專利名稱：基于葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊及制造方法
技術領域：
本發明涉及化學機械拋光技術領域，特別是涉及基于葵花籽粒分布結構的仿生拋 光墊及制造方法。
背景技術：
化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP)是通過磨料粒子的研 磨作用與拋光液的化學腐蝕作用的有機結合，使被拋光的工件表面獲得超光滑和超平坦加 工方法。自1991年IBM公司首次成功地將CMP技術應用到IC制造過程以來，化學機械拋 光技術已廣泛地用于集成電路、存儲磁盤與磁頭、光學零件表面等的加工領域。隨著科學技術的迅猛發展，半導體產業的戰略地位越來越重要，半導體產業的發 展主要表現在兩個方面一是不斷縮小器件的特征尺寸，以滿足微型化、高密度化的要求； 二是不斷擴大的晶片直徑尺寸，以增加IC芯片產量，降低單元制造成本。特征尺寸的不斷 縮小的對晶片表面的質量提出了苛刻的要求，要求亞微米級平整度、納米級表面粗糙度和 高表面完整性；而宏觀尺寸的增大又使得全晶片內的平坦化均勻性帶來極大困難。在平面的化學機械拋光過程中，拋光墊與拋光表面接觸，由于拋光墊的連續性和 材料的剪切效應，接觸表面的壓強分布將產生不均勻效應，而晶片表面材料去除量正比于 接觸壓強，因而導致被拋光表面產生宏觀與微觀幾何形貌不均勻現象。同時拋光過程如何 保證拋光液流動的均勻性和如何使拋光產生的切屑和拋光液中雜質粒子快速排除，也是拋 光過程中難以有效解決的問題；另外拋光過程中產生的熱常使接觸區域的溫度場分布不 均，也將使得拋光產生的宏觀表面不均勻。為了解決這個問題，人們采用了氣囊加壓法、 流體背壓加壓法、護環法和背墊法等進行拋光，但仍然不能解決上述所有問題。然而，用 “Winkler地基”理論和生物的葉序理論為解決上述問題提供了可能，遵循葉序理論的葵花 籽粒排布，見圖8，具有籽粒凸起13、順時針斜列線溝槽14和逆時針斜列線溝槽15結構，具 有表面對熱輻射的最大吸收，而斜列鐵溝槽對流體作用時有發散效應的特性。因此，發明一 種新型拋光墊對提高CMP拋光效率和表面材料均勻性去除，實現高效超平坦化拋光有重要 的科學意義。
發明內容
本發明要解決的技術問題，是一部分是基于“Winkler地基”理論和生物學的葉序理論設計拋光墊結構，另一部分是制造該結構的拋光墊的技術方法。“Winkler地基”理論是 將接觸對象看成是剪切彈性模量為零，接觸的支撐為由一個個與接觸變形與壓強成正比的 獨立“土柱”所組成，因此，如果將拋光墊切割成相互分離的單元塊就可以解決連續結構拋 光墊的橫向牽連效應，使接觸平均壓強達到均勻的目的。葵花籽粒排布的結構具有自分離 效應，滿足“Winkler地基”理論模型要求，而這種排布滿足生物學的葉序理論Vogel模型， 即籽粒極坐標角度θ = 137.508° η，籽粒塊極坐標徑向位置r = A:i。Vogel模型是葵花 籽粒結構排布規律模型，葵花籽粒結構的排布具有表面對熱輻射的最大吸收，形成的斜列線螺旋溝槽對流體作用時有發散效應的特征。因此，按照上述理論設計和制造的拋光墊就 具有均勻接觸壓強分布、拋光液均布和接觸溫度場分布的作用，同時溝槽和墊凸起塊的交 互排布可合理地匹配拋光過程中的化學與機械作用，從而達到提高拋光效率的目的的葵花 籽粒分布結構的仿生拋光墊。采用的技術方案是基于葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊，由上層硬質凸塊和下 層支撐體組成。所述的下層支撐體由下層軟質凸塊連接軟質基層且為一整體而構成，所述 下層軟質凸塊與上層硬質凸塊相對應，上層硬質凸塊支撐在下層軟質凸塊上，并固定連接。 所述上層硬質凸塊分布排列成葵花籽粒排列形狀，基于生物學的葉序理論Vogel模型，即 籽粒極坐標角度θ = 137.508° η，籽粒塊極坐標徑向位置r = &V^，其中Θ為分布角。r 為分布半徑，η凸起塊的序數，k為分布系數，并且硬質凸塊依據“Winkler地基”理論分割。上述的上層硬質凸塊為具有混入粒度為5-200nm的氧化硅或氧化鈰、金剛石、碳 酸鈣、碳酸鋇磨料硬質聚氨酯彈性體，下層支撐體為軟質聚氨酯彈性體。上述的上層硬質凸塊為圓柱形，直徑為Φ0. 5 5mm，厚度為0. 3-0. 75mm。上述的下層支撐體的下層軟質凸塊厚度為0.7-0. 5mm，軟質基層厚度為 0. 3-0. 5mm。葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊的制造方法，包括下列步驟1)制作模板，模板上制作出具有專籽粒仿生結構排布的型腔孔。模板上型腔孔可 以采用鉆孔、激光打孔、光刻腐蝕方法制作。2)先將模板安裝在一個作為基準的平面澆注基板上，然后將脫水后的低聚物多遠 醇與二異氰酸酯均勻混合，加熱升溫至80°C保溫1-3小時，再加入擴鏈劑和磨料，攪拌混合 均勻后立即注入預熱100°C裝有模板的模具中，注完送入80-100°C熱空氣爐中硫化，以便 形成含有磨料的聚氨酯上層硬質凸塊。3)澆注下層支撐體，將脫水的低聚物多元醇和二異氰酸酯均勻混合，在80°C保溫 1-3小時，再加入擴鏈劑攪拌混合均勻后澆到已經固化的含有磨料聚氨酯上層硬質凸塊上， 將基層的表面用基板找平，并擠壓后在室溫下硫化待固化。4)完成步驟3)固化后脫模，形成仿生結構的拋光墊。上述的步驟2)所形成含有磨料聚氨酯上層硬質凸塊的低聚物多遠醇為1，6_己二 氯醇，二異氰酸酯為對苯二異氰酸酯或1，5萘二異氰酸酯，擴鏈劑為3，3 一二一 4，4 一二苯 基甲烷二胺，其低聚物多遠醇、二異氰酸酯、擴鏈劑、磨料之間的質量配比為100-150 100 -150 150-200 200-300。上述的步驟3)所澆注的下層支撐體的低聚物多元醇為乙二醇，二異氰酸酯為2， 4-甲苯二異氰酸酯，擴鏈劑為丁二醇，其低聚物多元醇、二異氰酸酯、擴鏈劑之間的質量配 比為100-150 100-150 150-200。本發明制得的具有葵花籽粒分布凸起的固結磨料拋光墊具有使壓力場、溫度場和 拋光液分布均勻，以及使晶片表面拋光材料去除分布均勻的優點，可用于半導體晶片表面 的化學機械拋光(CMP)和集成電路(IC)制造過程的各階段的化學機械平坦化，將改善集成 電路的制造質量。
圖1是本發明拋光墊表面仿生結構示意圖。圖2是本發明拋光墊的斷面形狀放大圖。圖3是本發明拋光墊制造澆注工藝步驟中模板示意圖。圖4是澆注混有磨料的聚氨酯上層硬質凸塊示意圖。圖5是澆注下層支撐體的軟質凸塊及軟質基層示意圖。圖6是脫模形成仿生拋光墊斷面示意圖。圖7是拋光“Winkler地基“理論接觸模型圖。圖8是葵花籽粒結構分布圖。
具體實施例方式基于葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊，由上層硬質凸塊1和下層支撐體2組成。所 述的下層支撐體2由下層軟質凸塊3連接軟質基層4且為一整體而構成，所述下層軟質凸 塊3與上層硬質凸塊1相對應，上層硬質凸塊1支撐在下層軟質凸塊3上，并固定連接。所述 上層硬質凸塊1的分布滿足葉序理論的Vogel模型，即籽粒極坐標角度θ = 137. 508° η, 籽粒塊極坐標徑向位置r = Ai,其中θ為分布角，r為分布半徑，η凸起塊的序數，k為分 布系數。K值的選取根據拋光墊的直徑和凸塊大小適當選取，保證實際拋光接觸面積占整 個拋光墊面積合理比例。硬質凸塊1依據“Winkler地基“理論分割。所述上層硬質凸塊1 為具有混入粒度為IOOnm的二氧化硅磨料硬質聚氨酯彈性體，下層支撐體2為軟質聚氨酯 彈性體。上層硬質凸塊1為圓柱形，直徑為Φ0. 8mm，厚度為0.5mm。下層支撐體2的下層 軟質凸塊3厚度為0. 4mm,軟質基層4為0. 5mm。葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊的制造方法，包括下列步驟1)制作模板(見圖3)，模板5制作出具有籽粒仿生結構排布的型腔孔6可以采用激光打孔制作。2)先將模板5安裝在一個作為基準的平面澆注基板7上然后將脫水后的低聚物多元醇(1，6_己二醇)與二異氰酸酯(對苯二異氰酸酯)均勻混合，適當加熱升溫，在80°C保 溫2時，在加入擴鏈劑(3，3_ 二氯-4，4-二苯基甲烷二胺)和磨料猛烈攪拌數分鐘，混合均 勻后立即注入預熱100°C的特制模具(圖4)中，(低聚物多元醇、二異氰酸酯、擴鏈劑、磨料 之間的質量配比為100 150 150 250)，然后送入90°C熱空氣爐中硫化，形成含有磨 料的硬聚氨酯上層凸塊1。3)澆注層下層支撐體2(圖5)將脫水后的低聚物多元醇(乙二醇)和二異氰 酸酯(2，4_甲苯二異氰酸酯)均勻混合，在80°C保溫2小時，再加入擴鏈劑(丁二醇) 猛烈攪拌數分鐘混合均勻后，(低聚物多元醇、二異氰酸酯、擴鏈劑之間的配比質量為 100 150 150)澆注到已經固化的硬聚氨酯上層硬質凸臺1上，將基層4的表面用基板 找平，并擠壓后在室溫下硫化待固化。4)完成步驟3)固化后脫模，形成方生結構的拋光墊。圖7所示，是拋光簡化的“Winkler地基”模型。拋光時晶片10在背墊9的支撐下 安裝在夾具8上。晶片10與拋光墊11接觸，拋光墊11粘接拋光盤12上。按照“Winkler 地基”理論拋光墊11的凸起可以看成小的獨立的“土柱“，簡化成彈簧支撐。
權利要求
基于葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊，由上層硬質凸塊(1)和下層支撐體(2)組成，其特征在于所述的下層支撐體(2)由下層軟質凸塊(3)連接軟質基層(4)且為一整體而構成，上層硬質凸塊(1)支撐在下層軟質凸塊(3)上，并固定連接，上層硬質凸塊(1)分布排列成葵花籽粒排列形狀，基于生物學的葉序理Vogel模型，即籽粒極坐標角度θ＝137.508°n，籽粒塊極坐標徑向位置其中θ為分布角，r為分布半徑，n為凸起塊的序數，k為分布系數，并且硬質凸塊依據“Winkler地基”理論分割。FSA00000101731500011.tif
2.根據權利要求1所述的基于葵花籽粒分布結構仿生拋光墊，其特征在于所述的上層 硬質凸塊(1)為具有混入粒度為5-200nm的二氧化硅或氧化鈰、金剛石、碳酸鈣、碳酸鋇磨 料硬質聚氨酯彈性體，下層支撐體(2)為軟質聚氨酯彈性體。
3.根據權利要求1所述的基于葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊，其特征在于所述的硬 質凸塊(1)為圓柱形，直徑為Φ0. 5 5mm，厚度為0. 3-0. 75mm。
4.根據權利要求1所述的基于葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊，其特征在于所述的下 層支撐體(2)的下層軟質凸塊(3)厚度為0. 3-0. 5mm，軟質基層(4)厚度為0. 3-0. 5mm。
5.葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊的制造方法，其特征包括下列步驟1)制作模板，模板(5)上制作出具有籽粒仿生結構排布的型腔孔(6)，模板上型腔孔 (6)可以采用鉆孔、激光打孔、光刻腐蝕方法制作；2)先將模板(5)安裝在一個作為基準平面澆注基板(7)上，然后將脫水后的低聚物多 元醇與二異氰酸酯均勻混合，加熱升溫至80°C保溫1-3小時，再加入擴鏈劑和磨料，攪拌混 合均勻后立即注入預熱100°C裝有模板的模具中，注完送入80-100°C熱空氣爐中硫化，以 便形成含有磨料的聚氨酯上層硬質凸塊(1)；3)澆注下層支撐體(2)，將脫水的低聚物多遠醇和二異氰酸酯均勻混合，在80°C保溫 1-3小時，再加入擴鏈劑攪拌混合均勻后澆注到已經固化的含有磨料聚氨酯上層硬質凸塊 (1)上，將基層(4)的表面用基板找平，并擠壓后在室溫下硫化待固化；4)完成步驟3)固化脫模，形成仿生結構的拋光墊。
6.根據權利要求5所述的葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊的制造方法，其特征在于所 述的步驟2)所形成含有磨料聚氨酯上層硬質凸塊(1)的低聚物多元醇為1，6_己二醇，二 異氰酸酯為對苯二異氰酸酯或1，5萘二異氰酸酯，擴鏈劑為3，3- 二氯-4，4- 二苯基甲烷二 胺，其低聚物多元醇、二異氰酸酯、擴鏈劑、磨料之間的質量配比100-150 100-150 150-200 200-300。
7.根據權利要求5所述的葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊的制造方法，其特征在于 所述的步驟3)所澆注的下層支撐體(2)的低聚物多元醇為乙二醇，二異氰酸酯為2，4_甲 苯二異氰酸酯，擴鏈劑為丁二醇，其低聚物多元醇、二異氰酸酯、擴鏈劑之間的質量配比為 100-150 100-150 150-200。
全文摘要
基于葵花籽粒分布結構的仿生拋光墊，由上層硬質凸塊和下層支撐體組成。所述下層支撐體由下層軟質凸塊連接軟質基層且為一整體而構成，上層硬質凸塊支撐在下層軟質凸塊上，并固定連接。所述上層凸塊分布排列成葵花籽粒排列形狀，基于生物學的葉序理論Vogel模型，即籽粒極坐標角度θ＝137.508°n，籽粒塊極坐標徑向位置其制作方法是使用模具澆注低聚物多元醇、二異氰酸酯、擴鏈劑、磨料混合體，形成聚氨酯上層硬質凸塊；再澆注下層支撐體，經固化形成仿生結構的拋光墊。本發明具有使壓力場、溫度場和拋光液分布均勻，以及使拋光件表面拋光材料去除分布均勻的優點，可用于半導體晶片表面的化學機械拋光和集成電路化學機械平坦化，提高了拋光質量和效率。
文檔編號B24D3/20GK101823242SQ201010159580
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月29日 優先權日2010年4月29日
發明者呂玉山, 李楠, 王軍 申請人:沈陽理工大學