰酸酯预聚物、固化剂和功能填料反应制得，其特征在于，所述异氰酸酯预聚物为采用包括异氰酸酯、聚醚酯多元醇和任选的相对分子量小于500的小分子多元醇的原料反应制得；
所述固化剂为二胺化合物与氯化钠的络合物在己二酸二辛酯中形成的分散液，其中所述络合物浓度为40wt％-50wt％，优选40wt％-45wt％；
所述功能填料为已膨胀聚合物空心微球。


2.根据权利要求1所述的化学机械抛光垫的抛光层，其特征在于，所述聚醚酯多元醇为以聚四氢呋喃为起始剂的聚己内酯多元醇，官能度为2-3，优选官能度为2，数均分子量为1000-2000，优选数均分子量为2000。


3.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光垫的抛光层，其特征在于，所述异氰酸酯预聚物采用包括如下质量百分比的原料反应制得：
30wt％-50wt％优选30wt％-40wt％的异氰酸酯；
40wt％-60wt％优选50-60wt％的聚醚酯多元醇；
0wt％-10wt％优选5wt％-10wt％的小分子多元醇；
以上各原料的质量百分比均为基于所述异氰酸酯、所述聚醚酯多元醇和所述小分子多元醇的总质量。


4.根据权利要求3所述的化学机械抛光垫的抛光层，其特征在于，所述异氰酸酯选自亚甲基双-4,4’-环己基二异氰酸酯、环己基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、己二异氰酸酯、亚丙基-1,2-二异氰酸酯、四亚甲基-1,4-二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯、十二烷-1,12-二异氰酸酯、环丁烷-1,3-二异氰酸酯、环己烷-1,3-二异氰酸酯、环己烷-1,4-二异氰酸酯、1-异氰酸酯基-3,3,5-三甲基-5-异氰酸酯基甲基环己烷、甲基环己烯二异氰酸酯、己二异氰酸酯的三异氰酸酯、2,4,4-三甲基-1,6-己烷二异氰酸酯的三异氰酸酯、乙二异氰酸酯、2,2,4-三甲基己二异氰酸酯、2,2,4-三甲基己二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、粗MDI、脲二酮改性的MDI、碳二亚胺改性的MDI中的一种或多种的混合物，优选甲苯二异氰酸酯，更优选2,4-甲苯二异氰酸酯；
和/或，所述小分子多元醇为乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、2-甲基-1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、新戊二醇、1,5-戊二醇、3-甲基-1,5-戊二醇、1,6-己二醇、二甘醇、二丙二醇、三丙二醇中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建勋，王凯，方璞，孙烨，杨洗，
申请(专利权)人：万华化学集团股份有限公司，万华化学宁波有限公司，上海万华科聚化工科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37