CN101208180A - 用于化学机械抛光的透明多微孔材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种化学机械抛光垫基板，其包含多微孔性闭孔发泡体，该发泡体的特征为0.01微米至10微米的窄孔径分布。该抛光垫通过下列方法制得：以超临界气体在高温及高压下使实心聚合物薄片发泡，直至气体使该薄片饱和。本发明进一步涉及一种包含该抛光垫基板的抛光垫、一种包括使用该抛光垫基板的抛光方法、及一种包含该抛光垫基板的化学机械装置。

Description

用于化学机械抛光的透明多微孔材料
技术领域
本发明涉及一种化学机械抛光垫基板，其包含以窄孔径分布为特征的多微孔性闭孔发泡体。
背景技术
化学-机械抛光(″CMP″)过程用于制造微电子器件以在半导体晶片、场发射显示器及许多其他微电子基板上形成平坦表面。举例而言，半导体器件的制造一般包括形成各种工艺层、对这些层的部分进行选择性移除或图案化、及在半导体基板表面上方沉积额外的工艺层以形成半导体晶片。举例来说，这些工艺层可包括绝缘层、栅极氧化层、导电层、及金属或玻璃的层等。在该晶片制造过程的某些步骤中一般要求工艺层的最上部表面为平面的，即平坦的，以用于沉积后续的层。CMP用于抛光沉积材料(例如传导或绝缘材料)的工艺层，以使晶片平面化而用于后续的处理步骤。
在典型CMP过程中，晶片倒置安装于CMP工具的载体上。通过力，将该载体及该晶片朝着抛光垫向下推动。将载体及晶片在位于该CMP工具的抛光台上的旋转抛光垫上方旋转。抛光组合物(也称作抛光浆液)一般在抛光过程期间加入至旋转晶片与旋转抛光垫之间。该抛光组合物通常含有与最上部晶片层的部分相互作用或溶解最上部晶片层的部分的化学物质，以及物理上移除这(或这些)层的部分的研磨材料。晶片及抛光垫可以相同方向或相反方向旋转，为了进行特定抛光过程，无论哪一种旋转方式均是期望的。该载体还可横跨抛光台上的抛光垫而振荡。
在抛光晶片的表面时，原位监测抛光处理通常是有利的。原位监测抛光处理的一个方法包括具有孔洞或窗口的抛光垫的使用。该孔洞或窗口提供光可通过的入口，以容许在抛光处理期间检查晶片表面。具有孔洞及窗口的抛光垫为已知的，并且被用来抛光基板，如半导体器件的表面。例如：美国专利5,605,760号提供具有由固体均匀聚合物形成的透明窗口的垫，其不具有吸收或运送浆液的固有能力。美国专利5,433,651号公开了一种抛光垫，其中该垫的一部分被移除，以提供光可通过的孔洞。美国专利5,893,796及5,964,643号公开了移除抛光垫的一部分，以提供孔洞，并且将透明聚氨酯或石英栓置于孔洞中，以提供透明窗口，或移除抛光垫的衬里的一部分，以在该垫中提供半透明度。美国专利6,171,181及6,387,312号公开了一种具有透明区域的抛光垫，该区域是通过以快的冷却速率对可流动材料(例如，聚氨酯)进行固化而形成。
只有一些材料已经被公开以用于抛光垫的窗口。美国专利5,605,760号公开一种聚氨酯固体片的用途。美国专利5,893,796及5,964,643号公开聚氨酯栓或石英插入物的用途。美国专利6,146,242号公开一种有窗口的抛光垫，该窗口包含聚氨酯或透明塑料，如：由Westlake销售的ClariflexTM四氟乙烯-共-六氟丙烯-共-偏二氟乙烯三元共聚物。由固体聚氨酯制成的抛光垫窗口在化学-机械抛光期间容易被刮擦，造成在抛光垫的寿命期间光学透明度稳定减少。这非常不利，因为终点检测系统的设定必须不断调整，以补偿光学透明度的损失。另外，抛光垫窗口，如：固体聚氨酯窗口，一般比抛光垫的剩余部分具有更慢的磨损速率，在抛光垫上造成“团块”的形成，其导致不想要的抛光缺陷。为了解决一些这类问题，WO01/683222公开一种具有不连续性的窗口，其增加在CMP期间的窗口磨损速度。通过在窗口中加入两种不混溶聚合物的共混物、或固态、液态或气态颗粒的分散物，在窗口材料上产生据称的不连续性。
尽管多种已知窗口材料可用于其目标用途，但仍需要有效的抛光垫，期望该抛光垫具有可使用有效且不昂贵的方法生产并提供在整个抛光垫使用期限中恒定的光透射率的半透明区域。
高级CMP抛光应用中出现的另一问题是需要对消耗品进行最优化以获得所需性能(诸如，较低缺陷度、较低凹陷及腐蚀)。市售的垫具有范围在几微米至几百微米范围内的宽的孔径范围。据信研磨剂及金属颗粒在抛光期间填充孔隙且难以洗除。已知这种污染物会导致晶片擦伤且对于65纳米或更低节点尤其存在问题。
具有多微孔开放或封闭结构、无孔结构及多孔性开孔互连结构的抛光垫是本领域公知的。例如参见美国专利4,138,228、4,239,567、5,489,233、6,017,265、6,062,968、6,022,268、6,106,754、6,120,353、6,126,532、6,203,407、6,217,434、6,231,434及6,287,185。这些现有技术的垫的缺点在于孔隙是随机分布的，其具有极广的孔隙或泡孔尺寸(cell size)分布且对互连孔隙形态无良好控制。较高缺陷度及对凹陷和腐蚀的不良控制造成了市售的垫的这些形态特征。
具有小且窄分布的孔径及闭孔形态的垫会使得残余物难以沉积于孔隙中且促进留在垫上的任何残余物的移除。在这种CMP抛光垫内的小孔隙的窄的尺寸分布在降低65纳米或更低节点的缺陷度方面具有显著优势。
本发明提供这种抛光垫、制造方法及其应用。由本文提供的本发明的描述，将使本发明的这些及其他优势以及额外的发明特征变得明晰。
发明内容
本发明提供一种化学机械抛光垫基板，其包含平均孔径为0.01微米至1微米的多孔材料，其中该抛光垫基板对于至少一种波长为200nm-35,000nm的光具有至少10％的透光率。本发明还提供一种化学机械抛光装置及抛光工件的方法。该CMP装置包含(a)旋转的压板，(b)包含本发明的抛光垫基板的抛光垫，及(c)通过将工件与该旋转抛光垫进行接触而保持该待抛光工件的载体。该抛光方法包括如下步骤：(i)将工件与包含本发明的抛光垫基板的抛光垫接触，及(ii)相对于工件移动抛光垫以对工件进行研磨，从而抛光该工件。
本发明的特别优选的方面提供一种化学机械抛光垫基板，其包含多微孔性闭孔发泡体，该发泡体的特征为0.01微米至10微米的窄孔径分布。通过将聚合物树脂挤出成实心聚合物薄片，将实心聚合物薄片与超临界气体在选定的温度及压力下组合直至聚合物薄片饱和，且由该气体饱和的聚合物薄片形成抛光垫基板，从而制造该抛光垫基板。本发明进一步提供一种使用该抛光垫基板的化学机械抛光装置。该CMP装置包含旋转压板、本发明的抛光垫基板、及通过将工件与该旋转抛光垫进行接触而保持该待抛光工件的载体。
附图说明
图1展示商业Freudenberg FX-9垫与本发明的垫的Cu移除率的比较；及
图2展示对于图1所示Cu抛光而言的晶片内不均一性数据。
具体实施方式
本发明涉及一种化学机械抛光垫基板，其包含闭孔及多孔聚合材料。该抛光垫基板可为抛光垫内的一部分，或该抛光垫基板可为整个抛光垫(例如，整个抛光垫或抛光顶垫是透明的)。在一些实施方案中，抛光垫基板由多孔聚合材料构成，或基本上由多孔聚合材料构成。抛光垫基板包含一定体积的抛光垫，其至少为0.5cm3(例如，至少1cm3)。
抛光垫基板的多孔聚合材料的平均孔径为0.01微米至10微米。优选地，平均泡孔尺寸分布的范围为0.05微米至5微米。不希望受限于任何特定理论，据信该孔径大于1微米会散射入射辐射，而孔径小于1微米会散射较少入射辐射，或一点都不散射入射辐射，从而提供具有理想透明度的抛光垫基板。
该抛光垫基板的多孔聚合材料具有高度均匀分布的孔径(即：泡孔尺寸)。一般地，在多孔材料中75％或更多(例如：80％或更多、或85％或更多)的孔(即：泡孔)的孔径分布为±0.5微米或更小(例如：±0.3微米或更小、或±0.2微米或更小)。换言之，在多孔材料中75％或更多(例如：80％或更多、或85％或更多)的孔的孔径具有0.5微米或更小(例如：0.3微米或更小、或0.2微米或更小)的平均孔径。优选，在多孔材料中90％或更多(例如：93％或更多、或95％或更多)的孔(即：泡孔)的孔径分布为±0.5微米或更小(例如：±0.3微米或更小、或±0.2微米或更小)。
通常，抛光垫基板的多孔聚合材料主要包含闭孔(即孔隙)。本发明的多孔材料优选包含至少70％或更多的闭孔。抛光垫理想上具有75肖氏(Shore)A至75肖氏D的硬度。
该抛光垫基板的多孔材料可具有任何适当的密度或空隙体积。一般，该多孔材料具有密度0.2克/立方厘米或更大(例如：0.3克/立方厘米或更大、或甚至0.4克/立方厘米或更大)，优选密度为0.5克/立方厘米或更大(例如：0.7克/立方厘米或更大、或甚至0.9克/立方厘米或更大)。空隙体积一般为90％或更少(例如：75％或更少、或甚至50％或更少)，优选为25％或更少(例如：15％或更少、10％或更少、或甚至5％或更少)。一般而言，该多孔材料具有泡孔密度105个泡孔/立方厘米或更大(例如：106个泡孔/立方厘米或更大)。泡孔密度通过影像分析软件程序分析该多孔材料的剖面影像(例如：SEM影像)而被测量，该程序如：Media Cybernetics的Optimas影像软件和ImagePro影像软件、或Clemex Technologies的Clemex Vision影像软件。
该抛光垫基板的多孔材料可包含任何适当的聚合物树脂。该多孔材料优选包含选自热塑性弹性体、热塑性聚氨酯、聚烯烃、聚碳酸酯、聚乙烯醇、尼龙、弹性橡胶、苯乙烯类聚合物、聚芳烃聚合物(polyaromatic polymer)、氟聚合物、聚酰亚胺、交联聚氨酯、交联聚烯烃、聚醚、聚酯、聚丙烯酸酯、弹性聚乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚芳酰胺、聚亚芳基化物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、其共聚物及嵌段共聚物、和其混合物及共混物的聚合物树脂。优选，该聚合物树脂为热塑性聚氨酯。
该聚合物树脂一般为预成型的聚合物树脂；然而，该聚合物树脂也可根据任何适当的方法原位形成，其中许多为本领域已知的(参见，例如，Szycher′sHandbook of Polyurethanes，CRC出版社，纽约，1999，第3章)。举例而言，热塑性聚氨酯可通过氨基甲酸酯预聚物(诸如，异氰酸酯、二异氰酸酯、及三异氰酸酯预聚物)与含有异氰酸酯反应性部分的预聚物的反应而原位形成。合适的异氰酸酯反应性部分包括胺类及多元醇。
聚合物树脂的选择是部分地取决于聚合物树脂的流变性质。流变性质为聚合物熔融物的流动行为。对牛顿流体而言，粘度为剪切应力(例如：切向应力，σ)与剪切速率(例如：速度梯度，dγ/dt)间的比率所定义的常数。然而，对非牛顿流体而言，会发生切速稠化(膨胀)或切速稀化(假塑性)。在切速稀化的情况下，粘度随着剪切速率增加而减少。正是这一性质容许聚合物树脂被用在熔融制造(例如：挤出、注射成型)方法中。为了鉴别切速稀化的临界区域，聚合物树脂的流变性质必须被测量。流变性质可通过毛细技术测量，其中熔融聚合物树脂通过特定长度的毛细管、在固定压力下被施力。在不同温度下，以表观剪切速率对粘度作图，粘度及温度之间的关系可被测量。流变加工指数(Rheology Processing Index(RPI))为鉴别聚合物树脂的临界范围的参数。RPI为固定剪切速率下，参考温度下的粘度对温度改变20℃后的粘度的比率。当在剪切速率为150l/s且温度为205℃下测量时，当聚合物树脂为热塑性聚氨酯时，RPI优选为2至10(例如：3至8)。
另一种聚合物粘度测量为熔融流动指数(MFI)，其记录在给定温度及压力下、在固定时间内从毛细管中挤出的熔融聚合物的量(以克计)。例如：当聚合物树脂为热塑性聚氨酯或聚氨酯共聚物(例如：聚碳酸酯硅酮基共聚物、聚氨酯氟基共聚物或聚氨酯硅氧烷链段(segmented)共聚物)时，在10分钟内、210℃的温度下及负载2160克时，MFI优选为20或更小(例如：15或更小)。当聚合物树脂为弹性聚烯烃或聚烯烃共聚物(例如：包含乙烯α-烯烃的共聚物，如：弹性或普通乙烯-丙烯、乙烯-己烯、乙烯-辛烯等、由茂金属基催化剂制成的弹性乙烯共聚物、或聚丙烯-苯乙烯共聚物)时，在10分钟内、210℃的温度及负载2160克下，MFI优选为5或更小(例如：4或更小)。当聚合物树脂为尼龙或聚碳酸酯时，在10分钟内、210℃的温度及负载2160克下，MFI优选为8或更小(例如：5或更小)。
聚合物树脂的流变性能可取决于聚合物树脂的分子量、多分散性指数(PDI)、长链分支或交联的程度、玻璃化转变温度(Tg)及熔融温度(Tm)。当聚合物树脂为热塑性聚氨酯或聚氨酯共聚物(如：上述的共聚物)时，重均分子量(Mw)一般为50,000克/摩尔至300,000克/摩尔，优选为70,000克/摩尔至150,000克/摩尔，PDI为1.1至6，优选为2至4。一般，热塑性聚氨酯具有玻璃化转变温度20℃至110℃及熔融转化温度120℃至250℃。当聚合物树脂为弹性聚烯烃或聚烯烃共聚物(如：上述的共聚物)时，重均分子量(Mw)一般为50,000克/摩尔至400,000克/摩尔，优选为70,000克/摩尔至300,000克/摩尔，PDI为1.1至12，优选为2至10。当聚合物树脂为尼龙或聚碳酸酯时，重均分子量(Mw)一般为50,000克/摩尔至150,000克/摩尔，优选为70,000克/摩尔至100,000克/摩尔，PDI为1.1至5，优选为2至4。
选定用于多孔材料的聚合物树脂优选具有某些机械性质。例如：当聚合物树脂为热塑性聚氨酯时，挠曲模量(ASTM D790)优选为130MPa(～20,000psi)至1200MPa(～170,000psi)，平均压缩性百分比为8或更小，平均回复性百分比为30或更大，并且肖氏(Shore)D硬度(ASTM D2240-95)为40至90(例如：50至80)。
对于至少一个波长为200纳米至35,000纳米的光，本发明的抛光垫基板的透光度为10％或更多(例如：20％或更多)。优选，对于至少一个波长为200纳米至35,000纳米(例如：200纳米至10,000纳米、或200纳米至1,000纳米、或甚至200纳米至800纳米)的光，该多孔材料的透光度为30％或更多(例如：40％或更多、或甚至50％或更多)。抛光垫基板的透光度至少部分通过控制多孔材料的性质而测量，这些性质选自密度、空隙体积、挠曲模量及其任何组合。
本发明的抛光垫基板在抛光垫基板的寿命期间提供透光度的改善的一致性。该特性是由孔隙存在于整个抛光垫基板厚度的事实所产生的。因此，当抛光期间该垫的表面被移除时，在表面下方的材料具有基本上类似的多孔性及粗糙度，并且因此具有基本上类似于该垫的最初顶部表面的抛光性质及透光性质。另外，抛光垫基板的透光度因为粗糙度而平均低于由无孔的相同材料制得的垫的透光度。因此，在抛光期间，由于抛光垫基板磨损所造成的任何改变，使得光散射度的百分比改变也被减少。理想的是，在抛光垫基板的寿命期间，抛光垫基板的透光度的减少低于20％(例如：低于10％、或甚至低于5％)。这些改变一起在抛光垫基板的寿命期间，减少或甚至消除调整终点检测系统的增益的需要。例如：本发明的抛光垫基板在透光度上的一致性可与现有技术的固态、或近似固态的聚氨酯窗口相比。在抛光前，固态聚氨酯窗口具有一致的表面性质；然而，在抛光期间，该窗口变成被研磨并且刮擦，造成不一致的表面性质。因此，终点检测系统必须对应于在抛光期间引起的各种新的刮擦图样而不断被调整。与此相反，本发明的抛光垫基板以粗糙表面开始，其在抛光过程中的研磨期间和研磨之后基本保持不变，从而使终点检测设定在整个抛光垫基板的寿命期间内可基本保持不变。
本发明的抛光垫基板上的孔隙的存在，对抛光性质会具有重大的有利影响。例如：在某些情况下，该孔隙能够吸收并传递抛光浆液。因此，传递区域可具有基本与抛光垫剩余部分相同的抛光性质。在一些具体实施方式中，该传递抛光垫基板的表面纹理足以使抛光垫基板用做抛光表面，而不需要专门用于抛光的抛光垫第二不透明部分。
本发明的抛光垫基板任选地进一步包含染料，其能够使基板选择性地传递特定波长的光。该染料作用为过滤掉不想要的波长的光线(例如：背景光)，并且从而改进检测的信号对杂音(noise)的比率。该抛光垫基板可包含任何适当的染料，或可包含染料的组合。适当的染料包括聚次甲基染料、二-及三-芳基次甲基染料、二芳基次甲基染料的氮杂类似物、氮杂(18)轮烯染料、天然染料、硝基染料、亚硝基染料、偶氮染料、蒽醌染料、硫染料等。理想地，对染料进行选择，以使得其基本上透射用于原位终点检测的光的波长而最小化或不吸收在检测波长处的光。例如：当用于终点检测(EPD)系统的光源为HeNe激光时，其产生具有波长540至570纳米的可见光，该染料优选为红色染料。
本发明的抛光垫基板可使用任何适宜的技术制得，其中很多技术是本领域已知的。举例而言，抛光垫基板可通过如下技术制得：(a)微孔发泡成型法(mucell process)，(b)溶胶-凝胶法，(c)相转换法，(d)旋节线或双峰分解法或(e)加压气体喷射法。优选地，抛光垫基板由加压气体喷射法制得。
微孔发泡成型法包括(a)将聚合物树脂与超临界气体组合，产生单相溶液，及(b)由该单相溶液形成本发明的抛光垫基板。该聚合物树脂可为上述的任何聚合物树脂。超临界气体是通过对气体加上足以产生超临界状态的高温(例如：100℃至300℃)及压力(例如：5MPa(～800psi)至40MPa(～6,000psi))而产生，其中该气体表现得像流体(即：超临界流体，SCF)。该气体可为烃、含氯氟烃、含氢氯氟烃(例如：氟利昂)、氮气、二氧化碳、一氧化碳或其组合。优选，该气体为非可燃性气体，例如：不包含C-H键的气体。聚合物树脂与超临界气体的单相溶液一般是通过在机筒中对超临界气体和熔融聚合物树脂进行共混而制备的。然后该单相溶液可注入模具中，在其中该气体膨胀，在熔融聚合物树脂内形成具有高孔径均匀度的孔隙结构。在单相溶液中的超临界气体浓度一般为单相溶液总体积的0.01％至5％(例如：0.1％至3％)。这些及额外方法特性被更详细地叙述于美国专利6,284,810号中。微泡孔结构是通过在单相溶液中(例如：通过快速改变温度和/或压力)产生足以在每立方厘米溶液中产生大于105个成核位置的热力学不稳定性而形成。该成核位置为超临界气体的溶解分子形成簇(cluster)的位置，多孔材料的泡孔从中生长。成核位置的数目是通过假设成核位置的数目约等于在聚合材料中形成的泡孔数目而被估计。一般，热力学不稳定性在包含单相溶液的模具或模头(die)的出口处被引发。多孔材料可以任何适当的技术由单相溶液形成，这类技术包括挤出成聚合物片、多层片的共挤出、注射成型、压缩成型、吹塑成型、吹塑膜、多层吹塑膜、流延膜、热成型及层压。优选，该抛光垫基板(例如：多孔材料)以挤出或注射成型来形成。多孔材料的孔径至少一部分是以温度、压力、及超临界气体浓度和其组合来控制。
溶胶凝胶方法包括三维金属氧化物网络(例如：硅氧烷网络)的制备，该网络具有可控制的孔径、表面积及孔径分布。该三维网络(即：溶胶凝胶)可使用许多方法制备，其中许多为本领域中已知的。适当的方法包括单步法(例如：“单罐(one-pot)”)及两步法。在一个方法中，制备稀释的氧化硅(例如：硅酸钠)水溶液，其自发性地在适当的pH及盐浓度条件下缩合，以形成以硅为基础的网络。另一个典型方法包括金属醇盐前体(例如：M(OR)4，其中：M为Si、Al、Ti、Zr或其组合，并且R为烷基、芳基或其组合)的使用，当置于含水及醇的溶剂中时，其进行醇盐配体的水解及缩合(例如：缩聚)，造成M-O-M连结的形成(例如：Si-O-Si硅氧烷连结)。任选地，如：质子酸(例如：HCl)及碱(例如：氨)的催化剂可用来改进水解及缩合反应的动力学。两步法一般包括如预聚四乙基原硅酸酯(TEOS)的预聚前体的使用。当M-O-M连结的数目增加时，三维网络被形成，其包含以溶剂(例如：水)填充的孔隙。该溶剂可与醇交换，以形成被称为醇凝胶的结构。溶剂的简单蒸发一般导致固态三维网络的显著破坏，造成干凝胶的形成。一个更优选的干燥技术为超临界萃取，其不造成固态三维网络的明显破坏。超临界萃取一般包括将固态三维网络与适当的低分子量膨胀剂(如：醇，特别是甲醇，以醇凝胶形式存在；或CO2气体，其通过气体/溶剂交换来完成)组合，并且对该混合物施加在膨胀剂的临界点以上的温度及压力。在这些条件下，会发生该固态材料的玻璃化、交联或聚合。然后，压力被缓慢降低以容许膨胀剂扩散出该玻璃化的结构。所得的溶胶凝胶材料，被称为气凝胶，具有微泡孔孔隙结构，其中可控制平均孔径及孔径分布。此气凝胶材料对具有波长高于250纳米的可见或紫外线光为透明的。杂化的有机-无机溶胶凝胶材料也可为透明的、或至少部分为透明的。杂化的溶胶凝胶材料一般是使用包含无机及有机基团的化学前体来制备。当由这类前体形成三维M-O-M网络时，有机基团变得被捕集于孔隙结构内。该孔径可经由选择适当的有机基团而被控制。杂化的溶胶凝胶材料的实例包括粘土-聚酰胺杂化材料及金属氧化物-聚合物杂化材料。
相转换方法包括聚合物树脂的极细颗粒的分散，其在高度搅拌的非溶剂中已被加热到聚合物的Tm或Tg以上。该聚合物树脂可为上述的任何聚合物树脂。该非溶剂可为具有高Flory-Higgins聚合物-溶剂相互作用参数(例如：Flory-Higgins相互作用参数大于0.5)的任何适当溶剂。该聚合物-溶剂相互作用被更详细地讨论于Ramanathan等人的下列文献中：Polymer DataHandbook，James E.Mark编辑，Oxford University Press，New York，第874页，1999年；Oberth Rubber Chem.and Technol.1984，63，56；Barton in CRCHandbook of Solubility Parameters and Other Cohesion Parameters，CRC Press，Boca Raton，FL，1983年，第256页；及Prasad等人的Macromolecules，1989年，22，914。例如，当该聚合物树脂为热塑性聚氨酯时，基于芳族醚的聚氨酯、强极性溶剂(如：醚类、酮类、氯仿、二甲基甲酰胺等)的相互作用参数低于0.3，并且对该聚合物来说是“良溶剂”。另一方面，如：环己烷、环丁烷及正烷烃的烃溶剂具有相互作用参数大于0.5，并且作为不良溶剂或“非溶剂”。Flory-Higgins相互作用参数对温度是敏感的，所以在高温为良溶剂的溶剂在较低温度下会变成非溶剂。当添加到非溶剂中的微细聚合物树脂颗粒数目增加时，微细聚合物树脂颗粒连接，形成起初为卷曲(tendril)且最终为三维聚合物网络。然后非溶剂混合物被冷却，导致非溶剂在三维聚合物网络内形成离散的液滴。所得的材料为具有亚微米孔径的聚合材料。
旋节或双节分解方法包括控制聚合物-聚合物混合物、或聚合物-溶剂混合物的温度和/或体积分数，将该混合物从单相区域移动到两相区域。在两相区域内，会发生聚合物混合物的旋节分解或双节分解。分解是指聚合物-聚合物混合物从非平衡相改变成平衡相的过程。在旋节区域中，混合曲线的自由能为负值，使得对应于体积分数的小变动，该聚合物的相分离(即：形成两相材料)、或该聚合物及溶剂的相分离是自发性的。在双节区域中，聚合物混合物相对于体积分数的小变动为稳定的，并且因此需要成核及生长，以获得相分离的材料。在两相区域(即：双节或旋节区域)内的温度及体积分数下，聚合物混合物的沉淀造成具有两相的聚合物材料的形成。若聚合物混合物负载了溶剂或气体，双相聚合物材料在相分离的界面上包含亚微米孔隙。该聚合物优选包含上述的聚合物树脂。
加压气体注射方法包括高温及高压的使用，以迫使气体进入包含聚合物树脂的实心聚合物片。该聚合物树脂可为上述的任何聚合物树脂。经挤出的实心片在室温下被置于压力容器中。气体(例如：N2或CO2)被添加到容器中，并且该容器被加压到足以迫使适量的作为超临界流体的气体到聚合物片的自由体积内的程度。根据亨利定律(Henry′s law)，溶解于聚合物中的气体的量与所加的压力成正比。聚合物片温度的增加，增加了气体扩散到聚合物的速率，但也减少可溶解于聚合物片中的气体的量。一旦该加压气体完全饱和该聚合物，该片状物从加压容器中被移出。压力释放导致聚合物薄片形成发泡体。所得的聚合物发泡体一般具有0.5微米至1微米的平均泡孔尺寸。如果期望，该聚合物片可快速地加热至软化或熔融状态。如同在微孔发泡成型法中一样，多孔材料的孔径是至少一部分由温度、压力、及超临界气体浓度和其组合所控制。
用于成功加压气体喷射法的优选的聚合材料是热塑性聚氨酯(TPU)，其硬度在40肖氏D至80肖氏D的范围内，Mw为20,000至600,000，且PDI为1至6。当在210℃于2160g负载下量测时，聚合物树脂优选还具有0.1至30的MFI，挠曲模量为25psi至200,000psi，RPI为2至10，且玻璃化转变温度为20℃至120℃。
实施例1
表1中给出的垫的样本的典型特性是通过挤出TPU薄片而产生的，其中实心薄片密度为1.2g/cc(树脂硬度为72肖氏D)，薄片厚度为58密耳，饱和CO2压力为5MPa，饱和时间为40小时，CO2解吸附时间为3分钟且发泡时间为2分钟。对于样本A及样本B分别使用106℃及111℃的发泡温度。用于使每一薄片发泡的CO2的量对于样本A为43mg CO2/g聚合物，对于样本B为53mg CO2/g聚合物。
表1：垫的特性
  样本   肖氏A   ρp(g/cc)  ρp/ρs  泡孔尺寸(μm)   ％R/％C   Tg(℃)
  A   96.5   0.988  83％  0.5μm±0.28μm   0.06   44
  B   95.5   0.850  71％  1.4μm±1.2μm   0.08   46
在市售的垫(Freudenberg FX-9)与本发明的样本A的垫之间进行铜抛光比较测试，其中在Mirra抛光机上使用直径为20英寸(508cm)具有副衬垫(subpad)及x-y凹槽的垫。如图1及图2所示，本发明的样本A的垫(标记为Nanocell)与商业FX-9的垫相比提供较高的Cu移除率，同时提供可比较的晶片内不均一性(WIWNU)。
当本发明的抛光垫基板只构成抛光垫的一部分时，该抛光垫基板可使用任何适当的技术固定在抛光垫上。例如：该抛光垫基板可经由粘着剂的使用而固定在抛光垫上。抛光垫基板可固定在抛光垫的顶部部分(例如：抛光表面)，或可固定在抛光垫的底部部分(例如：副衬垫(subpad))。抛光垫基板可具有任何适当的尺寸，并且可为如圆形、椭圆形、方形、长方形、三角形等的形状。可将抛光垫基板安置成与抛光垫的抛光表面一样高，或可自抛光垫的抛光表面凹陷。抛光垫可包含一个或多个本发明的抛光垫基板。抛光垫基板可置放于抛光垫上相对于抛光垫的中心和/或外周的任何适宜位置。
抛光垫基板被置于其中的抛光垫可以任何适当的抛光垫材料制成，其许多为本领域中已知的。该抛光垫一般为不透明的或只是部分半透明的。该抛光垫可包含任何适当的聚合物树脂。例如：抛光垫一般包含选自热塑性弹性体、热塑性聚氨酯、热塑性聚烯烃、聚碳酸酯、聚乙烯醇、尼龙、弹性橡胶、弹性聚乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚芳酰胺、聚亚芳基化物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、其共聚物、和其混合物的聚合物树脂。该抛光垫可以任何适当的方法产生，包括：烧结、注射成型、吹模成型、挤出等。该抛光垫可为实心且为非多孔的，可包含多微孔性闭孔，可包含开孔，或可包含其上模制有聚合物的纤维状网。
包含本发明的抛光垫基板的抛光垫具有抛光表面，其视情况进一步包含促进抛光组合物横向传递穿过抛光垫表面的凹槽、沟道和/或穿孔。这些凹槽、沟道或穿孔可呈任何适宜的图案且可具有任何适宜的深度及宽度。抛光垫可具有两种或两种以上不同的凹槽图案，诸如大凹槽与小凹槽的组合，如美国专利第5,489,233号中所述。凹槽的形式可为倾斜凹槽、同心凹槽、螺旋形或圆形凹槽、XY交叉影线图案(crosshatch pattern)，就连通性来说，其可为连续的或不连续的。优选地，抛光垫至少包含由标准衬垫调节方法(standardpad conditioning method)产生的小凹槽。
包含本发明的抛光垫基板的抛光垫，除了抛光垫基板之外，还可包含一个或多个其他特性或组件。例如：该抛光垫任选地可包含不同密度、硬度、多孔性及化学组合物的区域。该抛光垫任选地可包含固体颗粒，包括：研磨剂颗粒(例如：金属氧化物颗粒)、聚合物颗粒、水溶性颗粒、吸水颗粒、中空颗粒等。
包含本发明的抛光垫基板的抛光垫尤其适于与化学-机械抛光(CMP)装置结合使用。通常，该装置包含压板(其在使用时处于运动状态且具有由轨道、线性或圆周运动产生的速度)、与该压板接触并在处于运动状态时与该压板一起移动的包含本发明的抛光垫基板的抛光垫、及载体(其通过接触并相对于抛光垫表面移动而固持待抛光的工件)。进行该工件的抛光是通过将工件置于与抛光垫接触处，随后抛光垫相对于工件而移动(其间通常具有抛光组合物)，以便研磨该工件的至少一部分而抛光该工件。该抛光组合物通常包含液体载体(例如，含水载体)、pH调整剂、及任选的研磨剂。根据正被抛光的工件的类型，抛光组合物视需要可进一步包含氧化剂、有机酸、络合剂、pH缓冲剂、表面活性剂、缓蚀剂、抗泡剂、及类似物。CMP装置可为任何合适的CMP装置，许多这类装置在本领域中是已知的。包含本发明的抛光垫基板的抛光垫还可与线性抛光工具结合使用。
理想地，该CMP装置可进一步包含原位抛光终点检测系统，其中许多为本领域中已知的。用来检查并监测抛光处理的技术为本领域中已知的，其通过分析从工件的表面反射的光或其他辐射来进行。此类方法被叙述于例如：美国专利5,196,353、美国专利5,433,651、美国专利5,609,511、美国专利5,643,046、美国专利5,658,183、美国专利5,730,642、美国专利5,838,447、美国专利5,872,633、美国专利5,893,796、美国专利5,949,927及美国专利5,964,643号中。理想地，对正在抛光的工件的抛光过程的进展进行检查或监测使得可判定抛光终点，即判定何时终止对特定工件的抛光过程。
包含本发明的抛光垫基板的抛光垫可单独使用，或任选地可用做多层堆叠抛光垫的一层。例如：抛光垫可与副衬垫组合使用。该副衬垫可为任何适当的副衬垫。适当的副衬垫包含聚氨酯发泡副衬垫(例如：来自RogersCorporation的Poron发泡副衬垫)、浸渍毡副衬垫、多微孔聚氨酯副衬垫或经烧结的氨基甲酸酯副衬垫。该副衬垫一般比包含本发明的抛光垫基板的抛光垫更软，并且因此比该抛光垫更可压缩并且具有更低的肖氏硬度值。例如：该副衬垫的肖氏A硬度可为35至50。在一些具体实施方式中，该副衬垫比抛光垫更硬、压缩性更低、并且具有更高的肖氏硬度。该副衬垫任选地包含凹槽、沟道、中空部分、窗口、孔洞等。当本发明的抛光垫与副衬垫组合使用时，一般有如聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的中间衬里层，其位于抛光垫及副衬垫之间并与其共同延伸。
包含本发明的抛光垫基板的抛光垫适用于抛光多种类型的工件(例如，基板或晶片)及工件材料。举例而言，抛光垫可用于抛光包括记忆储存设备、半导体基板及玻璃基板的工件。用于以抛光垫进行抛光的适宜工件包括存储器或硬磁盘、磁头、MEMS设备、半导体晶片、场致发射显示器及其他微电子基板，尤其是包含绝缘层(例如，二氧化硅、氮化硅或低介电材料)和/或含金属层(例如，铜、钽、钨、铝、镍、钛、铂、钌、铑、铱或其他贵金属)的微电子基板。

Claims (20)

1.一种化学机械抛光垫基板，其包含多微孔聚合发泡体，其中该多微孔聚合发泡体的至少70％的孔为闭孔且平均孔径为0.01μm至10μm。
2.权利要求1的抛光垫基板，其中该多微孔聚合发泡体的孔的平均泡孔尺寸为0.05μm至5μm。
3.权利要求1的抛光垫基板，其中该多微孔聚合发泡体的平均泡孔密度为至少105个泡孔/立方厘米。
4.权利要求1的抛光垫基板，其中该多微孔聚合发泡体的孔体积为95％或更小。
5.权利要求1的抛光垫基板，其中该多微孔聚合发泡体的垫密度为至少0.5g/cm3且相对密度为40％-93％。
6.权利要求1的抛光垫基板，其中该多微孔聚合发泡体的硬度为75肖氏A至75肖氏D。
7.权利要求1的抛光垫基板，其中通过Ames方法在5psi下测得，该垫的压缩百分比与该垫的回弹百分比之比为0.01-1.0。
8.权利要求1的抛光垫基板，其中该聚合发泡体包含热塑性聚氨酯。
9.权利要求8的抛光垫基板，其中该热塑性聚氨酯的重均分子量为20,000g/mol-600,000g/mol。
10.权利要求9的抛光垫基板，其中该热塑性聚氨酯的多分散性指数为1-10。
11.权利要求9的抛光垫基板，其中在210℃的温度及2160g的负载下、10分钟内，该热塑性聚氨酯的熔体流动指数为0.1-30。
12.权利要求9的抛光垫基板，其中该热塑性聚氨酯的挠曲模量为25psi至200,000psi。
13.权利要求9的抛光垫基板，其中该热塑性聚氨酯的流变加工指数为2-10。
14.权利要求9的抛光垫基板，其中该热塑性聚氨酯的玻璃化转变温度为20℃-120℃。
15.一种化学机械抛光装置，其包含：
(a)旋转的压板，
(b)包含权利要求1的抛光垫基板的抛光垫，及
(c)通过将工件与该旋转抛光垫进行接触而保持该待抛光工件的载体。
16.权利要求15的装置，其中该抛光垫基板包含热塑性聚氨酯。
17.一种用于制造权利要求1的抛光垫基板的方法，其包含：
(a)将实心聚合物薄片与超临界气体在容器中于高温及高压下组合，直至该气体已使该聚合物薄片饱和，
(b)释放压力，以便由该气体饱和的聚合物薄片获得多微孔聚合发泡体，及
(c)由该多微孔聚合发泡体形成抛光垫。
18.权利要求17的方法，其中该气体包含氮气、二氧化碳、或其任何组合。
19.权利要求17的方法，其中该抛光垫基板包含热塑性聚氨酯。
20.权利要求19的抛光垫基板，其中该热塑性聚氨酯的重均分子量为20,000g/mol-600,000g/mol。
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