CMP拋光界面溫度的在線檢測*

袁文強，魏　昕，謝小柱，胡　偉

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州　510006)

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CMP拋光界面溫度的在線檢測*

袁文強，魏昕，謝小柱，胡偉

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州510006)

介紹了化學機械拋光過程中監控拋光界面溫度的重要性?？偨Y了其他學者對拋光界面溫度的檢測方法，并分析每種方法的優缺點。設計了一種拋光界面溫度在線檢測裝置，介紹了它的結構和組成該裝置的各元件型號及性能。進行了不同拋光壓力、拋光盤轉速和拋光液流量的CMP試驗，并利用該裝置檢測各情況下的拋光界面溫度變化。為了進一步地說明該裝置的有效性，將拋光液流量為20mL/min時的溫度檢測結果與仿真結果對比，六組對比數據都十分接近，同時也驗證了該計算方法的有效性。提出了將該溫度檢測裝置應用于判斷拋光過程是否正常以及某些工件的拋光終點檢測的想法。

化學機械拋光；溫度；在線；檢測

0　引言

化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)是綜合化學和機械作用，實現高質量、超精密、無損傷加工表面的一種有效方法，廣泛應用于半導體材料表面的拋光[1]。

CMP過程中需要機械和化學作用相互配合，當兩者達到均衡時，才能獲得良好的拋光效果。其中機械作用的影響因素包括：拋光壓力、拋光盤和工件的相對速度、拋光液的流量、磨粒的大小和拋光墊的材料等，這些因素均可以被有效控制?；瘜W作用的影響因素包括：拋光液的類型、拋光液的流量和拋光界面的溫度等。其中，拋光界面的溫度直接影響化學反應的速度。在銅的拋光中，拋光界面溫度升高1K則拋光速率增加7%[2]，工件的不同區域溫度不一致還會導致片內非均勻性的增加[3]。拋光界面溫度會隨著環境溫度和工藝參數的變化而變化，因此監控拋光界面的溫度，就顯得尤為重要。

實際應用中，為了在CMP過程中得到穩定的拋光界面溫度，在正式拋光前采用樣片進行拋光，預熱拋光墊和拋光頭，這種方法即浪費時間又消耗樣片。對此，有學者提出各種改進方法，比如：采用特制的拋光盤控制溫度[3-4]，利用去離子水噴淋拋光墊控制溫度[5]。為了能更好地控制拋光界面的溫度，精確地檢測該溫度是必不可少的。

檢測的對象主要分為三類，分別為拋光墊的溫度、拋光液的溫度和工件的溫度，其中對化學機械拋光影響最直接的是工件的溫度[2]。

1　拋光界面溫度檢測方法總結

化學機械拋光的拋光條件比較特殊，對拋光介面的溫度測量比較困難，在國內外的研究中主要的測量方法有：

使用紅外測溫的方法間接地測量拋光墊的溫度[6-9]，該方法使用紅外攝像儀或者紅外測溫儀非接觸地測量拋光墊表面的溫度，如圖1所示。紅外攝像儀觀測范圍較大，可以觀察拋光墊上的溫度分布情況，而紅外測溫儀則觀測范圍較小，但價格相對更低。紅外熱成像攝影儀和紅外測溫儀在低溫測量時的誤差較大，并且容易受到拋光液的干擾，導致拋光墊表面的溫度測量不精確，所以該方法只適合用于觀測拋光墊上的溫度分布情況，而不適合用于檢測拋光墊的具體溫度。并且，拋光墊的溫度小于工件被拋光表面的溫度，所以該方法不能用于精確反映工件被拋光表面的實際溫度。

圖1　紅外攝像儀(左)和紅外測溫儀檢測拋光墊表面溫度(右)

使用紅外測溫方法測量工件背面溫度[10]，如圖2所示，在特制的拋光頭上開有槽寬為3mm的同心圓溝槽，溝槽分別位于距中心不同位置處，通過紅外攝影儀測量工件的溫度。由于熱傳導問題使得被拋光面與背面會有一定的溫度差，如果工件的熱擴散率大或者工件較薄，工件上下表面的溫度差可以忽略不計，工件背面溫度可以較準確的反映拋光界面的真實溫度。但是熱成像儀成本高，低溫測量時精度較低，并且拋光頭上的槽對薄工件的平整度會產生影響。

圖2　背面開有槽的拋光頭

使用熱電偶測量工件背面溫度[11]，如圖3所示。用橡膠吸附墊和固定板將工件固定，在工件中心及離中心60mm處安裝熱電偶溫度傳感器，用于測量工件背面的溫度，溫度數據保存在嵌入于拋光頭中的記錄儀中，加工完成后將溫度數據導入電腦中分析。這個方法采用接觸式的測溫方法，精度相對于非接觸式測溫方法有所提高，但是熱電偶溫度傳感器的最高精度也只有±0.5℃左右，并且不能在線實時地檢測拋光界面溫度。

圖3　熱電偶溫度傳感器測工件背面溫度

使用熱電偶溫度傳感器，通過工件的孔直接測量拋光介面的拋光液溫度[12]，如圖4所示。采用激光在硅片上打孔，沿硅片徑向分布三個無保護套管的微型熱電偶傳感器，調整其裸露的熱端與硅片表面平齊，在熱電偶傳感器周圍涂上絕熱膠，使其免受其他零件溫升的影響，提高了測量精度。這種方法需要在硅片上鉆孔安裝溫度傳感器，對硅片有不可恢復的損傷，并且熱電偶溫度傳感器的精度不高，傳感器裸露的端面容易和拋光墊或者磨粒相互摩擦而損壞，且摩擦產熱會影響測溫的精度。

圖4　工件上鉆孔安裝溫度傳感器測量拋光液溫度

使用激光誘導熒光技術測量拋光液溫度[13-14]，如圖5所示，采用雙發射激光誘導熒光(DELIF)技術測量拋光液的溫度，使用有機玻璃代替拋光頭，通過攝像系統采集溫度數據。此方法雖提高了測量精度，但是僅僅適合用于透明工件的溫度測量。

圖5　激光誘導熒光技術測拋光液的溫度

2　拋光界面溫度的在線檢測裝置

Sampurno[10]等認為在工件厚度很小時，工件背面和被拋光面的溫度相差很小。當工件材料為304不銹鋼時，厚度d為200μm，熱擴散系數D為4.33×10-6m2/s,工件兩面之間溫度的延遲僅僅為t=h2/D≈0.009s。

其中Q是單位時間給定面積所傳導的熱量，單位為W；A是導熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，單位為m2；k是比例系數，稱為物質的導熱系數，單位為W/(m℃)；t1、t2分別是不銹鋼基板拋光面和背面的溫度，單位為℃；b是不銹鋼基板的厚度，單位為m。假設：①不銹鋼基板與拋光墊及磨粒的摩擦系數為0.3,②拋光界面產生的熱量的80%由不銹鋼基板導出,③拋光壓力為30kPa,④拋光盤和拋光頭的轉速為200r/min，拋光盤半徑為100mm，⑤不銹鋼厚度為200μm。計算得到的工件背面與被拋光面的溫度差僅僅為0.0886℃，因為所有假設條件都比實際情況造成的溫度差更大，所以該溫差遠大于實際的溫差。

因為拋光界面溫度的直接檢測較為困難，而根據上述計算分析可知，工件的背面和拋光界面之間的溫度差異很小，可以通過檢測工件背面的溫度間接反應拋光界面的溫度。

拋光界面溫度在線檢測裝置的結構如圖6所示，它是由溫度傳感器、信號處理模塊、導電滑環、信號接收裝置、電源及連接各組件間的導線組成，各元件的參數如表1所示。溫度傳感器采用A級或者1/3B級Pt100熱電阻溫度傳感器，這種溫度傳感器的精度比熱電偶溫度傳感器更高，甚至可以達到±0.1℃的精度。溫度傳感器的安裝方式有壓簧式安裝、螺紋式安裝或者直接將溫度傳感器嵌入工件的夾持器內的安裝方式，使其感溫區域與工件背面接觸。信號處理模塊固定在拋光工件的夾持器上，它的作用是將傳感器輸出的弱信號進行處理，轉化為相對容易傳輸及后期處理的信號。導電滑環安裝在被拋光工件的夾持器上，且兩者同軸，它是一種實現電路固定部分和旋轉部分連接的器件，可以實現動力、控制及數字信號混合傳輸。信號接收裝置的作用是溫度信號的采集、處理、顯示、記錄等，它的形式可以不止一種，其中一種是安裝有數據采集卡的電腦。

利用該裝置進行測溫實驗，實驗中采用ZPY200旋轉擺動重力式研磨拋光機，聚氨酯拋光墊，不銹鋼精拋液，工件為304不銹鋼基板，其厚度0.2mm、直徑80mm。實驗測定了不同壓力、不同轉速和不同拋光液流量時的工件溫升，結果如圖7～圖9所示。

1.拋光盤和拋光墊 2.被拋光工件 3.被拋光工件的夾持器 4.溫度傳感器 5.信號處理模塊 6.導電滑環 7.導線 8.電源和信號接收裝置

9.拋光液輸送管

圖6　測溫裝置示意圖

轉速為n=100r/min，拋光液流量q=20mL/min

拋光壓力為P=2.35kPa，拋光液流量q=20mL/min

拋光壓力為P=2.35kPa，轉速為n=100r/min

3　仿真與實驗結果對比

為了進一步驗證拋光界面溫度檢測裝置的有效性，將ANSYS軟件對基板溫度的仿真結果與實驗檢測結果對比。仿真的做法已在作者的另一篇文章中介紹了，這里僅引用其基本原理和計算方法。

將模型簡化，把夾持器看做是一個與不銹鋼基板接觸的圓柱體，直徑與不銹鋼基板相同，高度為30mm，不銹鋼基板和拋夾持器建模時采用PLANE55單元，并設置為軸對稱單元類型，兩者之間的導熱系數設置為350W/(m2℃)。

工件的溫度升高主要是由于拋光界面摩擦產生熱量[6]，熱量從工件的被拋光面輸入，同時，工件也通過被拋光面將熱量傳遞至拋光液中，工件還通過其背面將熱量傳遞至夾持器上。

輸入不銹鋼基板的熱流密度大小為：

其中r是摩擦產生的熱量在基板和拋光墊之間的分配系數[2,9]，μ是基板與拋光墊的摩擦系數取為0.2，F為拋光壓力，v是拋光墊和基板的相對速度，kw是基板的熱傳導率，k是拋光墊的拋光墊的導熱系數，D是拋光墊的熱擴散系數，rg是基板的半徑，S是基板的面積。

基板和拋光頭通過拋光液流出的熱量為：

E=k×c×m×ΔT

其中c拋光液的比熱容(約為水的比熱容)，m是每秒鐘流出的拋光液質量，ΔT拋光液的溫度變化,k是一個比例系數，拋光液流量不一樣時，該系數大小不一樣，在拋光液流量為20mL/min時，其值取為0.35。

基板和拋光頭通過空氣對流散發出的熱量為:

Q=h×(Tg-Ty)

其中h為拋光頭及基板與空氣的對流換熱系數，其值取為10W/(m2℃)，Tg為拋光頭表面溫度，Ty為環境溫度。

在拋光液流量為20mL/min時，仿真了不同壓力和轉速條件下的基板溫升，并將其與檢測結果對比，如圖7、圖8所示，當壓力、轉速增大或者拋光液的流量減小時，拋光界面溫升更大。仿真結果和檢測結果非常接近，這也說明檢測結果和仿真結果是有效的。

4　測溫裝置的應用

精確地檢測拋光界面的溫度，不僅有利于溫度控制及預熱方法的改進，進而提高加工效率，降低工件的片內非均勻性，還可以將溫度信號作為判斷拋光過程是否正常的一個指標和用于某些工件拋光終點的檢測。

當拋光墊在拋光過程中發生磨損或者釉化，拋光液中的磨粒發生團聚，拋光液中混入雜質，或者工件碎裂等情況發生時，工件與拋光墊之間的摩擦狀態會發生改變，進而引起拋光界面的溫度發生異常變化。因此，通過監控溫度的異常變化可以判斷拋光過程是否有異常情況的發生。

當被拋光工件是由至少兩層具有不一樣的物理特性的材料組成，比如工件有底層和覆蓋于底層的待去除層時，這兩層材料的熱傳導率及其與拋光墊的摩擦系數等性質不一樣。這樣的工件在被拋光的過程中，當待去除層被去除后露出底層材料時，工件與拋光墊的摩擦狀態發生了改變，進而導致拋光界面的溫度發生改變。因此，檢測溫度的變化就能檢測出拋光過程是否到達終點。

5　結論

本文在總結其他學者所提出的拋光界面溫度測量方法的基礎上，設計了一種新的拋光界面溫度在線檢測裝置，該溫度檢測裝置能夠在不影響拋光工藝的提前下，精確地檢測出拋光界面的溫度，其檢測結果與ANSYS仿真結果十分接近。最后提出了該裝置的兩個應用。

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(編輯趙蓉)

The On-line Detection of Polishing Interface Temperature in CMP

YUAN Wen-qiang,WEI Xin,XIE Xiao-zhu,HU Wei

(Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006, China)

The importance of monitoring the temperature on the polishing interface in the process of chemical mechanical polishing was introduced.The detection methods for polishing interface temperature of other scholars were summarized,and the advantages and disadvantages of each method were analyzed.Thus we designed an on-line polishing interface temperature detection device,and introduced its structure and the model and performance of the various components that form the device.The CMP experiments of different polishing pressure,polishing plate rotational speed and polishing slurry flow rate were carried out,and the device was used to detect the change of temperature at the same time.In order to further illustrate the effectiveness of the proposed device,the test results of the polishing slurry flow rate for 20mL/min was compared with the simulation results,and the six groups of comparative data were very close,which also verified the validity of the calculation method.Applying the temperature detection device to determining whether the polishing process is normal and detecting the polishing end point of some workpieces was proposed in this paper.

chemical mechanical polishing;interface;temperature;detection

1001-2265(2016)08-0042-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.012

2015-07-27

國家自然科學基金項目(51175092)；教育部高校博士學科專項科研基金項目(20104420110002)；廣東省自然科學基金項目(10151009001000036)；廣東省科技計劃項目促進科技服務業發展專項計劃(2010A040203002)；省部產學研結合科技創新平臺資助(2011A091000002)

袁文強(1991—)，男，江西贛州人，廣東工業大學碩士研究生，研究方向是超精密加工，(E-mail)yuanwq2211@sina.com；魏昕(1964—)，女，江西宜春人，廣東工業大學博士生導師，博士，研究方向為微電子制造技術、精密加工理論研究，(E-mail)weixin@gdut.edu.cn。

TH16；TG68

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