ВОДНАЯ ПОЛИРУЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ ПОДЛОЖЕК ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, МЕХАНИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
AQUEOUS POLISHING COMPOSITION AND PROCESS FOR CHEMICALLY MECHANICALLY POLISHING SUBSTRATES FOR ELECTRICAL, MECHANICAL AND OPTICAL DEVICES

Изобретение относится к новым водным полирующим композициям, которые особенно подходят для полирования подложек для электрических, механических и оптических устройств.
Более того, данное изобретение относится к новому способу полирования подложек для производства электрических, механических и оптических устройств.
Не в последнюю очередь данное изобретение относится к применению новой водной полирующей композиции для производства электрических, механических и оптических устройств.
Цитированные документы
Документы, цитированные в данной заявке, включены сюда путем ссылки во всей полноте.
Уровень техники
Химико-механическая планаризация или полирование (ХМП) является главным способом для достижения локальной и глобальной плоскостности интегральных схем (ИС). В способе обычно применяют композиции для ХМП или суспензии, содержащие абразивы и другие добавки в качестве активного химического вещества, между вращающейся поверхностью субстрата и полирующей подушкой при применении нагрузки. Таким образом, способ ХМП сочетает в себе физический процесс, такой как трение, и химический процесс, такой как окисление или хелатирование. Нежелательно, чтобы удаление или полирование материала подложки включала только физическое или только химическое действие, необходимо синергетическое сочетание обоих действий для достижения быстрого и однородного удаления.
Таким образом, материал подложки удаляют до тех пор, пока не будет достигнута желаемая плоскость или пока не обнажается защитный подслой или тормозящий слой. В конечном итоге получают плоскую, свободную от дефектов поверхность, которая позволяет производство подходящего многослойного ИС устройства с применением последующей фотолитографии, формирования рельефа, травления и нанесения тонких пленок.
Узкощелевая изоляция (УЩИ) является особым применением ХМП, который обычно требует селективного удаления диоксида кремния до нитрида кремния на структурированной пластине в качестве субстрата. В этом случае протравленные углубления переполняются диэлектрическим материалом, например диоксидом кремния, который полируют с применением защитной пленки нитрида кремния в качестве тормозящего слоя. ХМП заканчивается очищением диоксида кремния с защитной пленки при минимизации удаления обнаженного нитрида кремния и расположенного в щели (углублении) оксида кремния.
Это требует применения суспензий ХМП, способных давать высокое отношение скорости удаления диоксида кремния (material removal rate, MRR) к скорости удаления нитрида кремния (MRR), при этом в данной области техники такое соотношение также обозначается как «селективность оксид/нитрид» ("oxide-to-nitride selectivity").
ХМП суспензии на основе диоксида церия привлекли значительное внимание в области применения УЩИ благодаря их способности достигать сравнительно высокой селективности оксид/нитрид из-за высокого химического сродства диоксида церия с диоксидом кремния, которое также называется в данной области техники как химическим эффектом «зубчатого зацепления» диоксида церия.
Тем не менее, селективность оксид/нитрид суспензий ХМП на основе диоксида церия должна быть улучшена за счет добавок, которые "подгоняют" селективность.
Было предпринято множество попыток подогнать селективность суспензий ХМП на основе диоксида церия.
Так, Jae-Don Lee et al. описывают в Journal of the Electrochemical Society, 149 (8), G477-G481, 2002, влияние неионогенных поверхностно-активных веществ с различным гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ), таких как полиэтиленоксиды, сополимеры этиленоксид-пропиленоксид и триблок-сополимеры этиленоксид-пропиленоксид-этиленоксид, на селективность оксид/поликремний во время ХМП. Однако пирогенный кремнезем применяют в качестве абразива.
Jae-Dong Lee et al. описывают в Journal of the Electrochemical Society, 149 (8) G477-G481, 2002, Effects of Nonionic Surfactants on Oxide-To-Polysilicon Selectivity during Chemical Mechanical Polishing, влияние поверхностно-активных веществ, таких как полиэтиленоксид (ПЭО) и триблок-сополимеры этиленоксид-пропиленоксид-этиленоксид, на селективность. Однако это не относится к селективности оксид/нитрид.
В американской патентной заявке US 2002/0034875 A1 и американском патенте US 6626968 В2 описана суспензия ХМП на основе диоксида церия, содержащую поверхностно-активные вещества, агенты для регулирования уровня pH, такие как гидроксид калия, серная кислота, азотная кислота, соляная кислота или фосфорная кислота, и полимеры, содержащие гидрофильную функциональную группу и гидрофобную функциональную группу, такие как поливинилметиловый эфир (ПВМЭ), полиэтиленгликоль (ПЭГ), полиоксиэтилен 23 лауриловый эфир (ПОЛЭ), полипропионовая кислота (ППК), полиакриловая кислота (ПАК) и полиэтиленгликоля бисэфир (ПЭГБЭ). Тем не менее, эта суспензия ХМП на основе диоксида церия имеет увеличенную селективность оксид/поликремний.
В американском патенте US 6616514 B1 описана суспензия ХМП на основе диоксида церия, содержащая органические многоатомные спирты, содержащие по меньшей мере 3 гидроксильные группы, которые не диссоциируют в водной среде; или полимер, полученный из по меньшей мере одного мономера, содержащего по меньшей мере 3 гидроксильные группы, которые не диссоциируют в водной среде, такой как манит, сорбит, манноза, ксилит, сорбоза, сахароза и декстрин, для улучшения селективности оксид/нитрид.
В американской патентной заявке US 2006/0124594 A1 описана суспензия ХМП на основе диоксида церия, имеющая вязкость по меньшей мере 1,5 сП и содержащая агент, повышающий вязкость, включающий неионогенный полимер, такой как полиэтиленгликоль (ПЭГ). Указывается, что суспензия ХМП на основе диоксида церия имеет высокую селективность оксид/нитрид и низкую неоднородность внутри пластины (НОВП).
В американской патентной заявке US 2006/0207188 A1 описана суспензия ХМП на основе диоксида церия, содержащая продукт реакции полимера, такого как полиакриловая кислота или поли(алкилметакрилат), и мономера, такого как акриламид, метакриламид, этил-метакриламид, винилпиридин или винилпирролидон. Полагают, что продукты реакции также повышают селективность оксид/нитрид.
Американская патентная заявка US 2006/0216935 A1 раскрывает суспензию ХМП на основе диоксида церия, содержащую протеин, лизин и/или аргинин, и соединения пирролидона, такие как поливинилпирролидон (ПВП), N-октил-2-пирролидон, N-этил-2-пирролидон, N-гидроксиэтил-2-пирролидон, N-циклогексил-2-пирролидон, N-бутил-2-пирролидон, N-гексил-2-пирролидон, N-децил-2-пирролидон, N-октадецил-2-пирролидон и N-гексадецил-2-пирролидон. Суспензия ХМП на основе диоксида церия, кроме того, может содержать диспергирующие агенты, подобные полиакриловой кислоте, гликолям и полигликолям. Конкретные примеры включают пролин, поливинилпирролидон или N-октил-2-пирролидон, блок-сополимеры ППО/ПЭО, и глутаровый альдегид. Полагают, что суспензия ХМП на основе диоксида церия щадяще удаляет диоксид кремния в канавках, тем самым позволяя проводить полирование, распространяющееся за пределы краев без значительного повышения минимальной высоты ступени.
В американской патентной заявке US 2007/0077865 A1 описывается суспензия ХМП на основе диоксида церия, содержащая сополимеры полиэтиленоксидов/полипропиленоксида, предпочтительно из семейства Pluronic™, выпускаемого компанией BASF. Суспензия ХМП на основе диоксида церия, кроме того, может содержать аминоспирты, такие как 2-диметиламино-2-метил-1-пропанол (ДМАМП), 2-амино-2-этил-1-пропанол (АЭП), 2-(2-аминоэтиламино)этанол, 2-(изопропиламино)этанол, 2-(метиламино)этанол, 2-(диэтиламино)этанол, 2-(2-диметиламиноэтокси)этанол, 1,1'-[[3-(диметиламино)пропил]имино]-бис-2-пропанол, 2-(2-бутиламино)этанол, 2-(трет-бутиламино)этанол, 2-(диизопропиламино)этанол и N-(3-аминопропил)морфолин. Суспензия ХМП на основе диоксида церия, кроме того, может содержать соединения четвертичного аммония, подобные гидроксиду тетраметиламмония, пленкообразующие агенты, такие как алкиламины, алканоламины, гидроксиламины, эфиры фосфорной кислоты, лаурилсульфат натрия, жирные кислоты, полиакрилаты, полиметакрилаты, поливинилфосфонаты, полималаты, полистиролсульфонат, поливинилсульфат, бензотриазол, триазол и бензоимидазол, и комплексообразующие агенты, такие как ацетилацетон, ацетаты, гликоляты, лактаты, глюконаты, галловая кислота, оксалаты, фталаты, цитраты, сукцинаты, тартаты, малаты, этилендиаминтетрауксусная кислота, этиленгликоль, пирокатехин, пирогаллол, дубильная кислота, соли фосфония и фосфоновые кислоты. Суспензия ХМП на основе диоксида церия, как полагают, обеспечивает хорошую селективность по отношению к оксиду кремния и/или нитриду кремния по сравнению с поликремнием.
Американская патентная заявка US 2007/0175104 A1 раскрывает суспензию ХМП на основе диоксида церия, содержащую поликремниевый ингибитор полировки, который выбран из растворимых в воде полимеров, имеющих N-монозамещенный или N,N-дизамещенный скелет, замещенный любыми членами, выбранными из группы, состоящей из акриламида, метакриламида и их альфа-замещенных производных; полиэтиленгликолей; поливинилпирролидонов; алкилоксилированных линейных алифатических спиртов и продуктов присоединения этиленоксида к ацетиленовым диолам. Суспензия ХМП на основе диоксида церия может содержать дополнительные растворимые в воде полимеры, такие как полисахариды, подобные альгиновой кислоте, пектиновой кислоте, карбоксиметилцеллюлозе, агар-агару, курдлану и пуллулану; многоосновные карбоновые кислоты, такие как полиаспарагиновая кислота, полиглутаминовая кислота, полилизин, полияблочная кислота, полиметакриловая кислота, полиимидная кислота, полималеиновая кислота, полиитаконовая кислота, полифумаровая кислота, поли(п-стиролкарбоновая кислота), полиакриловая кислота, полиакриламид, амино-полиакриламид, полиглиоксиловая кислота и их соли; и виниловые полимеры, такие как поливиниловый спирт и полиакролеин. Указывается, что суспензия ХМП на основе диоксида церия имеет высокую селективность по отношению к оксиду кремния по сравнению с поликремнием.
В американской патентной заявке US 2007/0191244 A1 описывается суспензия ХМП на основе диоксида церия, содержащая соединение, имеющее среднемассовую молекулярную массу от 30 до 500 и содержащая гидроксильные группы и карбоксильную группу, либо обе, такие как цитраты, малаты, глюконаты, тартраты, 2-оксиизобутираты, адипинаты, октаноаты, сукцинаты, соединения, содержащие остатки ЭДТУ, глутараты, метиленсукцинаты, маннозу, глицеро-галакто-гептозу, эритро-манно-октозу, арабино-галакто-нонозу и глутамин. Суспензия ХМП на основе диоксида церия, кроме того, может содержать линейные полимерные кислоты или полимерные кислоты привитого типа, имеющие боковые цепи алкоксиполиалкиленгликоля. Полагают, что суспензия ХМП на основе диоксида церия достигает улучшенной повсеместной плоскостности отполированных пластин.
В заявках на патенты США US 2008/0085602 A1 и US 2008/0124913 A1 описана суспензия ХМП на основе диоксида церия, содержащая от 0,001 до 0,1% мас. неионогенного поверхностно-активного вещества, выбранного из триблок-сополимеров этиленоксид-пропиленоксид-этиленоксид, и полиакриловой кислоты в качестве диспергирующего агента. Указывается, что суспензия на основе диоксида церия имеет высокую селективность по отношению к диоксиду кремния и нитриду кремния по сравнению с поликремнием.
Изготовление электрических устройств, в частности полупроводниковых интегральных схем (ИС), требует процессов высокой точности, которые включают, среди прочего, ХМП с высокой селективностью.
Хотя суспензии ХМП на основе диоксида церия предшествующего уровня техники могут иметь удовлетворительную селективность оксид/нитрид и могут приводить к получению отполированных пластин, имеющих хорошую глобальную и локальную плоскостность, что иллюстрируется показателями неоднородности внутри пластины (НОВП) и неоднородностью одной пластины относительно другой (НОПП), все более уменьшающиеся размеры архитектур ИС, в частности БИС (больших интегральных схем) или СБИС (сверхбольших интегральных схем), делают необходимым постоянно улучшать суспензии ХМП на основе диоксида церия, чтобы отвечать все возрастающим техническим и экономическим требованиям изготовителей интегральных схем.
Однако эта растущая необходимость постоянно улучшать суспензии ХМП на основе диоксида церия предшествующего уровня техники относится не только к области интегральных схем, также должна быть улучшена эффективность полирования и планаризации в областях производства других электрических устройств, таких как жидкокристаллические панели, органические электролюминесцентные панели, печатные платы, микромеханизмы, ДНК-чипы, микрозаводы, фотовольтаические ячейки и магнитные головки; а также высокоточных механических устройств и оптических устройств, в частности оптических стекол, таких как фотомаски, линзы и призмы, неорганические электропроводные пленки, такие как на основе оксида индия-олова (ITO), оптические интегральные схемы, оптические переключатели, оптические волноводы, оптические монокристаллы, такие как торцевые поверхности оптических волокон и сцинтилляторов, монокристаллы твердотельных лазеров, сапфировые субстраты для голубых лазерных светоиспускающих диодов, полупроводниковые монокристаллы и стеклянные субстраты для магнитных дисков. Производство таких электрических и оптических устройств также требует стадий ХМП высокой точности
В европейской патентной заявке EP 1338636 A1 описана суспензия ХМП на основе диоксида церия, содержащая агент против отвердевания, выбранный из группы, включающей целлюлозу, кристаллическую целлюлозу, производные целлюлозы, диоксид кремния, альгинаты, конденсаты бета-нафталина сульфоната и формалина, гидрофосфат кальция, белки, полипептиды и органические высокомолекулярные флокулянты, и диспергирующий агент или поверхностно-активное вещество, такое как конденсированный фосфат, такой как пирофосфорная кислота, пирофосфат натрия, триполифосфат натрия или гексаметафосфат натрия. Тем не менее, раскрыта только полировка стекла.
В заявке на патент Японии JP 2005-336400 A описана суспензия ХМП на основе диоксида церия, содержащая растворимый в воде конденсированный фосфат, такой как пирофосфат, триполифосфат и соль гексаметафосфорной кислоты, и растворимый в воде карбонат или гидрокарбонат. Кроме того, суспензия ХМП на основе диоксида церия может содержать растворимый в воде органический растворитель, такой как метанол, этанол, 1-пропанол, 2-пропанол, 1-бутанол, 2-бутанол, этиленгликоль, пропиленгликоль и 1,2,3-пропантриол, кетоны, такие как ацетон и метилэтилкетон, тетрагидрофуран, N,N-диметилформамид, диметилсульфоксид и 1,4-диоксан. Указано, что суспензия ХМП на основе диоксида церия обеспечивает улучшенное полирование в отношении точности полировки, очистки, исходной скорости полировки и скорости полировки. Тем не менее, раскрыта только полировка стекла.
В заявке на патент Японии JP 2001-240850 A описана суспензия ХМП, содержащая оксид алюминия, оксид циркония или карбид кремния в качестве абразива, блок- или статистический сополимер алкиленоксида и этиленоксида в качестве диспергирующего агента, и фосфат натрия или полифосфат натрия в качестве "антиржавейного агента". Суспензию ХМП применяют для полирования кремниевых пластин, стекла, алюминия, керамики, синтетического диоксида кремния, кварца и сапфира.
Задачи изобретения
Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить новую водную полирующую композицию, в частности новую композицию для химико-механического полирования (ХМП), особенно новую суспензию ХМП на основе диоксида церия, которая не имеет недостатков или изъянов полирующих композиций известного уровня техники.
В частности, новый водная полирующая композиция, в частности новая композиция для химико-механического полирования (ХМП), особенно новая суспензия ХМП на основе диоксида церия, должна обладать значительно улучшенной селективностью оксид/нитрид и обеспечивать получение полированных пластин, имеющих превосходную глобальную и локальную плоскостность, что иллюстрируется, например, показателями неоднородности внутри пластины (НОВП) и неоднородности одной пластины относительно другой (НОПП). Следовательно, они должны превосходно подходить для производства архитектур ИС, в частности БИС (большие интегральные схемы) или СБИС (сверхбольшие интегральные схемы), имеющих структуры с размерами меньше 50 нм.
Более того, новая водная полирующая композиция, в частности новая композиция для химико-механического полирования (ХМП) и особенно новая суспензия ХМП на основе диоксида церия, должны быть полезны не только в области устройств с интегральными схемами, но также должны быть полезны с наибольшей эффективностью и успехом в областях производства других электрических устройств, таких как жидкокристаллические панели, органические электролюминесцентные панели, печатные платы, микромеханизмы, ДНК-чипы, микрозаводы и магнитные головки; а также в области механических устройств и оптических устройств высокой точности, в частности оптических стекол, таких как фотомаски, линзы и призмы, неорганических электропроводных пленок, таких как на основе оксида индия-олова (ITO), оптических интегральных схем, оптических переключателей, оптических волноводов, оптических монокристаллов, таких как торцевые поверхности оптических волокон и сцинтилляторов, монокристаллов твердотельных лазеров, сапфировых субстратов для лазерных светоиспускающих диодов, работающих в голубой области видимого спектра, полупроводниковых монокристаллов и стеклянных субстратов для магнитных дисков.
Другой задачей данного изобретения является обеспечение нового способа полирования подложек для механических, электрических и оптических устройств, где материал указанной подложки содержит пленку на основе диэлектрика оксида кремния и пленки на основе нитрида кремния.
Сущность изобретения
Следовательно, была обнаружена новая водная полирующая композиция, имеющая pH в интервале от 3 до 11, где указанная водная полирующая композиция содержит
(A) по меньшей мере один тип абразивных частиц, которые положительно заряжены при диспергировании в водной среде, свободной от компонента (B) и имеющей pH в интервале от 3 до 9, что подтверждается электрофоретической подвижностью;
(B) по меньшей мере один анионный фосфатный диспергирующий агент; и
(C) по меньшей мере один компонент на основе многоатомного спирта, выбранный из группы, состоящей из:
(c1) многоатомных спиртов, выбранных из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде алифатических и циклоалифатических, мономерных, димерных и олигомерных многоатомных спиртов, имеющих по меньшей мере 4 гидроксигруппы, которые являются недиссоциируемыми в водной среде;
(c2) смеси, состоящей из:
(c21) по меньшей мере одного многоатомного спирта, выбранного из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде алифатических и циклоалифатических многоатомных спиртов, имеющих по меньшей мере 2 гидроксигруппы, которые являются недиссоциируемыми в водной среде; и
(c22) по меньшей мере одного растворимого в воде или диспергируемого в воде полимера, выбранного из группы, состоящей из линейных и разветвленных гомополимеров и сополимеров алкиленоксидов (c221); и линейных и разветвленных, алифатических и циклоалифатических поли(N-виниламидных) гомополимеров и сополимеров (c222); и
(с3) смеси (c1) и (c2).
Далее в описании новая водная полирующая композиция именуется "композицией по изобретению".
Более того, был открыт новый способ полирования подложек для механических, электрических или оптических устройств путем контактирования подложки по меньшей мере один раз с композицией по изобретению и полирования подложки до достижения желаемой плоскостности.
Далее в описании новый способ полирования подложек для механических, электрических или оптических устройств именуется "способом по изобретению".
Не в последнюю очередь, было найдено новое применение композиции по изобретению для производства электрических, механических и оптических устройств, при этом такое применение далее в описании именуется «применением по изобретению».
Преимущества изобретения
С точки зрения предшествующего уровня техники было неожиданно и не могло ожидаться специалистом в данной области, что задачи настоящего изобретения могут быть решены композицией по изобретению, способом и применением по изобретению.
Было особенно неожиданно, что композиция по изобретению продемонстрировала значительно улучшенную селективность оксид/нитрид и обеспечила получение отполированных пластин, имеющих превосходную глобальную и локальную плоскостность, что иллюстрируется, например, показателями неоднородности внутри пластины (НОВП) и неоднородности одной пластины относительно другой (НОПП). Следовательно, они превосходно подходят для производства архитектур ИС, в частности БИС (большие интегральные схемы) или СБИС (сверхбольшие интегральные схемы), имеющих структуры с размерами меньше 50 нм.
Кроме того, композиция по изобретению остается стабильной во время длительной транспортировки и хранения, где стабильность значительно улучшает логистику и управление процессом.
Более того, композиция по изобретению не только исключительно полезна в области устройств с интегральными схемами, но также была полезна с наибольшей эффективностью и успехом в областях производства других электрических устройств, таких как жидкокристаллические панели, органические электролюминесцентные панели, печатные платы, микромеханизмы, ДНК-чипы, микрозаводы и магнитные головки; а также в области механических устройств и оптических устройств высокой точности, в частности оптических стекол, таких как фотомаски, линзы и призмы, неорганических электропроводных пленок, таких как на основе оксида индия-олова (ITO), оптических интегральных схем, оптических переключателей, оптических волноводов, оптических монокристаллов, таких как торцевые поверхности оптических волокон и сцинтилляторов, монокристаллов твердотельных лазеров, сапфировых субстратов для лазерных светоиспускающих диодов, работающих в голубой области видимого спектра, полупроводниковых монокристаллов и стеклянных субстратов для магнитных дисков.
Наиболее важно, что композиция по изобретению исключительно хорошо подошла для применения по изобретению.
Следовательно, композиция по изобретению была наиболее полезна для способа по изобретению. Способ по изобретению может наиболее предпочтительно применяться для полирования, особенно химико-механического полирования, материалов подложек для электрических устройств, таких как жидкокристаллические панели, органические электролюминесцентные панели, печатные платы, микромеханизмы, ДНК-чипы, микрозаводы и магнитные головки; а также механических устройств и оптических устройств высокой точности, в частности оптических стекол, таких как фотомаски, линзы и призмы, неорганических электропроводных пленок, таких как на основе оксида индия-олова (ITO), оптических интегральных схем, оптических переключателей, оптических волноводов, оптических монокристаллов, таких как торцевые поверхности оптических волокон и сцинтилляторов, монокристаллов твердотельных лазеров, сапфировых субстратов для лазерных светоиспускающих диодов, работающих в голубой области видимого спектра, полупроводниковых монокристаллов и стеклянных субстратов для магнитных дисков.
Более конкретно, однако, способ по изобретению превосходно подошел для полирования полупроводниковых пластин, содержащих пленки на основе диэлектрика диоксида кремния и пленки на основе нитрида кремния. Способ по изобретению обеспечивает получение полированных пластин, имеющих превосходную глобальную и локальную плоскостность, что иллюстрируется, например, показателями неоднородности внутри пластины (НОВП) и неоднородности одной пластины относительно другой (НОПП). Поэтому они превосходно подходят для производства архитектур ИС, в частности БИС (большие интегральные схемы) или СБИС (сверхбольшие интегральные схемы), имеющих структуры с размерами меньше 50 нм.
Подробное описание изобретения
Композиция по изобретению представляет собой водную композицию. Это означает, что она содержит воду, в частности сверхчистую воду, в качестве основного растворителя и диспергирующего агента. Тем не менее, композиция по изобретению может содержать по меньшей мере один смешиваемый с водой органический растворитель, однако в таких незначительных количествах, которые не меняют водную природу композиции по изобретению.
Предпочтительно композиция по изобретению содержит воду в количестве от 60 до 99,95% мас., более предпочтительно от 70 до 99,9% мас., еще более предпочтительно от 80 до 99,9% мас. и наиболее предпочтительно от 90 до 99,9% мас., причем массовые проценты представляют собой проценты в пересчете на полную массу композиции по изобретению.
Величина pH композиции по изобретению составляет между 3 и 11, более предпочтительно между 4 и 11, еще более предпочтительно между 5 и 11 и наиболее предпочтительно между 6 и 11, предпочтительно с применением агентов, регулирующих pH (Е), описанных далее в описании.
"Растворимый в воде" означает, что соответствующий компонент или ингредиент композиции по изобретению может быть растворен в водной фазе на молекулярном уровне.
"Диспергируемый в воде" означает, что соответствующий компонент или ингредиент композиции по изобретению может быть диспергирован в водной фазе и формировать стабильную эмульсию или суспензию.
"Димер" или "димерный" означает, что соответствующий компонент или ингредиент композиции по изобретению состоит из двух связанных мономерных структурных единиц, которые обе могут иметь одинаковую структуру или структуру, отличающуюся друг от друга.
"Олигомер" или "олигомерный" означает, что соответствующий компонент или ингредиент композиции по изобретению состоит из 3-12 связанных мономерных структурных единиц, которые все могут иметь одинаковую структуру. Однако также возможно, что структурные единицы выбраны из по меньшей мере двух различных структур.
"Полимер" или "полимерный" означает, что соответствующий компонент или ингредиент композиции по изобретению состоит из более чем 12 связанных мономерных структурных единиц, которые все могут иметь одинаковую структуру. Однако также возможно, что структурные единицы выбраны из по меньшей мере двух различных структур.
"Многоатомный" означает "имеющий две или более гидроксигруппы".
Первым основным ингредиентом композиции по изобретению является по меньшей мере один, предпочтительно один тип абразивных частиц (А).
Абразивные частицы (А) положительно заряжены при диспергировании в водной среде, свободной от анионного фосфатного диспергирующего агента (В), описанного далее в описании, и имеющей pH в интервале от 3 до 9. Положительный заряд подтверждается электрофоретической подвижностью μ (мкм/с)⋅(В/см) абразивных частиц (А). Электрофоретическая подвижность μ может быть измерена непосредственно с помощью приборов, таких как Zetasizer Nano от Malvern, Ltd.
Средний размер абразивных частиц (А) может варьироваться в широких интервалах и, следовательно, может быть наиболее выгодным образом приведен в соответствие с конкретными требованиями данной композиции и способа по изобретению. Предпочтительно средний размер частиц, определенный с помощью динамического рассеяния лазерного излучения, находится в диапазоне от 1 до 2000 нм, предпочтительно 1-1000 нм, более предпочтительно 1-750 и наиболее предпочтительно 1-500 нм.
Распределение абразивных частиц (A) по размеру может быть мономодальным, бимодальным или мультимодальным. Предпочтительно распределение частиц по размеру является мономодальным, чтобы получить легко воспроизводимый профиль свойств абразивных частиц (А) и легко воспроизводимые условия в ходе способа по изобретению.
Кроме того, распределение абразивных частиц (A) по размеру может быть узким или широким. Предпочтительно распределение частиц по размеру является узким, лишь с малым количеством маленьких частиц и больших частиц, чтобы получить легко воспроизводимый профиль свойств абразивных частиц (A) и легко воспроизводимые условия в ходе способа по изобретению.
Абразивные частицы (A) могут иметь различные формы. Следовательно, они могут быть одного или по существу одного типа формы. Тем не менее, также возможно, что абразивные частицы (A) имеют разные формы. В частности, два типа абразивных частиц (A), различающихся по форме, могут присутствовать в данной композиции по изобретению. Что касается самих форм, они могут представлять собой кубы, кубы с закругленными ребрами, октаэдры, икосаэдры, гранулы и сферы с или без выступов или впадин. Наиболее предпочтительно форма является сферической в отсутствие или только с очень малым количеством выступов или впадин. Эта форма, как правило, является предпочтительной, потому что обычно она увеличивает устойчивость механическим воздействиям, которым подвергаются абразивные частицы (A) во время процесса ХМП.
В принципе, любой тип абразивных частиц (A) может применяться в композиции по изобретению, если они обладают описанным выше профилем свойств. Следовательно, абразивные частицы (A) могут быть органическими или неорганическими частицами или органическо-неорганическими гибридными частицами. Предпочтительно абразивные частицы (A) являются неорганическими частицами.
В принципе, любой тип неорганических абразивных частиц (A) может применяться в композиции по изобретению, если эти частицы позволяют получить описанный выше профиль свойств. Однако наиболее предпочтительно применяют неорганические абразивные частицы (A), содержащие или состоящие из диоксида церия.
Абразивные частицы (A), которые содержат диоксид церия, могут содержать незначительные количества других оксидов редкоземельных металлов.
Предпочтительно абразивные частицы (A), которые содержат диоксид церия, являются композитными частицами (A), содержащими ядро, которое содержит или состоит из по меньшей мере одного другого абразивного материала из твердых частиц, который отличается от диоксида церия, в частности оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид титана, диоксид циркония, оксид цинка и их смеси.
Такие композитные частицы (A) известны, например, из международной патентной заявки WO 2005/035688 A1, из американских патентов US 6110396, US 6238469 B1, US 6645265 B1, из публикации К.S. Choi et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.671, 2001 Materials Research Society, M5.8.1-M5.8.10, из публикации S.-H. Lee et al., J. Mater. Res., Vol.17, No.10, (2002), pages 2744-2749, из публикации A. Jindal et al., Journal of the Electrochemical Society, 150 (5) G314-G318 (2003), из публикации Z. Lu, Journal of Materials Research, Vol.18, No. 10, October 2003, Materials Research Society, или публикации S. Hedge et al., Electrochemical and Solid-State Letters, 7 (12) G316-G318 (2004).
Наиболее предпочтительно композитные частицы (A) представляют собой покрытые частицы типа малина, содержащие ядро, выбранное из группы, состоящей из оксида алюминия, диоксида кремния, диоксида титана, диоксида циркония, оксида цинка и их смесей, с размером ядра от 20 до 100 нм, где это ядро покрыто частицами диоксида церия, имеющими размер частиц меньше 10 нм.
Количество абразивных частиц (A), используемое в композиции по изобретению, может варьироваться в широких пределах и, следовательно, может быть наиболее выгодным образом приведено в соответствие с конкретными требованиями данной композиции и способа по изобретению. Предпочтительно композиция по изобретению содержит 0,005-10% мас., более предпочтительно 0,01-8% мас. и наиболее предпочтительно 0,01-6% мас. абразивных частиц (A), где массовые проценты указаны в пересчете на полную массу композиции по изобретению.
Композиция по изобретению содержит по меньшей мере один, предпочтительно один анионный фосфатный диспергирующий агент (B) в качестве второго основного ингредиента.
Предпочтительно анионный фосфатный диспергирующий агент (B) выбран из группы, состоящей из растворимых в воде конденсированных фосфатов.
Примерами растворимых в воде конденсированных фосфатов (B) являются соли, в частности аммониевые, натриевые и калиевые соли, метафосфатов общей формулы I:
;
и полифосфатов общей формулы II и III:
;
;
где М является аммонием, натрием и калием, и индекс n равен от 2 до 10000. Для полифосфатов формул I, II и III, индекс n предпочтительно равен от 2 до 2000, более предпочтительно от 2 до 300, наиболее предпочтительно от 2 до 50, особенно от 2 до 15, например от 3 до 8.
3
40-50
3
15-20
3
n
Примеры особенно подходящих растворимых в воде конденсированных фосфатов (В) включают соль Грэма (NaPO), Calgon™ (NaPO), соль Курроля (NaPO), где n= около 5000, и гексаметафосфат аммония, натрия и калия.
Концентрация растворимого в воде анионного фосфатного диспергирующего агента (B) в композиции по изобретению может варьироваться в широких пределах и поэтому может быть наиболее выгодным образом приведена в соответствие с конкретными требованиями данной композиции и способа по изобретению. Предпочтительно анионные фосфатные диспергирующие агенты (B) применяют в количествах, так что массовое отношение диоксида церия к анионному фосфатному диспергирующему агенту (C) составляет от 10 до 2000 и, более предпочтительно от 20 до 1000.
В качестве третьего основного ингредиента композиция по изобретению содержит по меньшей мере один, предпочтительно один компонент на основе многоатомного спирта (C).
Компонент на основе многоатомного спирта (С) выбирают из группы, состоящей из
(c1) многоатомных спиртов, выбранных из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде, предпочтительно растворимых в воде алифатических и циклоалифатических, мономерных, димерных и олигомерных многоатомных спиртов, имеющих по меньшей мере 4, предпочтительно по меньшей мере 5 и наиболее предпочтительно по меньшей мере 6 гидроксигрупп в молекуле, где указанные гидроксигруппы являются недиссоциируемыми в водной среде;
(c2) смеси, состоящей из
(c21) по меньшей мере одного, предпочтительно одного многоатомного спирта, выбранного из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде, предпочтительно растворимых в воде алифатических и циклоалифатических многоатомных спиртов, имеющих по меньшей мере 2, предпочтительно 2 или 3 гидроксигруппы в молекуле, где указанные гидроксигруппы являются недиссоциируемыми в водной среде; и
(c22) по меньшей мере одного, предпочтительно одного растворимого в воде или диспергируемого в воде полимера, выбранного из группы, состоящей из линейных и разветвленных гомополимеров и сополимеров алкиленоксидов (c221); и линейных и разветвленных, алифатических и циклоалифатических поли(N-виниламидных) гомополимеров и сополимеров (c222); и
(c3) смесей (c1) и (c2).
-
+
"Недиссоциируемые" означает, что константа диссоциации для реакции R-OH→R-O+Н гидроксигруппы в нейтральной водной фазе очень низкая или, для практических целей, фактически равна нулю.
Предпочтительно многоатомный спирт (c1) выбирают из группы, состоящей из пентаэритрита, альдитов, циклитов, углеводов и димеров и олигомеров глицерина, триметилолпропана, пентаэритрита, альдита и циклитов.
Предпочтительно альдит (c1) выбирают из группы, состоящей из тетритов, пентитов, гекситов, гептитов и октитов.
Более предпочтительно тетрит (c1) выбирают из эритрита, треита и их смесей; пентит (c1) выбирают из группы, состоящей из арабинита, рибита, ксилита и их смесей; гексит (c1) выбирают из группы, состоящей из галактита, маннита, глюцита, аллита, альтрита, идита и их смесей.
Предпочтительно димер (c1) выбирают из группы, состоящей из димеров глицерина, триметилолпропана, эритрита, треита и пентаэритрита и их смесей, а также мальтита, изомальтита, лактита и их смесей.
Более предпочтительно олигомер (c1) выбирают из группы, состоящей из три-, тетра-, пента-, гекса-, гепта-, окта-, нона-, дека-, ундека- и додекаглицерина, -триметилолпропана, -эритрита, -треита и -пентаэритрита и их смесей.
Предпочтительно циклиты (c1) выбирают из 1,2,3,4-тетрагидроксициклогексана, 1,2,3,4,5-пентагидроксициклогексана, инозитов и их смесей.
Более предпочтительно инозит (с1) выбирают из группы, состоящей из мио-, сцилло-, муко-, хиро-, нео-, алло-, эпи- и цис-инозита и их смесей. Наиболее предпочтительно применяют мио-инозит (c1).
Предпочтительно углевод (c1) выбирают из группы, состоящей из моносахаридов, дисахаридов, олигосахаридов, полисахаридов, дезоксисахаров и аминосахаров, в частности моносахаридов (c1).
Предпочтительно моносахарид (c1) выбирают из группы, состоящей из аллозы, альтрозы, глюкозы, маннозы, идозы, галактозы и талозы, в частности галактозы.
Концентрация многоатомного спирта (c1) в композиции по изобретению может варьироваться в широких пределах и поэтому может быть наиболее выгодным образом приведена в соответствие с конкретными требованиями данной композиции и способа по изобретению. Предпочтительно композиция по изобретению содержит многоатомный спирт (c1) в количествах от 0,005 до 5% мас., более предпочтительно от 0,01 до 4% мас. и наиболее предпочтительно от 0,05 до 3% мас., где массовые проценты указаны в пересчете на полную массу композиции по изобретению.
Предпочтительно растворимый в воде или диспергируемый в воде алифатический или циклоалифатический многоатомный спирт (c21), имеющий 2-3 гидроксигруппы, которые являются недиссоциируемыми в водной среде, выбирают из группы, состоящей из этиленгликоля, пропиленгликоля, диэтилен гликоля, триэтиленгликоля, дипропиленгликоля, трипропиленгликоля, этиленпропиленгликоля, диэтиленпропиленгликоля, этилендипропиленгликоля, глицерина, 1,2,3-тригидрокси-н-бутана, триметилолпропана и их смесей, наиболее предпочтительно этиленгликоля, глицерина и их смесей.
Концентрация многоатомного спирта (c21) в композиции по изобретению может варьироваться в широких пределах и поэтому может быть наиболее выгодным образом приведена в соответствие с конкретными требованиями данной композиции и способа по изобретению. Предпочтительно многоатомный спирт (с21) применяют в количестве от 0,05 до 5% мас., предпочтительно от 0,1 до 4% мас. и наиболее предпочтительно от 0,5 до 3% мас., где массовые проценты указаны в пересчете на полную массу композиции по изобретению.
Предпочтительно гомополимер или сополимер алкиленоксидов (c221) выбирают из группы, состоящей из линейных и разветвленных гомополимеров и сополимеров этиленоксида и пропиленоксида.
Сополимеры этиленоксид-пропиленоксид (c221) могут быть статистическими сополимерами, чередующимися сополимерами или блок-сополимерами, содержащими блоки полиэтиленоксида и блоки полипропиленоксида. В блок-сополимерах этиленоксид-пропиленоксид (c221) блоки полиэтиленоксида предпочтительно имеют гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ) от 10 до 15. Блоки полипропиленоксида предпочтительно могут иметь значения ГЛБ от 28 до около 32.
Предпочтительно гомополимерами алкиленоксидов (с221) являются полимеры этиленоксида, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ).
Предпочтительно растворимые в воде полимеры (c221) имеют среднемассовую молекулярную массу от 2000 до 1000000 дальтон, более предпочтительно 5000-500000 дальтон и наиболее предпочтительно от 10000 до 250000 дальтон.
Растворимые в воде полимеры (c221) являются обычными и известными, коммерчески доступными веществами. Подходящие растворимые в воде полимеры (c22) описаны в японской патентной заявке JP 2001-240850 A, пункт 2 в сочетании с абзацами [0007]-[0014], в американской патентной заявке US 2007/0077865 A1, колонка страница 1, абзац [0008] - страница 2, абзац [0010], в американской патентной заявке US 2006/0124594 A1, страница 3, абзацы [0036] и [0037] и в американской патентной заявке US 2008/0124913 A1, страница 3, абзацы [0031] - [0033] в сочетании с пунктом 14, или они имеются в продаже под торговыми наименованиями Pluronic™, Tetronic™ и Basensol™ производства BASF Corporation и BASF SE, как показано в брошюре компании BASF Corporation "Pluronic™ & Tetronic™ Block Copolymer Surfactants, 1996" или в американском патенте US 2006/0213780 A1.
Наиболее предпочтительно полиэтиленгликоль (ПЭГ) применяют в качестве полимера (c221).
Композиция по изобретению также может содержать полимер (c221) в сочетании с многоатомным спиртом (c1) только.
Также концентрация полимера (c221) в композиции по изобретению может варьироваться в широких пределах и поэтому может быть наиболее выгодным образом приведена в соответствие с конкретными требованиями данной композиции и способа по изобретению. Предпочтительно полимер (с22) применяют в количествах от 0,005 до 5% мас., предпочтительно от 0,01 до 4% мас. и наиболее предпочтительно от 0,05 до 3% мас., где массовые проценты указаны в пересчете на полную массу композиции по изобретению.
Предпочтительно алифатические и циклоалифатические N-виниламидные мономеры, которые являются элементарными звеньями линейных и разветвленных алифатических и циклоалифатических поли(N-виниламидных) гомополимеров и сополимеров (c222), выбирают из группы, состоящей из N-винилацетамида, N-винилпирролидона, N-винилвалеролактама, N-винилкапролактама, N-винилсукцинимида и их смесей.
Поли(N-виниламидные) сополимеры (c222) могут содержать мономерные звенья, образованные из обычных и известных олефиново-ненасыщенных мономеров, отличающихся от N-виниламидов, например сложных и простых виниловых эфиров, акриловых и метакриловых сложных эфиров, аллиловых сложных и простых эфиров, олефинов, которые могут быть замещены атомами галогенов или нитрильными группами, и стирольных мономеров, при условии что такие мономерные единицы содержатся только в таких количествах, при которых растворимость в воде не нарушается.
Предпочтительно растворимые в воде полимеры (c222) имеют среднемассовую молекулярную массу от 2000 до 1000000 дальтон, более предпочтительно от 5000 до 500000 дальтон и наиболее предпочтительно от 10000 до 250000 дальтон.
Композиция по изобретению также может содержать полимер (c222) в сочетании с многоатомным спиртом (c1) только.
Также концентрация полимера (c222) в композиции по изобретению может варьироваться в широких пределах и поэтому может быть наиболее выгодным образом приведена в соответствие с конкретными требованиями данной композиции и способа по изобретению. Предпочтительно полимер (с22) применяют в количестве от 0,005 до 5% мас., предпочтительно от 0,01 до 4% мас. и наиболее предпочтительно от 0,05 до 3% мас, где массовые проценты указаны в пересчете на полную массу композиции по изобретению.
В композиции по изобретению также массовое отношение многоатомного спирта (c1) к смеси (c2) может варьироваться в широких пределах и поэтому может быть наиболее выгодным образом приведена в соответствие с конкретными требованиями данной композиции и способа по изобретению. Предпочтительно массовое отношение (c1):(c2) составляет от 100:1 до 1:100.
Более того, в композиции по изобретению также массовое отношение многоатомного спирта (c21) к полимеру (c221) или (c222) может варьироваться в широких пределах и поэтому может быть наиболее выгодным образом приведена в соответствие с конкретными требованиями данной композиции и способа по изобретению. Предпочтительно массовое отношение (c21):(c221) или (c222) составляет от 100:1 до 1:100.
Композиция по изобретению может необязательно содержать по меньшей мере один функциональный компонент (D), который отличается от ингредиентов или компонентов (A), (B) и (C).
Предпочтительно функциональный компонент (D) выбирают из группы соединений, обычно применяемых в суспензиях ХМП на основе диоксида церия.
Примеры таких соединений (D) описаны в начале и описаны, например, Y.N. Prasad et al. в статье в Electrochemical and Solid-State Letters, 9 (12) G337-G339 (2006), Hyun-Goo Kang et al. в Journal of Material Research, volume 22, No.3, 2007, pages 777 to 787, S. Kim et al. в Journal of Colloid and Interface Science, 319 (2008), pages 48 to 52, S.V. Babu et al. в Electrochemical and Solid-State Letters, 7 (12) G327-G330 (2004), Jae-Dong Lee et al. в Journal of Electrochemical Society, 149 (8) G477-G481, 2002, в американских патентах US 5738800, US 6042741, US 6132637, US 6218305 B, US 5759917, US 6689692 B1, US 6984588 B2, US 6299659 B1, US 6626968 B2, US 6436835 B1, US 6491843 B1, US 6544892 B2, US 6627107 B2, US 6616514 B1 и US 7071105 B2, в американских патентных заявках US 2002/0034875 А1, US 2006/0144824 A1, US 2006/0207188 A1, US 2006/0216935 A1, US 2007/0077865 A1, US 2007/0175104 A1, US 2007/0191244 A1 и US 2007/0218811 A1, и в японской патентной заявке JP 2005-336400 A.
Более того, функциональный компонент (D) выбирают из группы, состоящей из органических, неорганические и гибридных органическо-неорганических абразивных частиц, отличающихся от частиц (А), материалов, имеющих нижнюю критическую температуру растворения (НКТР) или верхнюю критическую температуру растворения (ВКТР), окисляющих агентов, пассивирующих агентов, агентов для обращения заряда, комплексообразующих или хелатообразующих агентов, агентов, повышающих истирание, стабилизирующих агентов, агентов, регулирующих текучесть, поверхностно-активных веществ, биоцидов, катионов металлов и органических растворителей.
Подходящие органические абразивные частицы (D) и их эффективные количества известны, например, из американской патентной заявки US 2008/0254628 A1, стр.4, абзац [0054], или из международной патентной заявки WO 2005/014753 A1, где описаны твердые частицы, состоящие из меламина и производных меламина, таких как ацетогуанамин, бензогуанамин и дициандиамид.
Подходящие неорганические абразивные частицы (D) и их эффективные количества известны, например, из международной патентной заявки WO 2005/014753 A1, стр.12, строки 1-8 или из американского патента US 6068787, колонка 6, строка 41 - колонка 7, строка 65.
Подходящие гибридные органическо-неорганические абразивные частицы (D) и их эффективные количества известны, например, из американских патентных заявок US 2008/0254628 A1, стр.4, абзац [0054] или US 2009/0013609 A1, стр.3, абзац [0047] - стр.6, абзац [0087].
Подходящие окисляющие агенты (D) и их эффективные количества известны, например, из европейской патентной заявки EP 1036836 A1, стр.8, абзацы [0074] и [0075] или из американских патентов US 6068787, колонка 4, строка 40 - колонка 7, строка 45, или US 7300601 B2, колонка 4, строки 18-34. Предпочтительно применяют органические и неорганические пероксиды, более предпочтительно неорганические пероксиды. В частности, применяют пероксид водорода.
Подходящие пассивирующие агенты (D) и их эффективные количества известны, например, из американского патента US 7300601 B2, колонка 3, строка 59 - колонка 4, строка 9 или из американской патентной заявки US 2008/0254628 A1, абзац [0058], объединяющий страницы 4 и 5.
Подходящие комплексообразующие или хелатообразующие агенты (D), которые иногда именуются агентами, повышающими истирание (см. американскую патентную заявку US 2008/0254628 A1, стр.5, абзац [0061]) или агентами для травления или травильными средствами (см. американскую патентную заявку US 2008/0254628 A1, стр.4, абзац [0054]), и их эффективные количества известны, например, из американского патента US 7300601 B2, колонка 4, строки 35-48. Аминокислоты, в частности глицин, и, кроме того, дициандиамид и триазины, содержащие по меньшей мере одну, предпочтительно две и более предпочтительно три первичные аминогруппы, такие как меламин и растворимые в воде гуанамины, в частности меламин, формогуанамин, ацетогуанамин и 2,4-диамино-6-этил-1,3,5-триазин, являются наиболее предпочтительными для применения.
Подходящие стабилизирующие агенты (D) и их эффективные количества известны, например, из американского патента US 6068787, колонка 8, строки 4-56.
Подходящие агенты, регулирующие текучесть (D), и их эффективные количества известны, например, из американской патентной заявки US 2008/0254628 A1, стр.5, абзац [0065] - стр.6, абзац [0069].
Подходящие поверхностно-активные вещества (D) и их эффективные количества известны, например, из международной патентной заявки WO 2005/014753 A1, стр.8, строка 23 - стр.10, строка 17 или из американского патента US 7300601 B2, колонка 5, строка 4 - колонка 6, строка 8.
Подходящие поливалентные ионы металлов (D) и их эффективные количества известны, например, из европейской патентной заявки ЕР 1036836 A1, стр.8, абзац [0076] - стр.9, абзац [0078].
Подходящие органические растворители (D) и их эффективные количества известны, например, из американского патента US 7361603 B2, колонка 7, строки 32-48 или американской патентной заявки US 2008/0254628 A1, стр.5, абзац [0059].
Подходящие материалы (D), демонстрирующие нижнюю критическую температуру растворения (НКТР) или верхнюю критическую температуру растворения (ВКТР), описаны, например, в статье Н. Mori, Н. Iwaya, А. Nagai and Т. Endo, Controlled synthesis of thermoresponsive polymers, derived from L-proline via RAFT polymerization, в Chemical Communication, 2005, 4872-4874; или в статье D. Schmaljohann, Thermo- and pH-responsive polymers and drug delivery, Advanced Drug Delivery Reviews, volume 58 (2006), 1655-1670 или в американских патентных заявках US 2002/0198328 A1, US 2004/0209095 A1, US 2004/0217009 A1, US 2006/0141254 A1, US 2007/0029198 A1, US 2007/0289875 A1, US 2008/0249210 A1, US 2008/0050435 A1 или US 2009/0013609 A1, американских патентах US 5057560, US 578882 и US 6682642 B2, международных патентных заявках WO 01/60926 A1, WO 2004/029160 A1, WO 2004/0521946 A1, WO 2006/093242 A2 или WO 2007/012763 A1, в европейских патентных заявках EP 0583814 A1, EP 1197587 B1 и EP 1942179 A1, или в немецкой патентной заявке DE 2610705.
В принципе, могут применяться любые агенты для обращения заряда (D), обычно применяемые в области ХМП. Предпочтительно агент для обращения заряда (D) выбирают из группы, состоящей из мономерных, олигомерных и полимерных соединений, содержащих по меньшей мере одну анионную группу, выбранную из группы, состоящей из карбоксилатных, сульфинатных, сульфатных и фосфонатных групп.
Подходящие биоциды (D) могут быть выбраны из группы, состоящей из растворимых в воде или диспергируемых в воде N-замещенных диазений диоксидов и солей N-замещенных N'-гидрокси-диазений оксидов.
Если присутствует, функциональный компонент (D) может содержаться в различных количествах. Предпочтительно общее количество (D) составляет не более 10% мас. ("% мас." означает "массовый процент"), более предпочтительно не более 2% мас., наиболее предпочтительно не более 0,5% мас., в особенности не более 0,1% мас., например не более 0,01% мас., в пересчете на общую массу соответствующей ХМП композиции. Предпочтительно общее количество (D) составляет по меньшей мере 0,0001% мас., более предпочтительно по меньшей мере 0,001% мас., наиболее предпочтительно по меньшей мере 0,008% мас., особенно по меньшей мере 0,05% мас., например по меньшей мере 0,3% мас., в пересчете на общую массу соответствующей композиции.
Композиция по изобретению может необязательно содержать по меньшей мере один агент, регулирующий pH, или буферный агент (Е), который материально отличается от ингредиентов (A), (B) и (C).
Подходящие агенты, регулирующие pH, и буферные агенты (Е) и их эффективные количества известны, например, из европейской патентной заявки EP 1036836 A1, стр.8, абзацы [0080], [0085] и [0086], международной патентной заявки WO 2005/014753 A1, стр.12, строки 19-24, американской патентной заявки US 2008/0254628 A1, стр.6, абзац [0073] или американского патента US 7300601 B2, колонка 5, строки 33-63. Примерами агентов, регулирующих pH, или буферных агентов (Е) являются гидроксид калия, гидроксид аммония, гидроксид тетраметиламмония (ГТМА), азотная кислота и серная кислота.
Если присутствует, агент, регулирующий pH, или буферный агент (Е) может содержаться в различных количествах. Предпочтительно общее количество (Е) составляет не более 20% мас., более предпочтительно не более 7% мас., наиболее предпочтительно не более 2% мас., в особенности не более 0,5% мас., например не более 0,1% мас. в пересчете на общую массу соответствующей ХМП композиции. Предпочтительно общее количество (Е) составляет по меньшей мере 0,001% мас., более предпочтительно по меньшей мере 0,01% мас., наиболее предпочтительно по меньшей мере 0,05% мас., в особенности по меньшей мере 0,1% мас., например по меньшей мере 0,5% мас., в пересчете на общую массу соответствующей композиции.
Получение композиции по изобретению не имеет каких-либо особенностей и может проводиться растворением или диспергированием описанных выше ингредиентов (А), (В) и (С) и, необязательно, (D) и/или (Е) в водной среде, в частности в деионизированной воде. Для этой цели применяют обычные и стандартные процессы смешивания и смешивающие аппараты, такие как сосуды с мешалкой, аппараты для растворения, встроенные в технологическую линию, импеллеры высокого сдвига, ультразвуковые смесители, гомогенизирующие форсунки или противоточные смесители. Предпочтительно полученная таким образом композиция по изобретению может фильтроваться через фильтры с требуемым размером ячеек, чтобы удалить частицы грубого помола, такие как агломераты или агрегаты твердых мелкодисперсных абразивных частиц (А).
Композиции по изобретению превосходно подходят для способа по изобретению.
В способе по изобретению подложка для электрических, механических и оптических устройств, в частности электрических устройств, наиболее предпочтительно устройств с интегральными схемами, по меньшей мере один раз вводится в контакт с композицией по изобретению и полируется, в частности химически и механически полируется, до достижения желаемой плоскостности.
Способ по изобретению демонстрирует особенные преимущества в ХМП кремниевых полупроводниковых пластин, имеющих изолирующие слои, состоящие из материалов на основе оксида кремния с низкой или ультранизкой диэлектрической проницаемостью, и слои на основе нитрида кремния в качестве тормозящих или защитных слоев.
Подходящие материалы с низкой или ультранизкой диэлектрической проницаемостью и подходящие способы получения изолирующих диэлектрических слоев описаны, например, в американских патентных заявках US 2005/0176259 A1, стр.2, абзацы [0025]-[0027], US 2005/0014667 A1, стр.1, абзац [0003], US 2005/0266683 A1, стр.1, абзац [0003] и стр.2, абзац [0024], или US 2008/0280452 A1, абзацы [0024]-[0026] или в американском патенте US 7250391 B2, колонка 1, строки 49-54 или в европейской патентной заявке EP 1306415 A2, стр.4, абзац [0031].
Способ по изобретению особенно подходит для узкощелевой изоляции (УЩИ), которая требует селективного удаления диоксида кремния по сравнению с нитридом кремния на структурированной пластине в качестве субстрата. В этом способе вытравленные канавки переполняются диэлектрическим материалом, например диоксидом кремния, который полируют с применением защитной пленки на основе нитрида кремния в качестве тормозящего слоя. В этом предпочтительном варианте осуществления изобретения способ по изобретению заканчивается очищением диоксида кремния с барьерной пленки при минимизации удаления обнаженного нитрида кремния и оксида кремния в углублениях.
Таким образом, способ по изобретению демонстрирует селективность оксид/нитрид более 50, предпочтительно более 75 и наиболее предпочтительно более 100.
Способ по изобретению не имеет особенностей, а может проводиться с помощью процессов и оборудования, обычно используемых для ХМП в изготовлении полупроводниковых пластин с ИС.
Как известно в данной области техники, типовое оборудование для ХМП состоит из вращающейся платформы, которая покрыта полировальником (полировальной подушкой). Пластина установлена на носителе или держателе, где ее верхняя сторона расположена вниз, лицом к полировальнику. Носитель удерживает пластину в горизонтальном положении. Такой конкретный порядок расположения полирующего и удерживающего устройства также известен как конструкция с зафиксированной платформой. Носитель может держать подушку носителя, которая находится между удерживающей поверхностью носителя и поверхностью пластины, которая неотполирована. Эта подушка может работать в качестве смягчающей подкладки для пластины.
Под носителем также обычно находится платформа (тарелка) большего диаметра в горизонтальном положении, который представляет собой поверхность, параллельную поверхности пластины, которую будут полировать. Ее полировальник контактирует с поверхностью пластины в ходе процесса планаризации. В ходе способа ХМП по изобретению композиция по изобретению наносится на полировальник в виде непрерывного потока или по каплям.
Как носителю, так и опорной платформе придается вращение вокруг их соответствующих осей, которые проходят перпендикулярно носителю и платформе. Вращающийся вал носителя может оставаться зафиксированным в положении относительно вращающейся платформы или может испытывать горизонтальные колебания по отношению к платформе. Направление вращения носителя обычно, хотя необязательно, является таким же, как направление вращения платформы. Скорости вращения носителя и платформы обычно, хотя необязательно, установлены на разные значения.
Традиционно температура платформы установлена на температуру между 10 и 70°C.
Более подробно методика описана в международной патентной заявке WO 2004/063301 A1, в частности стр.16, абзац [0036] - стр.18, абзац [0040] в сочетании с фигурой 1.
Посредством процесса по изобретению могут быть получены полупроводниковые пластины с ИС, содержащие структурированные слои материала с низкой и ультранизкой диэлектрической проницаемостью, в частности слои на основе диоксида кремния, имеющие превосходную плоскостность. Следовательно, могут быть получены структуры, изготовленные с использованием дамасской медной технологии, которые также имеют превосходную плоскостность и, в готовой ИС, превосходные электрические свойства.
Примеры и сравнительные эксперименты
Сравнительные эксперименты C1-C6
Получение сравнительных водных полирующих композиций C1-C6
50
200
300
Для получения сравнительных водных полирующих композиций C1-C6 диоксид церия (средний размер частиц d от 120 до 140 Нм, что измеряется динамическим рассеянием лазерного излучения), гексаметафосфат натрия (РР; массовое отношение диоксида церия к РР=200, далее обозначается как РР, массовое отношение диоксида церия к РР=300, далее обозначается как РР) и инозит диспергируют или растворяют в сверхчистой воде. Применяемые количества приведены в таблице 1.
Таблица 1
Композиции сравнительных водных полирующих композиций C1-C6
№ композиции
Диоксид церия/% мас.
РР<sub>200</sub>
РР<sub>300</sub>
Инозит/% мас.
pH
C1
0,5
-
-
-
5
C2
0,5
+
-
-
6,5
C3
0,15
-
-
-
5
C4
0,15
-
-
1
5
C5
0,125
-
-
-
5
C6
0,125
-
+
-
6
Примеры 1-11
Получение водных полирующих композиций 1-11
50
200
300
Для получения водных полирующих композиций 1-11 диоксид церия (средний размер частиц d от 120 до 140 Нм, что определяется динамическим рассеянием лазерного излучения), гексаметафосфат натрия (РР; массовое отношение диоксида церия к РР=200, далее обозначается как РР, массовое отношение диоксида церия к РР=300, далее обозначается как РР) и инозит диспергируют или растворяют в сверхчистой воде. Применяемые количества приведены в таблице 2.
Таблица 2
Композиции водных полирующих композиций 1-11
№ композиции
Диоксид церия/% мас.
РР<sub>200</sub>
РР<sub>300</sub>
Инозит/% мас.
pH
1
0,125
+
-
1
6,5
2
0,125
-
+
0,05
6
3
0,125
-
+
0,1
6
4
0,125
-
+
0,2
6
5
0,125
-
+
0,5
6
6
0,125
-
+
0,8
6
7
0,125
-
+
1
6
8
0,125
-
+
2
6
9
0,125
-
+
2
4
10
0,125
-
+
2
6
11
0,125
-
+
2
9
Водные полирующие композиции 1-11 из примеров 1-11 превосходно подошли для химико-механического полирования подложек для электрических, механических и оптических устройств.
Примеры 12-22 и сравнительные примеры C7-C12
ХМП пластин с нанесенным невскрытым слоем на основе диоксида кремния и пластин с нанесенным невскрытым слоем на основе нитрида кремния и селективность оксид/нитрид
Таблица 3 показывает, какие водные полирующие композиции применялись для примеров 12-22 и сравнительных экспериментов C7-С12
Таблица 3
Водные полирующие композиции и тип слоя на основе диоксида кремния, применяемых для примеров 12-22 и сравнительных экспериментов C7-C12
Водная полирующая композиция №
Из примера или сравнительного эксперимента №
Применяется для примера или сравнительного эксперимента №
Тип применяемого слоя диоксида кремния
C1
C1
C7
HDP
C2
C2
C8
HDP
C3
C3
C9
HDP
C4
C4
C10
HDP
C5
C5
C11
HDP
C6
C6
C12
HDP
1
1
12
HDP
2
2
13
HDP
3
3
14
HDP
4
4
15
HDP
5
5
16
HDP
6
6
17
HDP
7
7
18
HDP
8
8
19
HDP
9
9
20
TEOS
10
10
21
TEOS
11
11
22
TEOS
HDP: диоксид кремния, осажденный из плазмы высокой плотности;
TEOS: оксид, получаемый химическим осаждением из паровой фазы тетраэтилортосиликата
Далее, для процесса ХМП использовали следующие параметры.
Пример 12 и сравнительные эксперименты C7-C10
- Полировальная машина: Strasbaugh 6EGnHance (роторного типа):
- скорость вращения опорной платформы: 93 об/мин;
- скорость вращения носителя: 87 об/мин;
- полировальник IC 1000/Suba 400 K-groove производства Rohm & Haas;
- придание требуемых характеристик полировальнику - in situ с применением алмазного чистящего диска S60 компании 3М;
- скорость потока суспензии: 200 мл/мин;
- субстраты: пластины с нанесенным невскрытым слоем на основе диоксида кремния (см. таблицу 3) и пластины с нанесенным невскрытым слоем нитрида кремния толщиной 500 нм, полученным химическим осаждением из паровой фазы, производства Montco Silicon;
- усилие прижатия: 2,7 фунта/кв. дюйм (185,143 мбар); С9: 1,5 фунта/кв. дюйм (102,86 мбар);
- время полировки: 1 минута.
Примеры 13-22 и сравнительные эксперименты C11 и C12
- Полировальная мащина: Amat Mirra (роторного типа):
- скорость вращения опорной платформы: 100 об/мин;
- скорость вращения носителя: 90 об/мин;
- полировальник IC 1000/Suba 400 K-groove производства Rohm & Haas;
- придание требуемых характеристик полировальнику - in situ с применением чистящего алмазного диска S60 компании 3М;
- скорость потока суспензии: 200 мл/мин;
- субстраты: пластины с нанесенным невскрытым слоем на основе диоксида кремния (см. таблицу 3) и пластины с нанесенным невскрытым слоем нитрида кремния толщиной 500 нм;
- усилие прижатия: 2 фунта/кв. дюйм (137,143 мбар);
- время полировки: 1 минута.
Скорости удаления поликремниевого материала (MRR) измеряли лазерной интерферометрией (FilmTek™ 2000). В таблице 4 дан обзор полученных MRR.
Таблица 4
ХМП пластин с нанесенным невскрытым слоем на основе диоксида кремния и пластин с нанесенным невскрытым слоем на основе нитрида кремния и селективность оксид/нитрид
Пример или сравнительный эксперимент №
MRR диоксида кремния (Á/мин)
MRR нитрида кремния (Á/мин)
Селективность оксид/нитрид
C7
2378
589
4
C8
1467
397
3,7
C9
1971
331
6
C10
2088
138
15
C11
1846
347
5
C12
1017
242
4
12
1430
63
22,7
13
1031
199
5
14
1107
120
9
15
1014
72
14
16
1186
40
30
17
1247
38
33
18
1220
30
41
19
1200
23
52
20
1135
98
12
21
1568
25
63
22
1342
21
64
Результаты, собранные в таблице, показывают, что высокая селективность оксид/нитрид не могла быть достигнута для водных полирующих композиций, содержащих только диоксид церия, диоксид церия и РР и диоксид церия и инозит. Наоборот, легко достижимым стало получение высокой селективности оксид/нитрид даже более 50 с полирующими композициями, содержащими диоксид церия, РР и инозит. Если бы pH полирующей композиции повысили до 9, селективность оксид/ нитрид могла бы быть улучшена еще больше.
Такие высокие селективности оксид/нитрид также могли быть достигнуты для водных полирующих композиций, содержащих диоксид церия, гексаметафосфат натрия РР, глицерин и полиэтиленгликоль ПЭГ и/или поливинилпирролидон ПВП.
Примеры 23-26
Получение водных полирующих композиций 12-15
250
Для получения водных полирующих композиций 12-15 диоксид церия (средний размер частиц d50 от 120 до 140 нм, что определяется динамическим рассеянием лазерного излучения), гексаметафосфат натрия (РР; массовое отношение диоксида церия к РР=250, далее обозначается как РР), инозит, галактозу и Protectol KD (соль N'-гидроксидиазений оксида; биоцид производства BASF SE) диспергируют или растворяют в сверхчистой воде. Используемые количества приведены в таблице 5.
Таблица 5
Состав водных полирующих композиций 12-15
Пр. №
Композиция №
Диоксид церия/% мас.
Protectol KD/част./млн
РР<sub>250</sub>
Инозит/% мас.
Галактоза/% мас.
pH
23
12
0,125
25
+
-
0,25
9,5
24
13
0,125
25
+
0,25
0,25
9,5
25
14
0,5
12,5
+
0,5
-
9,5
26
15
0,5
12,5
+
0,25
0,25
9,5
Водные полирующие композиции 12-15 из примеров 23-26 превосходно подошли для химико-механического полирования подложек для электрических, механических и оптических устройств.
Примеры 27-30
ХМП пластин с нанесенным невскрытым слоем на основе диоксида кремния и пластин с нанесенным невскрытым слоем на основе нитрида кремния и селективность оксид/нитрид
ХМП проводили, как описано в примерах 13-22, за исключением того, что скорость вращения опорной платформы составляла 63 об/мин, и скорость носителя составляла 60 об/мин. В таблице 6 дан обзор полученных MRR.
Таблица 6
ХМП пластин с нанесенным невскрытым слоем на основе диоксида кремния и пластин с нанесенным невскрытым слоем на основе нитрида кремния и селективность оксид/нитрид
Водная полирующая композиция №
Из примера №
Применяется для примера №
MRR TEOS (Á/мин)
MRR нитрида кремния (Á/мин)
Селективность оксид/нитрид
12
23
27
1172
8
146,5
13
24
28
1226
3
408,6
14
25
29
1727
23
75
15
26
30
1488
15
100
Результаты в таблице 6 показывают, что уже высокая селективность оксид/нитрид, достигнутая применением циклита (см. пример 25) или моносахарида (см. пример 27), смогла быть еще более улучшена совместным применением циклита и моносахарида (см. примеры 28 и 30).