[发明专利]一种仿生表面结构抛光垫及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及的技术领域为化学机械抛光技术领域，特别涉及一种仿生表面结构抛光垫及制造方法。

背景技术

化学机械抛光(CMP)是利用化学和机械的作用使材料去除，并且获得超光滑和超平坦表面的一种加工方法。该技术被广泛用于半导体晶片、光学镜面、显示器基板、硬磁盘基片和陶瓷平面零件等的制造领域。特别是该技术被应用于集成电路(IC)和微机械系统(MEMS)制造领域以来，其越来越得到国内外学者和企业界人士的广泛重视。

在化学机械抛光过程中，被抛光工件表面与固结在抛光盘表面的抛光垫接触，并在一定的压力和速度条件下相互摩擦，同时注入相应的抛光液，通过抛光液的化学作用和抛光垫(包括抛光液中的磨料)与抛光表面的机械摩擦作用使材料去除。在这个过程中抛光垫的形态起到了十分关键的作用。一般的抛光垫是一种较软的粘弹性材料制成，并且一些抛光垫是通过特定的工艺使其内部含有一定的空隙。在抛光过程中，抛光垫的作用不仅是贮存抛光液并把它运送到工件的整个加工区域，以及移除抛光过程产生的残留物质(如抛光碎屑，抛光垫碎片等)，而且还直接参与工件表面的摩擦切削和利用其的弹性变形来改变与工件的接触状态，并且嵌入磨料和提高磨料的等高性。因此，抛光垫的表面几何结构特性和物理特性对被抛光表面的宏观与微观几何特性有十分重要的影响。

抛光垫通常可以分为硬质和软质(弹性，粘性)两种。硬质抛光垫可以较好地保证工件表面的平面度；软质抛光垫可以获得加工变质层和表面粗糙度都很小的抛光表面。用于化学机械抛光(CMP)过程的硬质抛光垫有各种粗布垫，纤维织物垫，聚乙烯垫等，软质抛光垫主要有聚氨酯垫，细毛毡垫，各种绒毛布垫等。目前在集成平坦化抛光中多使用两层叠加的抛光垫，如聚氨酯IC1000和聚氨酯SUBAIV叠加组成的抛光垫，其上层选用较硬的聚氨酯IC1000抛光垫，承受化学机械抛光(CMP)过程的机械与化学作用，从而提高材料的去除率且获得较好平面度；底层选用较软有弹性的聚氨酯SUBAIV抛光垫，能改善整个抛光垫的可压缩性，使抛光垫表面与工件均匀接触，保证晶片表面材料更均匀去除。但是这些抛光垫仍不能更全面地解决抛光过程由于抛光垫材料的剪切效应带来的接触压强分布不均匀问题、接触温度场均匀性问题，以及抛光液的可控性均匀输入问题等。这些问题的存在，使得大尺寸表面得到宏观与微观表面平坦化仍然难以实现最佳平坦化，特别是对大尺寸晶片制造IC的集成平坦化问题仍然具有较大的困难。

然而，弹性力学的“Winkler地基”理论和生物学的叶序理论为解决上述问题提供了理论基础。“Winkler地基”是把接触支撑看成是由无数个相互独立“土柱”所组成，它忽略了剪切效应。满足叶序理论排布的葵花籽粒排布结构具有自分离、对辐射的最大吸收的作用，而且叶序排布形成的顺时针和逆时针斜列线沟槽也具有对流体均布分散的作用。因此，发明一种新型抛光垫对平面化学机械抛光实现最佳化有重要的科学意义和实际价值。

发明内容

本发明的一个目的是针对抛光过程中由于抛光垫材料的剪切效应使得产生的接触压强不均匀、被抛光件中心温度较高、抛光液难以均匀进入接触区域和产生的废物难以排出的问题，而提供的一种仿生表面结构抛光垫。

本发明的另一目的是提供了制造一种仿生表面结构抛光垫的制造方法。

采用的技术方案是：一种仿生表面结构抛光垫，包括多个凸块与基层，多个凸块经过固化及硫化处理固结在基层上。

其技术要点在于：所述的凸块由上层硬质凸块和下层软质凸块组成，凸块的直径范围为φ0.5～5mm。下层软质凸块材料为软质聚氨酯，经过固化及硫化处理固结在基层上，厚度在0.3～0.5mm。上层硬质凸块材料为硬质聚氨酯或混入微纳米磨料的硬质聚氨酯，经过固化及硫化处理固结在下层软质凸块上，上层硬质凸块厚度为0.3～0.75mm，上下两层凸块形成一整体结构。混入的微纳米磨料可以为金刚石、立方氮化硼、二氧化硅、氧化铈或氧化铝等，粒度为5～200nm。

硬质聚氨酯由聚氨酯材料或混入微纳米磨料的聚氨酯材料在温度为80℃-110℃，硫化3-5小时制得。软质聚氨酯由聚氨酯材料在温度为80℃-110℃，硫化2-4小时制得。

上述聚氨酯材料由PU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂组成，质量比例为100∶100-150∶100-300。上述混有微纳米磨料的硬质聚氨酯φPU树脂、环氧活性稀释剂、固化剂与微纳米磨料的质量比例为100∶100-150∶100-300∶200-280。