一种蜂窝CMP化学机械抛光垫及其制备工艺的制作方法

本发明属于半导体器件，具体涉及一种蜂窝cmp化学机械抛光垫及其制备工艺。

背景技术：

1、cmp（chemicalmechanicalpolishing），即化学机械拋光，是一种用于平坦化半导体器件制造过程中表面材料的技术。它结合了化学作用与机械作用来实现对材料表面的高精度平坦化处理。cmp技术主要应用在集成电路制造中，用于去除多余的材料以及使表面达到高度平整，以利于后续工艺步骤的进行。在半导体制造过程中，衬底（substrate）是指用于承载和生长电子器件的基材，最常见的是硅晶片。而抛光垫（polishingpad）则是化学机械抛光（cmp）工艺中的一个重要组件，用于实现衬底表面的高度平坦化。

2、cmp过程通常包括以下几个部分：（1）抛光垫：一个柔软的平面垫子，用于支撑抛光过程中使用的研磨液，并且与晶圆表面接触。（2）抛光液：含有微小颗粒的悬浮液，这些颗粒有助于去除材料。抛光液中的化学成分会与晶圆表面发生反应，而机械摩擦则进一步帮助移除表面材料。（3）晶圆载体：用来固定住晶圆，并可以控制晶圆与抛光垫之间的压力以及旋转速度。在cmp过程中，晶圆被压向含有研磨颗粒的抛光垫，同时抛光垫也处于旋转状态。通过化学反应和机械摩擦共同作用，晶圆表面的材料会被均匀地去除，从而实现表面的平坦化。

3、目前市场上常见的半导体抛光垫在使用过程中可能会遇到多种问题，这些问题会影响抛光质量和设备的运行效率：（1）磨损：抛光垫在长期使用后会发生磨损，导致表面变得不平整，影响抛光的一致性和质量。（2）沟槽形成：由于抛光过程中的不均匀压力或者材料去除速率的不同，可能会在抛光垫上形成沟槽或凹陷，这会进一步加剧抛光不均匀的问题。（3）自锐性差：如果抛光垫缺乏良好的自锐性（即自我更新表面的能力），那么它的有效使用寿命将会缩短，需要频繁更换。（4）内生热：在抛光过程中，由于摩擦会产生热量，如果散热不良，则可能导致工件表面烧伤或变形。（5）在cmp抛光过程中，持续需要的是既能提高材料去除速率，又能保持可接受的缺陷水平和层均匀性的抛光垫。然而，在实际工业应用中，仍然存在着平坦化效率（pe）与缺陷率之间的权衡问题：更高的平坦化效率往往伴随着更多的缺陷。

4、因此，亟需一种蜂窝cmp化学机械抛光垫及其制备工艺。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种蜂窝cmp化学机械抛光垫及其制备工艺。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种蜂窝cmp化学机械抛光垫的制备工艺，包括如下步骤：

4、（1）将2-5重量份羟基硅油、100重量份多元醇、30-35重量份的二羟甲基丁酸、20-26重量份杂环二元醇和0.3-0.5重量份发泡剂和0.3-0.5重量份表面活性剂混合，搅拌加热至95-97℃，真空脱水，降温至26-28℃，加入200-230重量份二异氰酸酯，升温至80-85℃，保温反应2-3h，降温至50-55℃，加入260-280重量份丙酮，升温至74-76℃，反应7-9h，降温至15-20℃，加入15-18重量份三乙胺和800-850重量份的丙酮，搅拌40-50min，得到预聚体；

5、所述羟基硅油包括重量比1：（1.2-1.5）：（0.6-0.8）的型号bm-oh107-50的羟基硅油、型号bm-oh107-250的羟基硅油和型号bm-oh107-500的羟基硅油。

6、（2）搅拌条件下，将1500-1540重量份冰水混合物加入到预聚体中，搅拌15-20min，然后加入10-13重量份乙二胺和50-60重量份水组成的溶液，继续搅拌5-6h，脱去丙酮，得到聚氨酯材料；

7、（3）将聚氨酯材料加入模具中在100-110℃干燥20-30min，裁剪，得到蜂窝cmp化学机械抛光垫。

8、目前市面上的聚氨酯材质的抛光垫的抛光速率不佳。本发明通过使用特定配比组成的羟基硅油对聚氨酯材料进行改性，可以改善抛光垫对硅晶片的抛光速率。分析是改性后的聚氨酯材料，由于引入硅氧烷主链（si-o-si），使聚氨酯材料具有更稳固的交联结构，同时硅氧烷基团可以降低聚氨酯与水分子结合，缓解在外力推动作用下时抛光垫与研磨剂及水分子相互摩擦，避免抛光垫出现磨损，可以保持较高的抛光速率。

9、进一步地，所述发泡剂为水。

10、进一步地，所述表面活性剂为重量比（0.3-0.6）：1：（1.4-1.7）的壬基酚聚氧乙烯醚np-10、吐温60和司盘80。均购自济南澳兴化工有限公司。

11、本发明通过在制备聚氨酯材料中加入水作为发泡剂，可以在抛光垫中形成多孔的结构，用于改善抛光垫的削切率。在聚氨酯的合成过程中，异氰酸酯与多元醇反应生成聚氨酯，如果在这个过程中加入适量的水，水会与异氰酸酯反应生成二氧化碳和脲键，这个反应是一个放热反应，生成的co2会在混合物中形成气泡。生成的co2气体会在混合物中形成气泡，随着反应的继续进行，这些气泡会逐渐膨胀并分布在整个混合物中。同时，反应放出的热量会促使混合物中的溶剂挥发，进一步帮助气泡的形成和膨胀。当聚氨酯开始固化时，气泡被固定在材料内部，形成了多孔结构。这些气泡在固化过程中不会逸出，而是被包覆在聚氨酯网络中，从而形成稳定的多孔结构。但是在试验中发现生成的孔大小不均匀，改善效果不佳。本发明通过加入特定配比的表面活性剂，可以改善抛光垫的削切率。分析是通过加入表面活性剂可以使水在体系中分散更均匀，形成均匀性更好的多孔结构。在聚氨酯的合成过程中，水与异氰酸酯反应生成二氧化碳气体，这些气体在材料内部形成气泡，最终固化为多孔结构，这种多孔结构不仅存在于材料内部，也会延伸至材料表面，形成内外一致的多孔特征。多孔结构增加了抛光垫与抛光对象硅晶片之间的接触面积，使得更多的材料可以通过机械摩擦被去除。孔隙的存在可以容纳更多的抛光液，使得抛光液能够更好地分布和渗透到抛光垫与晶片之间的接触区域，从而提高削切效率。多孔结构使得抛光垫在使用过程中能够通过孔隙内的材料自我更新，即所谓的“自锐性”。这意味着抛光垫表面在磨损后，新的锐利边缘会暴露出来，从而保持较高的削切能力。

12、进一步地，二异氰酸酯包括二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种。

13、进一步地，杂环二元醇为1,5,9,13-四硫杂环十六烷-3,11-二醇。cas：109909-33-3。

14、进一步地，所述多元醇为重量比（1.2-1.5）：1：（0.4-0.6）的改性聚醚多元醇、聚醚多元醇a和聚醚多元醇b。

15、进一步地，聚醚多元醇a为羟值385-405mgkoh/g，25℃粘度6000-10000mpa.s的聚醚多元醇。购自上海东大化学有限公司生产的donolr8238。

16、进一步地，聚醚多元醇b为羟值430±30mgkoh/g，25℃粘度2500-4000mpa.s的聚醚多元醇。购自徐州熠辉扬新材料有限公司，聚醚多元醇4110。

17、进一步地，所述改性聚醚多元醇的制备方法包括以下步骤：将28重量份1,9-壬二醇（购自浙江博聚新材料有限公司）和0.85-0.90重量份氢氧化钾混合，在氮气氛围下，脱水后，升温至107-110℃，压力为0.1-0.3mpa条件下，加入177-180重量份环氧丙烷和440-445重量份环氧丁烷，反应40-50min，脱除未反应的原料，降至室温，使用盐酸中和至ph为7，得到改性聚醚多元醇。

18、本发明试图使用市售的多元醇制备聚氨酯材料，但是发现制备的抛光垫在使用过程中导致硅晶片的缺陷数量较多。本发明通过使用改性聚醚多元醇和市售的聚醚多元醇特定比例混合制备聚氨酯材料，制备的抛光垫可以减少硅晶片的缺陷数量。使用1,9-壬二醇制备的聚醚多元醇，通过提高聚醚多元醇结构中疏水基团含量大幅提高聚醚多元醇的疏水性能具有疏水性，通过调整疏水聚醚多元醇和市售聚醚多元醇的比例，可以在材料的疏水性和亲水性之间找到最佳平衡点。这种平衡有助于提高抛光垫的综合性能，包括机械强度、耐用性、湿润性和表面均匀性等。优化后的抛光垫表面更加均匀，可以更有效地去除材料而不留下明显的缺陷。这有助于提高硅晶片的表面质量和一致性。

19、本发明提供了上述制备工艺制得的蜂窝cmp化学机械抛光垫。

20、进一步地，所述抛光垫的厚度为1.5-2.5mm。

21、与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

22、1、本发明通过使用特定配比组成的羟基硅油对聚氨酯材料进行改性，可以改善抛光垫对硅晶片的抛光速率，提高耐磨性，使用寿命增长。

23、2、本发明通过在制备聚氨酯材料中加入水作为发泡剂，可以在抛光垫中形成多孔的结构，通过加入特定配比的表面活性剂，可以改善抛光垫的削切率。

24、3、本发明通过使用改性聚醚多元醇和市售的聚醚多元醇特定比例混合制备聚氨酯材料，制备的抛光垫的可以减少硅晶片的缺陷数量。