一种抛光垫用高强度聚氨酯材料及其制备方法与流程

本发明涉及聚氨酯复合材料，具体是一种抛光垫用高强度聚氨酯材料及其制备方法。

背景技术：

1、化学机械抛光技术，简称cmp，是半导体晶片表面加工的核心技术之一，其通过化学腐蚀与机械研磨的协同作用，可实现晶圆及衬底材料的光滑平坦化处理，在cmp工艺中，起化学腐蚀作用的主要是抛光液，而起机械研磨作用的主要是抛光垫，二者结合，使被抛光的晶圆表面高度平坦化，表面粗糙度和缺陷显著降低，进而提升后续加工过程的精度以及成品的良率。由此可见，抛光垫是cmp工艺重要组成部分，主要发挥着储存抛光液，并将抛光液输送到晶圆加工区域、排出废弃物、传递加工载荷、保证抛光过程平稳进行等作用，因此，抛光垫材料需具备优异的耐腐蚀性能、良好的亲水性及机械力学性能。目前常见的抛光垫主要为聚氨酯抛光垫，因其具化学稳定性良好、耐磨性好、抛光效率高等优点，被广泛应用于cmp工艺中。

2、聚氨酯抛光垫是由聚氨酯聚合体经发泡、固化后制得，聚氨酯聚合体主要由软段和硬段构成，软段主要成分为聚酯/聚醚等多元醇，硬段则由异氰酸酯与扩链剂、交联剂等组成，通过调节聚氨酯聚合体中软段与硬段的材料种类与占比可以赋予聚氨酯抛光垫不同的性能，较高的硬段占比能够提高聚氨酯抛光垫的模量与硬度，抛光垫平坦化能力变强，但同时会导致硬段与软段相分离过度、硬段聚集粗化，会导致抛光垫断裂伸长率、韧性降低，进而造成晶圆表面产生划痕受损，较高的软段占比能够提高聚氨酯抛光垫的韧性，不易破坏晶圆，但是其模量、耐磨性不足，受压易发生蠕变形变，平坦化能力变弱，导致抛光效率降低。因此，单一配方的聚氨酯材料难以兼顾高平坦化与低损伤性能平衡。

3、为改善聚氨酯抛光垫材料的综合性能，现有技术通常采取聚氨酯基体分子改性、添加增强相的方法，在聚氨酯基体改性方面，采用1,4-丁二醇等传统扩链剂调节硬段结构以提升材料强度，但这类扩链剂形成的硬段结构规整、结晶性强，提升强度的同时往往伴随韧性的明显损失，且对硬段微相分离结构的优化作用有限，无法从本质上改善强度与韧性的平衡关系。此外，向聚氨酯基体中引入改性无机纳米粒子作为补强相进行填充改性，依托纳米粒子的载荷传递效应与应力耗散效应，提升材料的模量与拉伸强度，但无机纳米粒子的硬度、刚性偏大，填充量偏高时易成为应力集中点，进而降低材料断裂伸长率与韧性，且抛光过程易产生晶圆划痕。

4、综上，为解决上述传统扩链剂、无机纳米粒子在聚氨酯材料中的问题，开发一种抛光垫用高强度聚氨酯材料具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种抛光垫用高强度聚氨酯材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、1.一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：在氮气氛围下，将n-甲基单乙醇胺与碳酸二甲酯搅拌混合均匀，升温依次进行预反应、深度反应，得到扩链剂；将聚四氢呋喃醚二醇、扩链剂、二苯基甲烷二异氰酸酯混合均匀，并置于模具中固化，得到聚氨酯基体；

5、s2：将芳纶纳米纤维、硅烷偶联剂加入至乙醇水溶液中，搅拌分散均匀，升温反应，得到反应液；将正硅酸乙酯加入至反应液中，升温反应，反应结束后经醇洗、水洗、真空干燥，得到改性芳纶纳米纤维；

6、s3：将热塑性聚氨酯溶于四氢呋喃中，在超声条件下，加入改性芳纶纳米纤维，分散均匀，得到混合液；将混合液加入至去离子水中，搅拌均匀，经过滤、洗涤、真空干燥，得到改性芳纶纳米纤维材料；

7、s4：将聚氨酯基体、改性芳纶纳米纤维材料、热塑性聚氨酯混炼成型，然后通入超临界二氧化碳进行发泡处理，得到抛光垫用高强度聚氨酯材料。

8、进一步地，步骤s1中，扩链剂制备过程中，n-甲基单乙醇胺与碳酸二甲酯的摩尔比为(3~3.1):1；预反应温度为80~85℃，预反应时间为5~6h；深度反应温度为150~160℃，深度反应时间为8~10h。

9、进一步地，步骤s1中，聚氨酯基体制备过程中，聚四氢呋喃醚二醇的分子量为1000~2000g/mol；聚四氢呋喃醚二醇、扩链剂、二苯基甲烷二异氰酸酯的摩尔比为1:(1~1.02):(2~2.1)；固化温度为80~85℃，固化时间为20~24h。

10、进一步地，步骤s2中，反应液制备过程中：芳纶纳米纤维的直径为10~100nm，硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或者二者的组合，乙醇水溶液的体积分数为90%~95%，芳纶纳米纤维、硅烷偶联剂、乙醇水溶液的质量比为1:(0.1~0.2):(8~9)，反应温度为30~35℃，反应时间为3~5h。

11、进一步地，步骤s2中，改性芳纶纳米纤维制备过程中：正硅酸乙酯与反应液的质量比为1:(95~100)，反应温度为40~45℃，反应时间为4~5h，真空干燥温度为50~60℃，真空干燥时间为10~12h。

12、进一步地，步骤s3中，混合液制备过程中，热塑性聚氨酯、四氢呋喃、改性芳纶纳米纤维的质量比为1:(10~15):(0.4~0.5)，热塑性聚氨酯的熔融指数为10~30g/10min；改性芳纶纳米纤维材料制备过程中，混合液与去离子水的质量比为1:(10~15)，真空干燥温度为50~60℃，真空干燥时间为12~24h。

13、进一步地，步骤s4中，抛光垫用高强度聚氨酯材料中各原料组分按其质量份计为：60~80份聚氨酯基体、5~15份改性芳纶纳米纤维材料、10~20份热塑性聚氨酯。

14、进一步地，步骤s4中，混炼成型温度为160~180℃，发泡处理温度为120~140℃，发泡处理时间为1~2h，发泡处理压力为10~12mpa。

15、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

16、1.本发明以n-甲基单乙醇胺与碳酸二甲酯制备了扩链剂，其分子结构带有丰富的氨基甲酸酯基团，可以提高聚氨酯硬段的氢键密度与内聚强度，进而提升聚氨酯材料的拉伸强度、硬度与耐磨性能。

17、2.本发明利用硅烷偶联剂改性芳纶纳米纤维，并加入至聚氨酯材料中，既改善了芳纶纳米纤维与聚氨酯基体相容性差、界面结合作用弱的问题，同时，芳纶纳米纤维自身兼具高强度与柔性，分散于聚氨酯材料基体中，在高应变下，局部区域形成均匀的纳米鳞片，可通过桥接和缠结效应提高了聚氨酯材料的强度和韧性。

18、3.本发明制备的聚氨酯材料拉伸强度可达31.7mpa，断裂伸长率可达296%，解决了传统聚氨酯材料由于硬段结构导致的强度与韧性不平衡的问题，耐压缩，抛光去除效率高，可应用于抛光垫等领域。

1.一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法，其特征在于：步骤s1中，扩链剂制备过程中，n-甲基单乙醇胺与碳酸二甲酯的摩尔比为(3~3.1):1；预反应温度为80~85℃，预反应时间为5~6h；深度反应温度为150~160℃，深度反应时间为8~10h。

3.根据权利要求1所述的一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法，其特征在于：步骤s1中，聚氨酯基体制备过程中，聚四氢呋喃醚二醇的分子量为1000~2000g/mol；聚四氢呋喃醚二醇、扩链剂、二苯基甲烷二异氰酸酯的摩尔比为1:(1~1.02):(2~2.1)；固化温度为80~85℃，固化时间为20~24h。

4.根据权利要求1所述的一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中，反应液制备过程中：芳纶纳米纤维的直径为10~100nm，硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的一种或者二者的组合，乙醇水溶液的体积分数为90%~95%，芳纶纳米纤维、硅烷偶联剂、乙醇水溶液的质量比为1:(0.1~0.2):(8~9)；反应温度为30~35℃，反应时间为3~5h。

5.根据权利要求1所述的一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中，改性芳纶纳米纤维制备过程中：正硅酸乙酯与反应液的质量比为1:(95~100)，反应温度为40~45℃，反应时间为4~5h，真空干燥温度为50~60℃，真空干燥时间为10~12h。

6.根据权利要求1所述的一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法，其特征在于：步骤s3中，混合液制备过程中，热塑性聚氨酯、四氢呋喃、改性芳纶纳米纤维的质量比为1:(10~15):(0.4~0.5)，热塑性聚氨酯的熔融指数为10~30g/10min；改性芳纶纳米纤维材料制备过程中，混合液与去离子水的质量比为1:(10~15)，真空干燥温度为50~60℃，真空干燥时间为12~24h。

7.根据权利要求1所述的一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法，其特征在于：步骤s4中，抛光垫用高强度聚氨酯材料中各原料组分按其质量份计为：60~80份聚氨酯基体、5~15份改性芳纶纳米纤维材料、10~20份热塑性聚氨酯。

8.根据权利要求1所述的一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法，其特征在于：步骤s4中，混炼成型温度为160~180℃，发泡处理温度为120~140℃，发泡处理时间为1~2h，发泡处理压力为10~12mpa。

9.根据权利要求1~8任一项所述的一种抛光垫用高强度聚氨酯材料的制备方法制备得到的抛光垫用高强度聚氨酯材料。