單晶硅晶片化學(xué)機(jī)械拋光基本特性研究

侯保江,安亞青,水涌濤,孫向春

(1.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所， 北京 100076； 2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

由于具有較高的直接帶隙，飽和電子速度和電子遷移率，單晶硅晶片已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于從宏觀到納米級(jí)的器件中，用于照明，光電檢測(cè)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換等。例如，具有納米級(jí)光滑、超平坦且無(wú)損傷表面的單晶硅晶片適用于金屬有機(jī)化學(xué)氣象沉淀，以生產(chǎn)高性能柔性太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管(LED)[1]。在加工過(guò)程中，單晶硅晶片首先經(jīng)歷鋸切過(guò)程，由于其高硬度和脆性，在晶片表面深處引入缺陷和/或斷裂損傷，隨后，利用研磨和拋光過(guò)程去除鋸切引起的損傷并產(chǎn)生一個(gè)名義上的無(wú)損傷表面。

目前，CMP是被用作生產(chǎn)納米級(jí)光滑表面最有效的方式之一。在文獻(xiàn)中，發(fā)現(xiàn)各種化學(xué)漿料已被用于單晶晶片的CMP中。J.B.Matovu等[2]研究了在H2O2和二氧化硅顆粒存在下的單晶硅晶片去除率，并將其與在其他氧化劑如碘酸鈉和高碘酸鈉存在下獲得的結(jié)果進(jìn)行了比較，他們的研究表明，在用于拋光單晶硅晶片表面的水性漿料中。在缺少機(jī)械拋光的情況下，除了在pH10和pH12的H2O2漿液中外，在3mM濃度的氧化劑如NaIO3，NaIO4和H2O2的水性漿液中的單晶硅晶片的化學(xué)溶解可以忽略不計(jì)，這歸因于形成了相對(duì)穩(wěn)定的Ga2O3鈍化層。McGhee等[3]提出了一個(gè)三步機(jī)制，用于在含有H2O2和氨的水性漿料中除去單晶硅晶片。

此外，一些研究還關(guān)注了單晶晶片的CMP特性。Bingjun Yu等[4]的研究發(fā)現(xiàn)如果將SiO2顆粒用于單晶硅晶片表面的拋光，高的拋光速度可以帶來(lái)高的摩擦化學(xué)去除率而不會(huì)損傷單晶硅晶片的表面基體。Yue-Han Wu等[5]研究了用投射電鏡觀察單晶硅晶片的CMP，他們的研究結(jié)果表明，在常規(guī)離子研磨后的兩步中用NH4OH和H2SO4進(jìn)行拋光是獲得改善表面質(zhì)量的有效方法。Ookawa等[6]發(fā)現(xiàn)，如果拋光墊使用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，隨著拋光時(shí)間的增加，表面粗糙度會(huì)上升而材料去除率會(huì)下降。Hoshino等[7]通過(guò)研究指出，在CMP過(guò)程中，氧化鈰磨粒同SiO2表面分子形成大量Si-O-Ce化學(xué)鍵，而SiO2的拋光效果取決于Si-O-Si鍵的機(jī)械撕裂作用。

然而，就單晶硅晶片晶片的CMP而言，還有很多理論和技術(shù)上的問(wèn)題未解決。在本次研究中，實(shí)驗(yàn)研究了基本拋光特性，即拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度，平整度和材料去除率(MRR)的影響。同時(shí)，還觀察了工作表面的形貌特征和工作表面的XRD光譜，以闡明材料去除機(jī)理。

1 材料和方法

在表1所示的加工參數(shù)下，在商業(yè)拋光機(jī)(ES36B-4P-4M，浙江森永有限公司，如圖1所示)上進(jìn)行單晶硅晶片晶片的實(shí)際CMP操作，以闡明CMP特性。拋光漿液由氧化劑、分散劑、絡(luò)合劑、pH調(diào)節(jié)劑和磨料組成。詳細(xì)地，分別將氯化鈉，苯磺酸鈉，焦磷酸鈉，碳酸鈉和膠體二氧化硅分散體分離為氧化劑，分散劑，絡(luò)合劑，pH調(diào)節(jié)劑和磨料。

圖1 單晶硅(Si)CMP的實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)使用的單晶硅晶片晶片由江西德義半導(dǎo)體科技有限公司提供。晶片的直徑為4英寸，其一面已經(jīng)研磨，表面粗糙度Ra為110 nm，另一面未拋光。拋光液供給速率為500 mL/min，拋光液溫度為16 ℃，拋光頭和拋光墊的轉(zhuǎn)速在20 r/min到50 r/min范圍內(nèi)變化。拋光期間施加到晶片上的載荷從50 N到100 N不等。CMP之后將樣品在去離子水中超聲波沖洗5min，然后用空氣噴槍吹干以進(jìn)行測(cè)量。用表面輪廓儀(Nanovea,MG210)對(duì)拋光晶片的表面粗糙度和形貌進(jìn)行評(píng)估。材料去除率(MRR)通過(guò)稱(chēng)量晶片CMP前后的重量進(jìn)行計(jì)算。在本次研究中，通過(guò)總厚度變化(TTV)來(lái)評(píng)估單晶硅晶片晶片的平坦度。使用千分尺測(cè)量五個(gè)不同的點(diǎn)的厚度，最大厚度與最小厚度之差定義為T(mén)TV。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2 結(jié)果與討論

2.1 表面粗糙度

CMP工藝參數(shù)對(duì)粗糙度的影響如圖2所示，表面粗糙度Ra隨著拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速以及拋光負(fù)載的增加而減小。特別值得注意的是，拋光墊的轉(zhuǎn)速和拋光負(fù)載對(duì)粗糙度有很大影響。當(dāng)拋光墊的轉(zhuǎn)速在20～40 r/min范圍內(nèi)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，表面粗糙度顯著減小；當(dāng)拋光負(fù)載超過(guò)70 N時(shí)，負(fù)載的增加會(huì)使表面粗糙度明顯減小。然而，拋光頭的轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度變化的影響非常小。

2.2 總厚度變化(TTV)

圖3表示的是CMP工藝參數(shù)對(duì)TTV的影響。拋光墊和拋光頭轉(zhuǎn)速的改變對(duì)TTV的影響很小。與此同時(shí)，拋光墊和拋光頭轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致TTV的增加，即TTV變差。TTV變差可歸因于拋光墊和拋光頭高速旋轉(zhuǎn)引起的劇烈振動(dòng)。

拋光負(fù)載是影響TTV的主要因素之一。隨著拋光負(fù)載的增加，晶片的TTV將相應(yīng)減小。這是因?yàn)槿绻麙伖庳?fù)載很小，單晶硅晶片晶片會(huì)懸浮在拋光墊上方(圖4(a))，導(dǎo)致拋光墊和單晶硅晶片晶片之間的接觸無(wú)效，晶片表面不同位置的材料去除量不等，在較低的拋光負(fù)載下已拋光晶片的TTV相對(duì)較高；隨著拋光負(fù)載的增加，單晶硅晶片晶片與拋光墊充分接觸(圖4(b))，從而改善了單晶硅晶片晶片的TTV。

圖2 工藝參數(shù)與表面粗糙度之間的關(guān)系

圖3 TTV與工藝參數(shù)之間的關(guān)系

圖4 拋光墊與晶片之間的接觸狀態(tài)

2.3 材料去除率(MRR)

在單晶硅晶片晶片的CMP中，工藝參數(shù)對(duì)MRR的影響繪制在圖5中。從圖5中可以看出：MRR的值隨著拋光墊轉(zhuǎn)速、拋光頭的轉(zhuǎn)速和拋光負(fù)載的增加而增加。在CMP過(guò)程中，普雷斯頓方程被廣泛接受用于預(yù)測(cè)拋光材料去除行為

MRR=kPv

(1)

其中，P是外加載荷，v是晶片上相對(duì)于拋光墊的任意一點(diǎn)的速度，k是取決于加工條件的普雷斯頓系數(shù)，例如拋光液、拋光墊和加工環(huán)境。

從普雷斯頓方程可以看出，MRR與拋光墊和晶片表面的相對(duì)速度以及外加載荷成正比。這些與本次研究中的發(fā)現(xiàn)一致。然而，拋光載荷的改變對(duì)MRR的影響是最明顯的，然后是拋光墊的轉(zhuǎn)速，而拋光頭轉(zhuǎn)速對(duì)MRR的影響相對(duì)較弱。這可能是因?yàn)閽伖庳?fù)載的增加會(huì)增加基板表面與拋光墊之間的摩擦力，因此，MRR隨著拋光負(fù)載的增加而增加。當(dāng)拋光頭轉(zhuǎn)速變?nèi)鯐r(shí)，拋光墊的轉(zhuǎn)速對(duì)拋光墊與晶片之間的相對(duì)速度的影響非常明顯。因此，拋光頭轉(zhuǎn)速對(duì)MRR的影響相對(duì)較弱。

圖5 MMR與工藝參數(shù)之間的關(guān)系

2.4 表面形貌和材料去除機(jī)制

圖6是拋光負(fù)載分別為50 N、70 N、90 N和110 N，拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速分別為40 r/min時(shí)，通過(guò)表面輪廓儀觀察到的已拋光單晶硅晶片晶片的表面形貌圖。從圖6(a)可以看出：當(dāng)拋光負(fù)載為50 N時(shí)，工件表面有一個(gè)局部凹痕，這意味著不同位置的MRR不同。如圖6(b)所示，當(dāng)拋光負(fù)載為70 N時(shí)，也可以發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。然而，當(dāng)拋光負(fù)載上升到90 N(圖6(c))和110 N(圖6(d))時(shí)，局部凹痕突然消失了，這表明MRR在不同位置幾乎相同。這與3.3中討論的結(jié)果一致。

圖6 拋光單晶硅晶片晶片的表面形貌圖

當(dāng)拋光負(fù)載為50 N，拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速均為40 r/min時(shí)，通過(guò)XRD測(cè)量清潔前、后單晶硅晶片晶片表面的化學(xué)分析來(lái)闡明CMP過(guò)程中的材料去除機(jī)制。通過(guò)比較清潔前、后單晶硅晶片晶片表面的XRD化學(xué)分析的結(jié)果，可以認(rèn)識(shí)到在清潔之前在表面上存在O、Si、Cl、S、Ga和As元素(圖7(a)),而清潔后的表面只存在Ga和As元素(圖7(b))。

圖7 拋光單晶硅晶片晶片的XRD光譜

因此，材料去除過(guò)程如下：首先，氯化鈉在極高壓力下與單晶硅晶片反應(yīng)形成硬度低于單晶硅晶片的新物質(zhì)，然后通過(guò)熔融二氧化硅磨料機(jī)械和塑性地除去所得的較軟物質(zhì)。

3 結(jié)論

1) 表面粗糙度Ra隨著拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速以及拋光負(fù)荷的增加而減小；當(dāng)拋光墊的轉(zhuǎn)速在20～40 r/min時(shí)，表面粗糙度隨著轉(zhuǎn)速的增加而顯著降低；然而，當(dāng)拋光負(fù)載的大小超過(guò)70 N時(shí)，負(fù)載的增加會(huì)使表面粗糙度顯著下降。

2) 拋光負(fù)荷是影響TTV的主要因素之一。隨著拋光負(fù)載的增加，晶片的TTV將相應(yīng)的減小。

3) MMR隨著拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速以及拋光載荷的增加而增加；拋光載荷的改變對(duì)MRR的影響是最明顯的，然后是拋光墊的轉(zhuǎn)速，而拋光頭轉(zhuǎn)速對(duì)MRR的影響相對(duì)較弱。

4) 單晶硅晶片晶片在CMP過(guò)程中的材料去除過(guò)程為：首先，氯化鈉在極高壓力的條件下與單晶硅晶片反應(yīng)形成硬度低于單晶硅晶片的新物質(zhì)，然后通過(guò)熔融二氧化硅磨料機(jī)械和塑性地除去所得的較軟物質(zhì)。