化學(xué)機(jī)械拋光簡介

秦圓圓 (國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心,江蘇 蘇州 215163)

1 化學(xué)機(jī)械拋光起源

化學(xué)拋光，表面完美性好，但是平行度、平整度、拋光一致性差；機(jī)械拋光一致性、材料表面平行度好，但是粗糙度較大；而化學(xué)機(jī)械拋光集化學(xué)拋光和機(jī)械拋光的優(yōu)點(diǎn)，既能夠獲得較完美的表面，又可以得到較高的拋光速率，是能夠?qū)崿F(xiàn)全局平坦化的唯一方法。

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP，化學(xué)機(jī)械平坦化，化學(xué)機(jī)械研磨），80年代末源于IBM公司，最早是由IBM在1991年在64Mb?DRAM的生產(chǎn)中獲得成功的應(yīng)用，從90年代開始進(jìn)入量產(chǎn)，具有成本低、方法簡單等優(yōu)點(diǎn)，而且該方法能夠使晶片表面真正的實(shí)現(xiàn)平坦化，并幾乎可以用于對所有的表面材料進(jìn)行加工，因此在工業(yè)界得到了廣泛認(rèn)可，世界各國和地區(qū)都對此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)，并且該行業(yè)呈現(xiàn)出了較強(qiáng)的競爭勢頭。

與傳統(tǒng)的純機(jī)械或純化學(xué)的拋光方法不同，CMP技術(shù)是通過化學(xué)的和機(jī)械的組合物技術(shù)，通過兩者技術(shù)相互結(jié)合避免了由單純機(jī)械拋光造成的表面損傷，利用了磨損中的“軟磨硬”原理，即用較軟的材料來進(jìn)行拋光以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的表面拋光，將化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨削作用達(dá)到一種平衡。化學(xué)機(jī)械拋光是在一定壓力下及拋光漿料存在下，被拋光工件相對于拋光墊做相對運(yùn)動，借助于納米粒子的研磨作用與氧化劑的腐蝕作用之間的有機(jī)結(jié)合，在被研磨的工件表面形成光潔表面。

圖1 化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備圖

2 影響拋光效果的因素

2.1 拋光壓力、流速、拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光頭轉(zhuǎn)速

拋光壓力對拋光速率和拋光表面質(zhì)量影響較大，是拋光工藝中的一個重要參數(shù)。一般而言，壓力越大，拋光速率越大，也正是由于薄膜表面凹凸部位所受壓力不同，導(dǎo)致了去除速率的差異，凸出的部位去除速率高，而低凹部位去除速率低，從而達(dá)到平整。但是高壓拋光是產(chǎn)生表面缺陷（劃傷、彈性形變、應(yīng)力損傷）的主要來源。壓力大時(shí)，磨料劃過表面產(chǎn)生的劃痕深造成表面劃傷。摩擦力增大，產(chǎn)物大量的熱量，層間拋光液又少，不能起到很好的潤滑、散熱作用，產(chǎn)生局部溫度梯度，化學(xué)作用增強(qiáng)，拋光速率加大，更易產(chǎn)生桔皮等拋光缺陷。另外，壓力大，拋光后氧化層表面活性大，更易吸附雜質(zhì)等顆粒，使之難以清洗。同時(shí)，拋光轉(zhuǎn)速增加，會引起拋光速率的增加，但是拋光轉(zhuǎn)速過高時(shí)，將會導(dǎo)致拋光漿料在拋光墊上分布不均勻、化學(xué)反應(yīng)速率降低和機(jī)械作用增強(qiáng)，從而影響拋光速率和質(zhì)量。

2.2 拋光墊

化學(xué)機(jī)械拋光中拋光墊的主要作用是輸送拋光液，傳導(dǎo)壓力和打磨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料表面。拋光布的材料通常為聚氨酯或聚酯中加入飽和的聚氨酯。拋光布的各種性質(zhì)嚴(yán)重影響到拋光晶片的表面質(zhì)量和拋光的速率，主要有拋光布的纖維結(jié)構(gòu)、孔的尺寸、拋光布的粘彈性、拋光布的硬度和厚度、耐化學(xué)系和反應(yīng)性等。硬布有助于達(dá)到全局平面化，但是其質(zhì)量傳輸能力不夠，因此不能及時(shí)地將新鮮的漿料傳輸?shù)綊伖獗砻妫膊荒軐U料及時(shí)地帶走，這樣就大大降低了對拋光表面的CMP作用和拋光的一致性，因而也就降低了拋光速率。軟布的多孔結(jié)構(gòu)和纖維絨毛能提高漿液的傳輸，但是因?yàn)椴降膭傂圆粔颍茈y達(dá)到拋光全局平面化。為了均衡全局平面化和一致性這兩方面的要求，采用雙層結(jié)構(gòu)。頂部硬的表面提供好的全局平面化，底部彈性好，提供大范圍的良好接觸，保持好的一致性。

2.3 拋光液（組成：磨料、溶劑、添加劑等；制備方法：加料順序等）

2.3.1 磨料類型、濃度、尺寸

磨料在化學(xué)機(jī)械拋光中的主要作用是將拋光對象表層的凸部去除，提高工件表面的平整度。半導(dǎo)體加工工藝中，SiO2、Al2O3、Ce2O3是最常用的磨料，其中Ce2O3磨料常用于玻璃拋光。由于氧化鈰研磨顆粒表面具有對于氧化硅極強(qiáng)的活性的路易斯酸位置，可與其形成氧橋鍵結(jié)，特別適用于淺溝槽隔離制程，具有提高選擇比的優(yōu)點(diǎn)，可提供足夠的研磨速率。磨料顆粒的硬度對去除速率有直接的影響，由于加大了機(jī)械作用，去除速率隨磨料顆粒硬度的增加而增大。同時(shí)，磨料含量在一定范圍時(shí)，能夠提高拋光速率，但是磨料的含量過高時(shí)，容易導(dǎo)致拋光液流動性較差，造成管道堵塞，從而增加成本，同時(shí)對材料表面的拋光效果也較差。

半導(dǎo)體加工工藝中使用的絕大部分化學(xué)機(jī)械拋光磨料的平均顆粒尺寸在50-200nm之間，大顆粒的磨料會在晶片表面產(chǎn)生微小的擦痕，破壞產(chǎn)品質(zhì)量，對化學(xué)機(jī)械拋光加工的效果有直接影響。

2.3.2 pH值

pH值影響被拋光表面和磨料材料的分解和溶解度、被拋表面膜的形成。拋光液中磨料的懸浮程度、即膠體的穩(wěn)定度，也受到pH值的影響。研磨液的pH值是液體介質(zhì)中酸堿度的表征，在CMP應(yīng)用過程中，許多研磨液是按“緩沖”溶液配制的，稍加稀釋或添加少量的酸或堿，其pH值的變化不大。由于化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)主要以化學(xué)腐蝕作用為主，OH-會與硅原子發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)速率直接會影響硅片的拋光速率，因此拋光液的pH值通常要求處在一個比較穩(wěn)定的范圍。同時(shí)，拋光液pH值的設(shè)定通常需要跟拋光壓力、拋光溫度、拋光材料等參數(shù)相匹配。

2.3.3 密度

對于研磨液而言，其密度與研磨液中磨料的含量相關(guān)。

2.3.4 粘度

粘度，又稱動力粘度，是牛頓流體粘滯力的量度參數(shù)，是牛頓粘性定律中剪切力和法向速度梯度之間的比例常數(shù)。研磨液的粘度和溫度有關(guān)，并且，粘度影響研磨液的傳遞特性，還是磨料分散體系中膠凝化的重要參數(shù)。

2.3.5 ζ電位

當(dāng)顆粒與流體相接觸時(shí)（例如研磨顆粒在研磨溶液中時(shí)），考慮一個表面帶負(fù)電荷并均勻分布的顆粒，在該顆粒非常臨近的區(qū)域包圍著一層正電離子，隨著與該顆粒距離的增加，正負(fù)離子的濃度逐漸減少，最終和流體主體相中的濃度相等。主體相中的離子和顆粒所吸引的離子間的電荷差異形成ζ電位。ζ電位可以用于預(yù)測和控制CMP研磨液中膠體分散的穩(wěn)定性。ζ電位越大，研磨液的分散性就越好，因?yàn)閹щ姷念w粒會排斥其他顆粒，從而避免彼此間的聚結(jié)。

3 結(jié)語

拋光壓力、流速、拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光頭轉(zhuǎn)速、拋光墊通常為影響化學(xué)機(jī)械拋光的機(jī)械因素，而拋光液的組成為影響拋光效果的決定性因素，各大公司和研究所也通常著重于拋光液組成的研究，同時(shí)根據(jù)拋光對象的不同對拋光液的組成進(jìn)行調(diào)整，以獲得較好的拋光速率和拋光效果。

[1]劉玉玲等.超大規(guī)模集成電路襯底材料性能及加工測試技術(shù)工程.冶金工業(yè)出版社，2002.