雙面拋光對石英掩模基板表面形貌的影響

關鍵詞二氧化鈰；雙面拋光；掩模基板；表面形貌 中圖分類號 TG356.28文獻標志碼A 文章編號 1006-852X（2025）04-0526-08 DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0161 收稿日期 2024-10-07修回日期2024-12-02

文章OSID碼

獲取更多內容

隨著芯片集成化程度越來越高，集成電路結構呈現出特征尺寸微小化、布線多層化的趨勢。芯片制造工藝對光刻精度的要求日益嚴苛，促使光刻機的分辨率不斷提高。根據瑞利判據1，光刻機的光學系統分辨率 R=k₁λ/N_A （ k₁ 為與光刻機相關的常數，λ為光源波長，N_A 為透鏡的數值孔徑）。為提高光刻分辨率，通常采用縮短紫外光源波長λ和增大數值孔徑 N_A 兩種方案。但由聚焦深度公式 DOF=λ/2N_A² 可知，波長縮短或數值孔徑增大會導致聚焦深度減小[2。因此，在特征尺寸持續縮減的背景下，需進行曝光處理的材料表面必須實現極高的平坦化，以滿足高分辨率光刻對聚焦深度的嚴苛需求。

掩模版（mask）作為集成電路制造流程中不可或缺的圖形轉移媒介，承載著精密設計的電路圖案。在光刻過程中，紫外線穿透掩模版，將其上的設計圖案精確投影至晶圓表面的光刻膠上。然而，掩模版表面的不平整性會導致晶圓成像時聚焦位置的波動，進而直接縮小光刻工藝窗口。工藝窗口的縮小不僅會增大光刻過程的敏感性，還將顯著影響最終的光刻質量和圖案精度，對實現高性能集成電路的制造構成挑戰。因此，掩模版表面平整度對確保光刻工藝的穩定性和精度至關重要[]

掩模基板（maskblank）作為制備掩模版的關鍵基礎材料，承擔著將集成電路設計軟件中的版圖信息精準轉化為物理圖形的核心任務。其制備流程如下：首先利用激光或電子束直寫光刻技術，將設計版圖信息轉移至光刻膠層；隨后通過顯影工藝，使光刻膠層中接受到光照（或電子束）的區域因發生化學反應而溶于顯影液；接著利用刻蝕工藝，實現版圖信息從光刻膠層向金屬鉻層及其下方MoSi層的精確傳遞；最終通過去除頂層殘留的光刻膠，完成掩模版的制作4。掩模基板用石英玻璃一般以 SiCl₄ 為原料，采用化學氣相沉積法制備合成，具有高 SiO₂ 純度、高紫外透過率、低熱膨脹系數、低羥基和金屬雜質含量等優點。嚴格控制基板平面度有助于保證聚焦位置的起伏遠小于聚焦深度，從而確保光刻工藝的質量。根據掩模基板技術路線圖1， 90～32nm 邏輯技術節點的掩模基板平整度需 ? 0.5μm ，而 14nm 邏輯技術節點則要求平整度 lt;0.1μm 。這對掩模基板的平坦化加工提出了巨大挑戰。

化學機械拋光（CMP）是一種結合了化學拋光與機械拋光優勢的先進平坦化技術，在集成電路制造領域中廣泛應用。 CeO₂ 磨粒硬度較高，對 SiO₂ 石英玻璃具有較強的機械研磨作用；同時， CeO₂ 表面羥基與SiO₂ 反應生成Ce—O—Si鍵，且 Ce³⁺ 和 Ce⁴⁺ 易發生轉換。在 CeO₂ 機械摩擦及其與 SiO₂ 的化學作用下， SiO₂ 表面可獲得較高的材料去除率和表面質量，因此 CeO₂ 是一種優質的CMP磨料[5]。

學術界已對CMP技術展開了深入且系統的研究，旨在優化工藝參數，以滿足集成電路制造日益嚴苛的平坦化需求。張楷亮基于3種不同粒徑（20、75、100nm ）的膠體 SiO₂ 拋光液，研究了粒徑對拋光速率的影響。研究發現， 20nm 粒徑過小，導致拋光速率低，原有損傷層依然存在；而 100nm 粒徑過大，化學作用偏弱，機械作用主導使得表面局部產生劃傷。HU等[7]發現 CeO₂ 中 Ce³⁺ 和 Ce⁴⁺ 的比例與粒徑有關：由于 Ce³⁺ 離子半徑大于 Ce⁴⁺ Ce³⁺ 濃度隨著 CeO₂ 粒徑的減小而增大，表明小粒徑 CeO₂ 顆粒內氧空位濃度更高，化學活性更強。閻秋生等[選用平均粒徑為 3μm 的 CeO₂ 磨料，獲得了表面粗糙度 R_a 為 4.11nm 的石英玻璃基板。LI等研究了表面粗糙度與拋光壓力、拋光液濃度的關系，結果表明，適當增大壓力和濃度可以降低表面粗糙度，但壓力過大易導致工件破碎。金程等[發現當齒圈與太陽輪轉速比為 1：3 時，雙面拋光機的拋光振動控制最佳，拋光軌跡均勻細密且拋光效果好。CeO₂ 磨料比表面積大、表面能高，導致其易團聚影響拋光效果，針對此問題，王也等[1通過添加陽離子表面活性劑，使 CeO₂ 粒子間帶有同種電荷，增強其靜電排斥作用，從而抑制 CeO₂ 粒子間的團聚現象。CHEN等[12]通過離子熱合成法制備了粒徑為 0.1～0.2μm 的球形CeO₂ 顆粒，改性后的 CeO₂ 磨粒拋光效果顯著提升，拋光后硅片的表面粗糙度降至 0.2～0.4nm ，材料去除率達到 255.51nm/min 。

在拋光工藝中，拋光液的配制參數（包括磨料粒徑、濃度）以及拋光設備的運動參數（特別是雙面拋光機的公轉與自轉速度）對拋光質量與效率具有決定性影響。本研究中系統研究這些參數對石英掩模基板拋光效果的影響，以期獲得更優的表面形貌和產品質量。研究選用粒徑較小的 CeO₂ 拋光粉作為基礎材料，配制不同濃度的拋光液，系統考察拋光壓力、齒圈與太陽輪轉速組合對石英掩模基板拋光性能的影響，包括材料去除率、表面形貌、平面度以及表面粗糙度等關鍵指標。通過揭示拋光參數與拋光效果的內在聯系，指導實際生產中的拋光工藝優化，從而實現提升石英掩模基板表面質量，增強產品競爭力的目標。

1實驗條件與過程

1.1實驗原料

1.1.1 毛坯片研磨處理

集成電路制造工藝中，主流掩模基板尺寸為152mm×152mm×6.35mm （行業稱為6025）。采用金剛石磨粒對JGS1合成石英6025毛坯片進行 30min 雙面研磨，使其平面度從初始的 5μm 以上降至 2～3μm 并初步去除表面損傷，獲得6025研磨片。

1.1.2 拋光液制備

取 D₅₀ 分別為0.823和 1.231μm 的 CeO₂ 拋光粉置于燒杯中，加入去離子水；在機械攪拌下加入適量六偏磷酸鈉和檸檬酸鈉（分散劑）以及聚丙烯酸酯（表面活性劑）；用弱堿物質調節pH值；根據 CeO₂ 的含量，配制成質量分數為 6% 、 10% 、 14% 、 18% 的拋光液。

1.2 CMP實驗

CMP實驗在22B雙面拋光機上進行，采用環球的LP66聚氨酯拋光墊拋光6025合成石英基板研磨片。每組參數同時拋光12片6025石英玻璃，并對其平面度和表面粗糙度取平均值。對于拋光液，分別開展2種拋光粉粒徑（0.823和 1.231μm ）和4種濃度（ 6%，10% 14% ！ 18% ）的實驗。本課題開展前進行預實驗，選定的拋光工藝參數如下：拋光時間為 60min ，拋光壓力分別為 0.26， 0.35， 0.43， 0.52MPa （對應12片6025石英玻璃受到的總壓力分別為 72、96、120、144kg，6025 石英玻璃的面積為 231cm² ），上拋光盤轉速 4r/min 、下拋光盤轉速 12r/min 且方向相反，齒圈和太陽輪轉速組合為 6.54：3.08，6.80：4.23，5.52：4.23，4.23：4.23r/min_o 不同粒徑 CeO₂ 拋光粉的表面形貌使用蔡司Sigma場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，拋光粉的粒度分布使用Mastersize2000激光粒度儀分析，拋光前后石英基板的平面度使用美國CORNINGTropelUltraFlatTM平面度檢測儀測量，通過基恩士位移傳感器測量拋光前后石英基板厚度變化計算材料去除率，拋光后石英基板的表面粗糙度使用德國BrukerDimensionICON原子力顯微鏡（AFM）測量。

2實驗結果與討論

2.1拋光粉形貌和粒度分布

牌號為230A和1200A的兩種 CeO₂ 拋光粉的粒度分布如圖1所示。其中，230A（圖1a）的 D₅₀ 為0.823μm，D₉₀ 為 1.832μm ，分布范圍為 0.119～3.044μm ；1200A（圖1b）的 D₅₀ 為 1.231μm，D₉₀ 為 3.708μm ，分布范圍為 0.120～7.586μm 。由圖1可看出，雖然兩者最小粒徑均為 0.12μm ，但230A的粒度分布更集中且平均粒徑更小。兩種 CeO₂ 拋光粉的SEM形貌如圖2所示，由圖可知230A的晶粒尺寸較小，而1200A的晶粒較大且尺寸均勻。

圖1不同 CeO₂ 拋光粉的粒度分布

Fig.1Particle sizedistribution ofdifferent CeO₂ powders

圖2不同 CeO₂ 拋光粉的SEM圖像Fig.2SEMphotosof different CeO₂ powders

2.2拋光粉粒徑的影響

對230A和1200A兩種 CeO₂ 拋光粉進行對比實驗，其等效粒徑 D₅₀ 分別為0.823和 1.231μm 。6025石英玻璃分別在230A和1200A配制的拋光液中進行CMP，拋光條件如下：拋光壓力為 0.43MPa ，拋光液濃度為 10% 上、下拋光盤轉速為4和 12r/min ，拋光時間為 60min 。拋光結果如表1所示。

從表1中可以看出， CeO₂ 拋光粉粒徑分散度不僅影響拋光效率，還影響表面質量。當拋光液中 CeO₂ 粒徑為 0.823μm （230A）時，適中的粒徑使機械去除作用和化學作用達到平衡，材料去除率為 150.8nm/min 可完全去除研磨產生的亞表面損傷層，故拋光后表面光潔無劃傷，如圖3a所示。對于 CeO₂ 粒徑為 1.231μm （1200A）的拋光液，雖然其材料去除率是230A的1.3倍，但由于粒徑分散度過大（最大達 7.586μm ），表面局部出現劃傷和微裂紋。進一步分析表明，230A因粒徑相較1200A的更小且 Ce³⁺ 濃度更高，化學-機械作用達到平衡；而1200A則因 Ce³⁺ 濃度較低，化學-機械作用失衡，磨粒直接作用于石英玻璃表面產生劃痕。AFM結果表明，在其他拋光參數相同的情況下，1200A拋光后的表面粗糙度 R_a 為 1.36nm ；而230A拋光后的表面粗糙度 R_a 為 0.97nm ，達到亞納米級，相比1200A降低了 40% ，綜合拋光效果更好。

表1不同粒徑 CeO₂ 對拋光性能的影響

Tab.1 Effect of different particle size CeO₂ on polishing

圖3不同粒徑 CeO₂ 拋光表面形貌AFM圖像Fig.3AFM photos of surface morphology ofdifferent CeO₂ powders

2.3拋光液濃度的影響

圖4顯示了拋光液濃度與石英玻璃材料去除率和平面度的關系。實驗采用 CeO₂ 質量分數為 6% ， 10% 14% ， 18% 的拋光液，拋光條件如下：拋光粉牌號為230A，拋光壓力為 0.43MPa ，上、下拋光盤轉速分別為4和12r/min ，拋光時間為 60min 。由圖4可知，隨著拋光液濃度的增加，6025石英玻璃的正反面平面度均呈下降趨勢。其中，正面平面度在 CeO₂ 質量分數為 14% 時達到最小值（ 0.617μm ），而反面平面度則隨著濃度的增大而持續下降。結果表明，在CMP過程中，適當增大拋光液濃度可使 CeO₂ 有效磨粒數量增加，促使與 SiO₂ 上Si-O位點的化學反應，同時 CeO₂ 表面腐蝕層的硬度降低，有利于改善玻璃表面的平面度；但當拋光液濃度繼續增大時，玻璃正面平面度反而開始惡化。這是因為 CeO₂ 質量分數升高，導致拋光液中 CeO₂ 磨粒間的碰撞次數增多，磨料碰撞后堆積形成大顆粒磨料，并在引力作用下發生聚沉，在玻璃正面產生濃度起伏，最終造成平面度增大。

圖4拋光液濃度對材料去除率和平面度的影響 Fig. 4Effect of polishing slurry concentration on removal rate and flatness

在材料去除率方面，當 CeO₂ 質量分數為 6% 時，材料去除率為 115.7nm/min ；隨著質量分數升高至 10% 材料去除率增大至 145.8nm/min ；當質量分數升高至18% 時，材料去除率增大的速度進一步加快，達到263.6nm/min 。這表明隨著 CeO₂ 濃度增大，拋光過程中參與機械作用的 CeO₂ 磨粒數增多，使得機械研磨作用增強，進而提高了材料去除率。

2.4拋光壓力的影響

拋光壓力與石英玻璃材料去除率和平面度的關系如圖5所示。實驗采用12片6025石英玻璃進行雙面拋光，單片6025石英玻璃的拋光壓力分別為0.26，0.35，0.43，0.52MPa 。拋光條件如下：拋光粉牌號為230A，CeO₂ 質量分數為 14% ，上、下拋光盤轉速分別為4和12r/min ，拋光時間為 60min 。

由圖5可知，在 0.26～0.43MPa 范圍內，材料去除率與拋光壓力呈線性關系。隨著拋光壓力的增大，拋光墊與石英玻璃的摩擦力逐漸增大，使 CeO₂ 磨粒與石英玻璃表面的機械作用增強，從而提升了材料去除率。這一線性關系符合CMP加工中最基礎且應用廣泛的

Preston方程[13]：

R_MRR=ΔH/Δt=K_pPV

式中： R_MRR 為材料去除率， ： ΔH 為拋光磨損厚度， nm;Δt 為拋光時間，min; K_p 為Preston系數； P 為拋光壓力； V 為拋光墊與拋光工件的相對轉速， 。

圖5拋光壓力對材料去除率和平面度的影 Fig.5Effect of polishing pressure on removalrateandflatness

圖5結果表明，當拋光壓力增大到 0.52MPa 時，材料去除率急劇下降。這是由于多孔聚氨酯拋光墊在高壓作用下形變量過大，拋光墊儲存和傳輸 CeO₂ 磨粒的能力減弱，拋光液中參與機械研磨的有效研磨料數量減少。三者共同作用，導致去除能力衰減。

在平面度方面，當拋光壓力從 0.26MPa 增大至0.43MPa 時，6025石英玻璃正面平面度總體呈下降趨勢，并在 0.43MPa 時達到最小值 0.763μm 。這是因為在機械研磨作用下，壓力的增大使得拋光墊與石英玻璃表面的摩擦力增大，修整石英玻璃面型的能力增強。拋光壓力繼續增大至 0.52MPa 時，拋光墊與石英玻璃的摩擦力進一步增大，由于拋光墊具有一定的收縮率，其擠壓形變加劇，石英玻璃邊緣處與拋光墊的接觸面積增大。在CMP過程中，石英玻璃邊緣處的加工量相比中間更大，形成中間凸起、四周凹陷的“塌邊”現象[14]，導致石英玻璃的正面平面度均值從 0.763μm 急劇惡化至 1.094μm 。

圖6為不同拋光壓力下6025石英玻璃的正面形貌圖。當拋光壓力較小（圖6a～圖6b）時，石英玻璃的四角翹曲、中間凹陷，未出現“塌邊”現象；而拋光壓力為 0.52MPa （圖6d）時，石英玻璃“塌邊”現象嚴重，其平面度為 1.013μm 。隨著拋光壓力的增大，石英玻璃反面與正面的平面度表現出相反的變化規律，這源于上下拋光盤的轉速差異。白林山等[15研究了不同拋光盤轉速對微晶玻璃材料去除率和表面粗糙度的影響，結果表明拋光盤轉速與材料去除率呈正相關，與表面粗糙度呈負相關。因此，當施加到上拋光盤的壓力持續增大時，由于上下拋光盤的轉速不一致，上下表面的材料去除率和表面粗糙度差異也持續放大，最終形成不同的表面形貌。

圖6不同拋光壓力下6025石英玻璃正面形貌圖像Fig.6Front surface morphology of 6025 quartz glassunder different polishing pressures

2.5拋光轉速差的影響

在雙面拋光過程中，拋光軌跡對玻璃基板的加工質量具有關鍵影響。拋光軌跡由與游星輪嚙合的齒圈和太陽輪自轉速度的差值（轉速差）決定。本實驗采用的22B雙面拋光機，齒圈和太陽輪均為順時針旋轉，基于前期實驗結果選用了4組拋光轉速差，如表2所示。

不同拋光轉速差與石英玻璃平面度的關系如圖7所示。實驗采用的拋光條件如下：拋光粉牌號為230A，拋光液濃度為 14% ，拋光壓力為 0.43MPa ，上、下拋光盤轉速為分別為4和 12r/min ，拋光時間為 60min 。實驗結果表明，轉速差為M01時，6025石英玻璃的正面平面度可達到 。此時游星輪在齒圈與太陽輪轉速差的驅動下順時針自轉，疊加公轉形成密集均勻的研磨軌跡。這種軌跡分布改善了雙面研磨過程中工件表面平均相對速度的分布均勻性和材料去除的一致性，從而提升了工件的表面質量[。隨著轉速差減小，游星輪的自轉速度降低，研磨軌跡也變得稀疏，均勻性下降，導致研磨質量下降。當轉速差為M04時，齒圈與太陽輪的轉速差縮減為0，游星輪僅作公轉運動，研磨軌跡變成單一的圓環狀軌跡，有效研磨路徑迅速減少，平面度顯著提高。

表2拋光轉速差

Tab.2 Polishing speed differential -1 r：min

圖7拋光轉速差對平面度的影響

Fig.7Effect of polishing speed differential ratio on flatness

圖8為采用M01轉速差拋光后的石英玻璃表面AFM形貌。拋光后的6025石英玻璃表面光滑，幾乎沒有劃痕、中位裂紋等表面損傷，表面粗糙度 R_a 為 0.96nm 。對比圖3中未優化拋光工藝的AFM圖像，M01轉速差拋光后的表面更加光滑，拋光效果進一步改善，工件的平面度和表面質量最佳。

3結論

利用 CeO₂ 磨料自制拋光液，研究了 CeO₂ 粒徑、拋光液濃度、拋光壓力、齒圈和太陽輪轉速組合等因素對石英玻璃表面形貌、表面粗糙度和材料去除率的影響，利用SEM和平面度檢測儀檢測石英玻璃拋光后表面形貌和平面度，利用AFM檢測拋光后的表面粗糙度。具體結論如下：

（1）與牌號為1200A的 CeO₂ 拋光粉相比，采用粒度較小的230A拋光粉可使石英玻璃表面粗糙度降低 40% 。

（2）隨著拋光液濃度的增大，正面平面度呈先下降后上升的趨勢，當拋光液濃度為 14% 時達到最小值；而材料去除率隨拋光液濃度的增大單調遞增。

（3）在 0.26～0.43MPa 范圍內，材料去除率與拋光壓力呈線性關系；但進一步增加拋光壓力，材料去除率反而降低。

圖8拋光轉速差M01的AFM圖像 Fig.8AFM photos of surface morphology of polishing speeddifferentialM01

（4）使用 D₅₀ 為 0.823μm 的拋光粉，配制成濃度為 14% 的 CeO₂ 拋光液，在 0.43MPa 的拋光壓力下，選取齒圈與太陽輪轉速分別為6.54和 3.08r/min ，拋光后6025石英玻璃的表面光滑，幾乎沒有劃痕、中位裂紋等表面損傷，平面度和表面質量最佳。

參考文獻：

[1] 韋亞一.超大規模集成電路先進光刻理論與應用[M].北京：科學出版 社，2016. WEI Yayi.Advanced photolithography theoryand applicationsin ultralarge-scale integrated circuits[M].Beijing：Science Press，2016.

[2] SUKBAE J，LIANGH.Tribology for scientists and engineers： Tribology inchemical-mechanical planarization[M].NewYork：Springer，2013.

[3] TZENGJ，LEEB，LUJ，etal.The effectbetweenmaskblankflatness andwafer print processwindowin ArF 6% att.PSM mask [C]//PhotomaskTechnology2006.Monterey，CA.SPIE，2006：634954.

[4] 伍強，胡華勇，何偉明，等.衍射極限附近的光刻工藝[M].2版.北京： 清華大學出版社，2024. WUQiang，HUHuayong，HEWeiming， etal.Photolithography process nearthediffraction limit[M].2nd ed.Beijing：TsinghuaUniversityPress， 2024.

[5]許寧，馬家輝，劉琦. CeO₂ 基磨粒在化學機械拋光中的研究進展[J]. 中國稀土學報，2022，40（2）：181-193. XUNing，MA Jiahui，LIU Qi.Research progressof CeO₂ -basedabrasive particles in chemical mechanical polishing[J].Journal of the Chinese Society ofRare Earths，2022，40（2）： 181-193.

[6] 張楷亮.CMP納米拋光液及拋光工藝相關技術研究[D].上海：中國科 學院研究生院（上海微系統與信息技術研究所），2006. ZHANG Kailiang. Study on CMP nano-slurry and technology [D]. Shanghai：Shanghai Instituteof Microsystem and Information Technology， Chinese Academy of Sciences，2006.

[7] HU ZH，AN DQ，ZHANG L， et al. Effect of CeO₂ nanoparticle sizes on catalytic performances of sulfated CeO₂/Al₂O₃ catalyst in NH₃ -SCR reaction[J].Journal ofRareEarths，2024，42（3）：515-522.

[8] 閻秋生，李基松，潘繼生.熔融石英玻璃襯底的平面研磨加工實驗研究 [J].金剛石與磨料磨具工程，2019，39（1）：60-65. YANQiusheng，LI Jisong，PANJisheng.Experimental research on plane lapping of fused silica glass substrate [J].Diamond amp; Abrasives Engineering，2019，39（1）：60-65.

[9] LI W，HUXD，JINYF， et al.A study of double sided polishing process for ultra-smooth surface of silicon wafer[J].Materials Science Forum， 2006（532/533）： 472-475.

[10］金程，李偉.雙面拋光機內外齒圈齒比的研究[J].輕工機械，2011， 29（5）： 28-30. JIN Cheng，LI Wei. Study on inner and outer gears ratio of double-sided polishingmachine[J].Light IndustryMachinery，2011，29（5）：28-30.

［11］王也，張保國，吳鵬飛，等.用于光學玻璃CMP的高效稀土拋光液研 究[J].潤滑與密封，2023，48（5）：79-84. WANG Ye， ZHANG Baoguo，WU Pengfei，etal.Research on highefficiency rare earth polishing slurry for CMP ofoptical glass [J]. Lubrication Engineering，2023，48（5）：79-84.

[12]CHENCD，ZHAOSY，LIXP，et al.Preparationof CeO₂ particlesvia ionothermal synthesis and its application to chemical mechanical polishing [J]. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects，2024，694：134194.

[13]PRESTONFW.The theory and design of plate glasspolishing machine [J].Society of Glass Technology，1927，11（44）：214-256.

[14]杜來林，宋述穩.平面閥門的快速研磨工藝[J].機械制造，2004，42（12）： 45-46. DU Lailin， SONG Shuwen.Rapid grinding technology of plane valve [J]. Machinery，2004，42（12）：45-46.

[15］白林山，王金普，儲向峰.二氧化鈰拋光液化學機械拋光微晶玻璃的機 理及優化[J].金剛石與磨料磨具工程，2017，37（2）：1-5，10. BAI Linshan，WANG Jinpu，CHU Xiangfeng.Mechanism and optimization of chemical-mechanicallypolishingceramic glasssubstrate with CeO₂ slurry[J].Diamondamp;AbrasivesEngineering，2017，37（2）：1- 5，10.

[16］楊昌明，朱利，張冒.研磨機研磨運動軌跡分析[J].機床與液壓，2012， 40（15）： 7-9. YANG Changming，ZHU Li，ZHANG Mao．Analysis of grinding trajectoryof lappingmachine[J].MachineToolamp;Hydraulics，2012， 40（15）： 7-9.

作者簡介

通信作者：張誠，男，1988年生，碩士，中級職稱，研發中心主管。主要研究方向：化學機械平坦化、石英玻璃磨削拋光亞表面損傷層。

E-mail：cheng.zhang@oim.com.cn

（編輯：趙興昊）

Effect of double-sided polishing on surface morphology of quartz mask blanks

ZHANG Cheng， QIN Rui， BAl Jihao（Hunan Omnisun InformationMaterial Co.，Ltd.，Changsha 41oo17，China）

AbstractObjectives： As the critical dimensions in integrated circuit structures continue to shrink，transistor density and chip performance keep improving.Atthe same time，the continuous evolution of integrated circuit manufacturing proceses increasingly demands stricter flatnessrequirements for mask blanks.To reveal the polishing removal mechanism of double-sided chemical mechanical polishing on quartz mask substrates，a polishing solution is made using CeO₂ abrasive to perform double-sided polishing on 6O25 quartz mask substrates.Methods： （1） CeO₂ polishing powders with particle size distributions D₅₀ of 0.823 and 1.231μm respectively are placed in a beaker with deionized water.Under mechanical stirring，a certain amount of a mixture of sodium hexametaphosphate and sodium citrate is added as a dispersant，and an appropriate amount of polyacrylate as a surfactant. The pH value is adjusted using a weak alkali substance. Based on the content of CeO₂ ，polishing liquids with mass fractions of 6% ， 10% ， 14% ，and 18% are prepared.

（2）The CMP experiment is conducted on a 22B double-sided polisher using an LP66 polyurethane polishing pad to polish 6025 synthetic quartz substrate grinding discs.The same set of polishing parameters is used to polish 12 pieces of 6025 simultaneously，and then the flatness and roughnessofthe12 pieces of glass are averaged.For thepolishing slurry， experiments are conducted with two types of polishing powder particle sizes and four types of polishing slurry concentrations.The surface morphologyof different particle size CeO₂ polishingpowders isobserved usinga Zeiss Sigma field emissionscanning electron microscope.Theparticle size distributionofthe polishing powders isanalyzed using a Mastersize 200O laser particle size analyzer.The flatnessof thequartz substrates beforeand after polishing is measured using a Tropel UltraFlatTM flatness tester from CORNING. The change in thickness of the quartz substrates before and after polishing is measured using a KEYENCE displacement sensor to calculate the polishing rate. The roughnesof the quartz substrates after polishing is measured using a Dimension ICON atomic force microscope from Bruker Germany. Results： The flatness can reach 0.573μm ，and the surface roughness R_a is 0.96nm under the following conditions： equivalent particle size D₅₀ of CeO₂0.823μm ，mass fraction of CeO₂14% ，polishing pressure 0.43MPa ，and a gear ring and sun gear speed of 6.54 and 3.08r/min ， respectively. Conclusions： （1） The surface roughness of quartz glass after polishing with fine-grained 23oA is reduced by 40% compared to that after polishing with 12o0A. （2） With the increase in the concentration ofthe polishing solution，the flatness ofthefront surface initially shows a decreasing trend.It reaches a minimum value at a mass fraction of 14% .However，if the concentrationis further increased，the flatness actually increases.The removal rate of the quartz glassincreases continuously with the concentration of the polishing solution. （3）As the polishing pressure increases within the range of 0.26-0.43MPa ，the removal rate basically changes linearly. However，if the pressure is further increased，the removal rate actually decreases. （4） Using abrasive particles with an equivalent diameter D₅₀ of 0.823μm ， a polishing solution with a concentration of 14%CeO₂ is prepared. Under a polishing pressure of 0.43MPa ， and a ring gear and sun gear speed of 6.54 and 3.08r/min ，respectively， the surface of the 6025 quartz glass is polished to be smooth with almost no scratches or median cracks，achieving smaller flatness and better surface quality.

Key words CeO₂ ; double-sided polishing; mask blanks; surface topography