硅片化學(xué)機(jī)械拋光中表面形貌問(wèn)題的研究

鄒德冰

摘要：為了提高生產(chǎn)率、降低制造成本的需要，集成電路用硅片朝著大尺寸方向發(fā)展。故迫切需要提高硅片型面精度和微觀表面的加工質(zhì)量，同時(shí)又要求高效、低成本和無(wú)污染等的完成，高品質(zhì)硅片的超精密加工技術(shù)成為發(fā)展微電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)上對(duì)拋光過(guò)程的控制往往基于經(jīng)驗(yàn)，與實(shí)驗(yàn)室研究有較大差別。本文作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)實(shí)際拋光中的表面形貌問(wèn)題進(jìn)行了研究，包括：拋光過(guò)程中硅片形貌及粗糙度的變化；硅溶膠粒徑對(duì)粗糙度的影響；拋光液中堿濃度和拋光桔皮現(xiàn)象的聯(lián)系等。

關(guān)鍵詞：硅片；化學(xué)機(jī)械拋光；表面形貌；問(wèn)題研究

一、實(shí)驗(yàn)部分

（一）樣品

樣品為直徑為150mm的n型（100）單晶硅研磨片。在進(jìn)行拋光之前首先進(jìn)行化學(xué)腐蝕，以去除在研磨中造成的損傷層，獲得完美的無(wú)機(jī)械損傷表面。

（二）拋光液制備

為研究去除厚度不同的硅片表面形貌，使用了MAZINSR310型號(hào)的拋光液。在考察含不同粒徑硅膠顆粒的拋光液的拋光結(jié)果以及桔皮實(shí)驗(yàn)中，使用了自制拋光液，主要成分為硅溶膠和某種堿性藥品。

（三）拋光實(shí)驗(yàn)機(jī)及拋光實(shí)驗(yàn)

拋光機(jī)通過(guò)壓盤(pán)向晶片的背面施加一定的壓力，晶片拋光面朝下和拋光墊接觸并且旋轉(zhuǎn)，拋光墊多孔且材質(zhì)較軟，粘貼在剛性的主盤(pán)上，主盤(pán)和晶片同向轉(zhuǎn)動(dòng)，拋光液以一定的流量加在拋光墊的中心。拋光中的設(shè)備型號(hào)以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：

拋光機(jī)：PolishMode13800；

拋光墊：RodelSuba600；

拋光液：DANMMAZINSR310或自制拋光液；

主盤(pán)轉(zhuǎn)速：60r/min；

壓力：0116MPa；

拋光液流速：013L/min。

腐蝕后的硅片經(jīng)去離子水沖洗后進(jìn)行拋光。粒徑實(shí)驗(yàn)和桔皮實(shí)驗(yàn)中，拋光時(shí)間統(tǒng)一為30min。在研究SEM形貌及拋光過(guò)程中的粗糙度的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置長(zhǎng)短不同的拋光時(shí)間以實(shí)現(xiàn)不同的去除厚度，這一系列去除厚度不同的硅片代表了拋光過(guò)程中的不同階段。#1～7#樣品去除厚度依次增加。

（四）觀測(cè)方法

使用非接觸式厚度儀測(cè)量樣品厚度，按照GB/T6618-1995標(biāo)準(zhǔn)取5點(diǎn)厚度的平均值；利用掃描電鏡觀察樣品腐蝕狀態(tài)的表面形貌；利用WYKOMHT-Ⅲ型光干涉形貌儀測(cè)量粗糙度數(shù)值以及判斷是否有桔皮存在。

二、結(jié)果與討論

（一）SEM形貌

化學(xué)腐蝕后樣品的SEM圖片表面不存在機(jī)械作用導(dǎo)致的斷裂或劃痕。硅單晶由于其晶體結(jié)構(gòu)的各向異性而在不同方向上展示出不同的腐蝕速度，因而表面形貌在腐蝕中趨于規(guī)則化。樣品表面局部放大的SEM形貌棱線為不同腐蝕面的交界，非機(jī)械斷裂所致。化學(xué)作用的強(qiáng)弱對(duì)樣品表面的高低形貌信息不具有選擇性，而是對(duì)高、低區(qū)域同等作用。機(jī)械作用，主要指拋光液中的研磨顆粒以及拋光墊對(duì)樣品表面的摩擦作用，其強(qiáng)弱受拋光墊與樣品之間的壓力分布影響較大，樣品表面上凸出部分承載較多壓力，去除速率較高；低凹部分機(jī)械作用較弱，去除速率相對(duì)較低。這樣，高、低區(qū)域的高度差越來(lái)越小，樣品表面上的腐蝕坑深度變淺、數(shù)量變少。本實(shí)驗(yàn)條件下，平均去除厚度為717Lm的樣品表面已經(jīng)基本消除了腐蝕坑。

（二）拋光過(guò)程中的粗糙度

粗糙度（Ra）變化與去除厚度之間的關(guān)系，Ra值測(cè)量時(shí)取樣面積為236Lm@184Lm的矩形區(qū)域。

3條曲線分別是Ra值、低通濾波后的Ra值以及高通濾波后的Ra值（濾波的截止波長(zhǎng)為4Lm）。3條曲線上各有7個(gè)點(diǎn)，按照去除厚度從小到大分別是1#～7#樣品的數(shù)據(jù)。低通濾波屏蔽了小尺度內(nèi)高頻信號(hào)，反映了大尺度上的形貌特性，高通濾波則屏蔽了長(zhǎng)程的低頻信號(hào)，反映了小尺度上的形貌特性。從中可以看出：

（1）Ra數(shù)值在拋光初期階段迅速減小；隨著去除厚度的增加，Ra值減小的趨勢(shì)漸緩；去除厚度為15Lm以上時(shí)，Ra值的改善不再顯著。

（2）高通濾波后的粗糙度曲線近似平直，說(shuō)明去除厚度不同的樣品的粗糙度數(shù)值并無(wú)顯著差別，樣品表面微小尺度上的形貌并無(wú)明顯改善。

（3）未經(jīng)濾波的粗糙度曲線和低通濾波的粗糙度曲線在形狀上相似。具體地說(shuō)，1#、2#和3#樣品（每條曲線上的前3個(gè)點(diǎn)）未經(jīng)濾波的粗糙度數(shù)值和經(jīng)過(guò)低通濾波后的數(shù)值十分接近，稍微高于低通濾波之后的數(shù)值，而遠(yuǎn)高于高通濾波的數(shù)值，說(shuō)明在拋光初期，樣品表面較高的粗糙度主要是低頻、大波長(zhǎng)表面起伏。4#、5#以及6#樣品（每條曲線上的第4～6個(gè)點(diǎn)）的數(shù)據(jù)顯示，隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng)兩條曲線的走勢(shì)漸緩，表明通過(guò)延長(zhǎng)拋光時(shí)間獲得平整度較高硅片的效率逐漸降低，CUP拋光逐漸失去對(duì)表面形貌的改善作用。

未經(jīng)濾波的粗糙度曲線和經(jīng)過(guò)低通濾波之后的曲線的偏差逐漸增大，說(shuō)明隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng)，低頻、大波長(zhǎng)的形貌信息對(duì)樣品表面粗糙度的影響逐漸減弱，測(cè)量所得Ra值開(kāi)始更多反映短程高頻的形貌信息。

（三）磨粒粒徑與拋光片粗糙度

測(cè)量Ra時(shí)使用了40倍（視場(chǎng)為236Lm@184Lm）和215倍（視場(chǎng)為119mm@215mm）兩個(gè)物鏡。結(jié)果顯示，40倍物鏡下測(cè)量的粗糙度Ra數(shù)值均為3nm左右，差異很小；215倍物鏡的測(cè)量結(jié)果中，不同粒徑的硅膠在Ra值上存在著一定的差異，但是本實(shí)驗(yàn)條件下并未發(fā)現(xiàn)硅膠粒徑和粗糙度之間存在單調(diào)的關(guān)系。

三、結(jié)論

（1）拋光中硅片樣品表面粗糙度降低的過(guò)程，實(shí)質(zhì)為低頻、大波長(zhǎng)的表面起伏逐漸消除，小尺度內(nèi)的粗糙度并未得到顯著改善。

（2）硅溶膠粒徑在10-25nm范圍內(nèi)，對(duì)被拋光表面的粗糙度（Ra）的影響不存在單調(diào)性規(guī)律。

（3）當(dāng)拋光液中堿含量較高時(shí)，容易發(fā)生腐蝕過(guò)度，導(dǎo)致桔皮。在一定的堿含量條件下可以避免桔皮，同時(shí)達(dá)到較高的去除速率

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