化学机械抛光技术研究现状与展望

　　　　　　　　　　　　　　　　4月JOURNALOFSHANDONGJIANZHUUNIVERSITYApr.No.2

2009

文章编号:1673-7644(2009)02-0168-07

化学机械抛光技术研究现状与展望

张健,史宝军,杜运东,杨廷毅

(山东建筑大学机电工程学院,山东济南250101)

摘要:化学机械抛光技术几乎是迄今唯一可以提供全局平面化的表面精加工技术,可广泛用于集成电路芯片、计算机硬磁盘、微型机械系统(MEMS)、光学玻璃等表面的平整化。本文综述了CMP的技术原理和CMP设备及消耗品的研究现状,指出了CMP急待解决的技术和理论问题,并对其发展方向进行了展望。关键词:化学机械抛光;平整化;表面微加工;无颗粒抛光中图分类号:TH117　　　　　文献标识码:A

Advancesandproblemsofchemicalmechanicalpolishing

ZHANGJian,SHIBao2jun,DUYun2dong,etal.

(SchoolofMechanicalandElectricEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China)

Abstract:Chemicalmechanicalpolishing(CMP)istheonlyfinishmachiningtechniqueuptodateforsurfaceglobalplanarization,whichhasbeenwidelyusedfortheplanarizingofintegratedcircuits(IC)chip,harddisk,micro2electromechanicalsystems(MEMS),opticalglass,etc.Inthispaper,were2viewthetechnicalprinciple,equipmentsandexpendablesusedinCMP,andoutlinethetechnicalandtheoreticalproblemswhicharepressedforsolutionandgiveafutureprospectofCMP.Keywords:chemicalmechanicalpolishing;planarization;surfacemicromachining;abrasive2freepol2ishing

越来越高。比如下一代集成电路中的晶片要求直径

0　引言

在计算机硬盘技术中,存储密度从2003年以每年60%的速度快速上升,计算机磁头的飞行高度已降低到10nm左右,并有进一步下降的要求,这就要求磁头及硬盘表面都必须超光滑,磁头、磁盘的表面

粗糙度、波纹度和纳米划痕会影响磁头的飞行稳定性和表面抗腐蚀性,其中下一代磁盘要求表面划痕深度≤1nm,粗糙度≤0.1nm。

现代芯片制造领域中有两个相互矛盾的趋势:被加工件的尺寸越来越大,而所需的加工精度要求

大于300mm而表面粗糙度和波纹度要小于几个埃。同时,对于像光通讯中的晶体、光学玻璃、导电玻璃等表面的高精加工的要求也日益提高。

随着电子产品表面质量要求的不断提高,表面平坦化加工技术也在不断发展,将材料在分子量级上进行抛光是获取高质量抛光表面的重要手段,化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing,CMP)是将材料在分子量级上进行抛光的一种合适的技术。另外要获取低介电常数的材料来取代SiO2材料也需要CMP技术实现表面抛光。

1991年IBM首次将CMP技术成功应用到

收稿日期:2008-11-11

基金项目:国家自然科学基金重点项目(U0635002);山东省自然科学基金重点项目(Z2008F06)

作者简介:张健(1984-),女,山东东营人,山东建筑大学机电工程学院在读硕士,主要从事硬盘盘片的化学机械抛光研究.

　第2期　　　　　　　　　　　　　张健等:化学机械抛光技术研究现状与展望　　　　　　　　　　　　　16964MbDRAM的生产中,之后各种逻辑电路和存储器以不同的发展规模走向CMP,目前CMP技术已成为唯一的全局平面化技术,应用范围正日益扩大。但与其它技术不同的是CMP技术是从实践中发展起来的,其系统性的研究特别是对CMP机理了解的缺乏制约了CMP技术的进一步发展和应用。

1　CMP技术原理及研究现状

CMP技术原理见图1,整个系统是由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光液供给装置三大部分组成。化学机械抛光时,旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上,而由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动,在工件表面产生化学反应,改变工件表面材料的化学键,生成一层容易去除的反应膜,工件表面形成的化学反应膜由磨粒和抛光垫的机械作用去除,在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工。

图1　硅片CMP技术原理示意图

　　CMP技术所采用的设备及消耗品包括:抛光机、抛光液、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等,一个完整的CMP工艺主要由抛光、后清洗和计量测量等部分组成,抛光机、抛光液和抛光垫是CMP工艺的三大关键要素,其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平[1]

。

1.1　抛光机

抛光机是CMP的基础,大多数由抛光底盘、抛光头、在线检测装置及其它部件组成,大多数的生产型抛光机都有多个抛光头,以适应不同材料的需要。

CMP设备目前正在由单头、双头抛光机向多头抛光机发展,结构逐步由旋转抛光结构向轨道抛光结构和线性抛光结构方面发展。芯片特征线宽的不断减小对CMP设备提出了更高的要求,如设备集成、干进干出、抛光头改进、多工序加工、无研磨膏CMP、终点检测、自动输送接口、干法清洗圆片等,同时,对

于0.18μm或更小图形尺寸的新材料(低、高介电常数绝缘材料和铜)的CMP设备还有待开发。

1.2　抛光液

抛光液是CMP的关键要素之一,抛光液的性能直接影响抛光后表面的质量。抛光液一般由超细固体粒子研磨剂(如纳米SiO2、A12O3粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成,固体粒子提供研磨作用,化学氧化剂提供腐蚀溶解作用。抛光液的化学成分及浓度、磨粒的种类、大小、形状及浓度、抛光液的粘度、pH值、流速、流动途径对CMP过程中的材料去除速度都有影响。

目前CMP的抛光液通常使用球形纳米级颗粒来加速切除和优化抛光质量,如胶体SiO2粒子,改变了抛光液的流变性能,可以用微极性来表征这类流体的流变性能。张朝辉等[2]给出了考虑微极性效应的CMP运动方程,并进行了数值求解,数值模拟结果表明,微极性将提高抛光液的等效粘度从而在一定程度上提高其承载能力,加速材料去除,这在低节距或低转速下尤为明显,体现出尺寸依赖性。Lei

[3,4]

等系统研究了纳米SiO2抛光液对镍磷敷镀

的硬盘基片的化学机械抛光性能,发现抛光液的抛光性能与抛光液中纳米SiO2粒子的粒径及浓度、氧化剂的用量、抛光液的pH值、抛光液的流量等均有

关,适宜的抛光液组成为:粒径30nm和浓度5%～6%、氧化剂的用量1%～2%、抛光液的pH值1.8、流量不小于300mL/min,但是过大的流量对抛光性能没有进一步提高,只会增加成本。朱永华

[5]

等采

用纳米SiO2作为抛光磨料在不同抛光液条件下(pH值、表面活性剂、润滑剂等)对玻璃基片CMP去除速率和表面质量的变化规律进行了研究,并利用原子力显微镜和光学显微镜观察了抛光表面的微观形貌。张建新等[6]以LB2Mer模型为理论指导,对恒液面聚合生长法制备大粒径、低分散度硅溶胶研磨料的粒径增长阶段进行了机理分析,制得了符合高质量、高效率CMP专用的大粒径(平均粒径为112nm)、低分散度(接近于1.00)硅溶胶研磨料。

　170　　　　　　　　　　　　　　　　　　山东建筑大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　2009年　理解CMP机理的一个重点就是了解抛光液的流动规律,Sundararajan[7]等求解Reynolds方程给出了抛光液的膜厚和压力关系,Cho和Park

[8,9]

间、搅拌速度、分散工艺等与浆料稳定性的关系。1.3　抛光垫

抛光垫是输送抛光液的关键部件,其表面是一层具有多孔性结构的高分子材料,起着储存抛光液以及将抛光液中的磨蚀粒子送入片子表面并去除磨削的作用。抛光垫的机械性能,如硬度、弹性和剪切模量、毛孔的大小及分布、可压缩性、粘弹性、表面粗糙度以及抛光垫使用的不同时期对抛光速度及最终建立了

[10]

一流动模型来描述硅片CMP过程,张朝辉等建立了三维流动模型,并且研究了CMP中液体的流动规律[11]。Stein[12]等研究了金属钨在含KIO3的Al2O3的抛光液中进行CMP的动力学过程,发现抛光速率与KIO3浓度、Al2O3浓度、抛光压力、转速、抛光垫类型均有关,加工温度与除KIO3浓度外的以上因素有关,表明在Al2O3磨粒与钨表面间的化学、物理相互作用很复杂,并且在钨CMP中起重要作用。Jindal[13]等研究了含Al2O3和SiO2混合颗粒的抛光液在金属铜大马士革抛光中的效果,得到了满意的CMP特性。Mullany等[14]采用理论和试验方法研究了抛光液粘度的影响,结果表明抛光液粘度的变化对硅晶片CMP中材料的去除速率有影响。Suresh[15]

分别建立了假定抛光垫突起为球形且大小相等和抛光垫突起服从高斯分布两种情况下的CMP模型,并进行数值模拟,得出了使材料去除速率达到最大值时颗粒半径的平均值。Mazaheri[16]

等研究了CMP中磨粒的表面粗糙度对去除率的影响,发现相同直径时,表面不平磨粒的渗透深度比球形磨粒大,但去除率比后者小。Basim[17]

等研究发现,随着大颗粒尺寸及浓度的增加,抛光后氧化膜表面的缺陷增加,并且抛光机理也发生相应变化,因而为获得满意的抛光结果,必须采取有效的方法去除抛光液中的大颗粒。周国安[18]等分析了铜CMP的材料去除过程、影响因素及抛光液的重要作用,讨论了酸性和碱性两种铜抛光液的组成和一些组分的功能,指出了今后抛光液的研究方向。

抛光液在CMP中另一个重要的问题是抛光液在抛光垫和被抛光的晶片之间是否均匀分布,HoCheng等[19]

考察了动力学变量在CMP中对非均匀度的影响。杜宏伟[20]等通过化学腐蚀方法研究了LiTaO3晶片化学机械抛光的化学腐蚀机理,研究了LiTaO3单晶化学机械抛光过程腐蚀作用的主要影响因素及其影响规律,获得了LiTaO3晶片CMP过程有效的氧化剂和稳定剂,分析了晶片表面在不同抛光液条件下发生的变化,为进一步探讨化学机械抛光机理提供了依据。另外,研磨料的分散稳定性对于CMP抛光液也是很重要的。王相田等

[21]

研

究了分散法制备SOi2浆料时,水溶液pH值、分散时

平整度起着重要作用。

Shi等[22]建立了用软抛光垫抛光时的抛光速率方程,认为抛光垫的硬度对抛光均匀性有明显的影响。硬垫可获得较好的模内均匀性(withindienon2uniformity,WIDNU)和较大的平面化距离,软垫可改善片内均匀性(withinwafernon2uniformity,WIWNU),因此组合使用软、硬垫可以获得良好的膜内均匀性和片内均匀性。张朝辉等[23]建立了一个初步的二维流动模型来考虑抛光垫的弹性、孔隙参数、粗糙度对抛光液流动性能的影响,并通过数值模拟得出了它们对压力分布和膜厚等的作用。结果表明:由于抛光垫的变形和多孔性,承载能力将有所下降,膜厚增大,从而有利于抛光液中粒子和磨屑的带出。

Thakurta等[24]

考虑抛光垫的可压缩性、多孔性和抛光液的传输方式建立了CMP的平面化模型,发现抛光垫不同会影响抛光垫与工件间的液膜厚度,进而影响去除速率的大小。Stavreva等

[25]

对比了压

缩性不同的IC1000与IC1000/SUBAIV两种抛光

垫,发现可压缩性大的IC1000/SUBAIV抛光垫表现出更高的片间均匀性和抛光速率。张朝辉等[26]

通过假定孔质层流体服从达西(Darcy)规律即流动速度正比于压力梯度而反比于粘度提出了CMP中考虑抛光垫特性的三维流体模型,并给出了流动方程,发现当抛光垫的孔径尺寸较小和其孔质层较厚时有较大的承载能力(包括载荷与转矩),从而将提高CMP的材料去除率,孔隙直径较大的抛光垫由于允许较多的流体流过多孔层而导致其承载能力下降。胡伟等[27]

研究了抛光垫表面沟槽的形状、尺寸和倾斜角度等因素对抛光过程的影响规律,结果表明:负螺旋型对数型沟槽抛光垫的性能最佳,沟槽的深度和宽度会影响加工区域抛光液的平均驻留时间、混合效率及成份,-20°倾斜角抛光垫的抛光效率最高。

　第2期　　　　　　　　　　　　　张健等:化学机械抛光技术研究现状与展望　　　　　　　　　　　　　171Sikder等[28]

采用一种通用的微摩擦计对抛光垫在压力下的形变行为进行研究并分析了抛光垫的机械粘弹性能及表面形貌。Moy等[29]分析了钨和氧化物CMP过程中聚氨酯抛光垫的降解和磨损,Lu[30]

等对新的和使用过的聚氨酯抛光垫的物理化学改变进行了定量研究,发现使用后的抛光垫的物理改变(如毛孔尺寸、粗糙度等)比化学改变更大,且这些改变对抛光垫的CMP性能影响很大。同时,抛光垫使用过程中表面会逐渐变平,出现“釉化”现象,使去除速度下降,造成抛光速率不均匀,用修整的方法可以恢复抛光垫的粗糙面,从而使去除速度得到维持并可延长抛光垫的寿命。Chen等[31]

研究了抛光垫修整过程中的特征,从试验数据推导了抛光垫的磨损速率方程,得出了为达到均匀的抛光垫形貌所需要遵守的设计准则。

另外,抛光垫的性能与其使用前的前处理工艺也密切相关。Li等

[32]

研究了SiO2膜抛光性能与抛

光垫在水中浸泡时间、抛光垫前处理状态、抛光垫表面温度间的函数关系,认为抛光垫的前处理对于CMP至关紧要。因此CMP抛光垫研究的主要方向是改进抛光垫材料、提高其抛光性能、延长其使用寿命从而减小加工损耗。1.4　被抛光材料

目前CMP已经在半导体工业中得到广泛应用,半导体制造工艺中主要有衬底材料、介质材料和金属材料的CMP。抛光不同的材料所需的抛光液组成、pH值也不相同,在镶嵌钨CMP工艺中典型使用铁氰酸盐、磷酸盐和胶体SiO2或悬浮Al2O3粒子的混合物,溶液的pH值在5.0～6.5之间;抛光氧化物的抛光液一般以SiO2为磨料,pH值一般控制在pH>10;而金属的CMP大多选用酸性条件[33]

,以保

持较高的材料去除速率。

王兵

[34]

等建立了蓝宝石晶片在抛光过程中运

动的数学模型,采用VC语言对双面抛光加工进行

了运动仿真,分析了不同参数对抛光效果的影响,获得了最合理的抛光运动参数。周国安等[35]以SiO2、SiOF、SiOCSP、SiOCNSP、Si2OCSO五种材料为研究对象,根据五种材料抛光前后的实验数据表面形态图表,判断出抛光后材料粗糙度的走向,指出低介电常数材料需要完善的工艺及对抛光设备的进一步要求。李响等[36]

讨论了SiC化学机械抛光方法,分析了CMP的原理和相关工艺参数对抛光速率的影

响,并指出了其发展前景。陈景等[37]

将CMP技术引入到镁合金片的抛光中,用自制的抛光液对镁合金片进行抛光实验,分析了镁合金的抛光机理及抛光中压力、转速和抛光液流量参数对抛光过程的影响,对抛光前后镁合金表面进行观察发现,通过合理控制工艺参数,得到较好的镁合金抛光表面,为进一步优化镁合金抛光工艺奠定了基础。

1.5　CMP去除机理

综合以上的研究成果可见,CMP是一个复杂的化学机械过程,与被抛光材料、抛光液、抛光垫以及抛光工艺参数等因素均有关,这些因素并不是孤立起作用的,而是存在着复杂的相互作用和相互影响。弄清这些相互关系对于实现这些因素的相互最佳配合以达到满意的CMP效果以及探索确切的CMP机理是至关重要的。

在CMP过程中,抛光液的化学成分与硅片先产生化学反应,生成一层化学薄膜,通过磨粒的微机械作用将这些化学反应薄膜从硅片表面去除,同时硅片表面未参与反应的硅也可能被去除,即在机械和化学的协调作用下交替实现表面的平坦化。王永光等[38]通过对表面原子或分子氧化去除动态平衡模型的分析,应用概率统计方法推导了单个颗粒多分子层薄膜的非连续去除模型,该模型考虑了CMP中化学作用和机械作用的协调性,在特定条件下应用图形分析法找到了化学作用与机械作用协调的半经验公式,结果表明材料去除率与去除层数呈指数关系,一直增加化学作用并不能增大材料去除率,机械化学协调作用时去除率始终保持极值去除。张朝辉

[39]

等通过求解应力偶效应润滑方程进一步深化

了对纳米粒子抛光机理的认识。王永光等[40]

考虑磨粒黏着力、芯片表面缺陷和表面氧化薄膜厚度以及磨粒和抛光垫大变形的条件下,通过量级估算的方法研究了分子量级的CMP材料去除机理。理论分析和试验研究结果表明磨粒压入芯片的深度、磨粒在芯片表面的划痕深度以及抛光后芯片表面的粗糙度都在分子量级或者更小,即分子量级的CMP材料去除机理得到了理论分析和试验数据的证实,该结果对进一步研究CMP的微观去除机理具有理论科学意义。

抛光液研究的最终目的是找到化学作用和机械作用的最佳结合,以致能获得去除速率高、平面度好、膜厚均匀性好及选择性高的抛光液。目前,抛光

　172　　　　　　　　　　　　　　　　　　山东建筑大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　2009年　液的研究以ILD(inter2leveldielectricallayer)CMP、的轨道旋转运动,研究发现去除速率的径向变化依金属CMP(如钨CMP)为主,随着集成电路工艺的发展,研究的重点正转移到用铜做层间引线的领域上来,铜CMP作为微型器件的主要加工工艺,各国均在加紧工艺研究[41]

。苏建修等[42]

设计了3种不同的抛光液并进行一系列抛光试验,得到机械、化学及其交互作用所引起的材料去除率,分析了化学机械抛光时硅片与抛光垫之间接触形式的判别方法及其抛光机理。结果表明:化学机械抛光中的主要作用为磨粒的机械作用;材料的去除率主要为磨粒与抛光液交互作用所引起的材料去除率。

2　CMP研究存在的问题及发展方向

十余年来,尽管CMP技术发展迅速,但CMP仍

然存在很多未解决的问题,CMP加工过程的控制仍停留在半经验阶段,难以保证表面的更高精度和平整度加工要求,CMP工艺的复杂性、影响因素的多样性增加了问题的研究难度。目前对CMP加工材料去除机理、材料去除非均匀性形成机理、CMP过程变量、抛光过程中纳米粒子的运动规律及行为、抛光缺陷的生成机理以及CMP工艺方面的实际问题等还没有完全弄清楚。而抛光过程变量的微小变化会影响到CMP去除速率、材料去除非均匀性及表面质量的变化等。

一方面,化学机械抛光中,由于固体磨粒的存在,在抛光过程中不可避免存在粒子的分散稳定性问题,粒子的聚集会造成抛光划痕的产生,从而降低成品率。无研磨剂CMP(abrasivefree2CMP,AF2CMP)工艺,则可以解决这一问题,因为该工艺无需研磨剂供给,取而代之的是含水化学溶液,采用网膜技术和固定磨料抛光垫,固定磨料抛光垫由微反叠磨料层、刚性层和弹性层组成。由抛光垫本身的力加上腐蚀性更强的化学物质,具有很好的去除平面化材料的作用,因为没有研磨颗粒,故晶片上几乎没有划痕和其他缺陷。

Kondo等[43]

报道了在制作铜互连线中采用了完全无研磨剂抛光加工,Laursen等[44]研究发现无研磨剂抛光可导致对铜过抛的低敏感性及低的凹陷和腐蚀水平,CLARKSON大学的Qin

[45]

研究了在

speedfam2IPECavantgaardTM676CMP系统上的无研

磨剂铜CMP的过程,在这个系统中抛光垫沿着一定

赖于抛光垫表面上的氨基乙酸浓度。无研磨剂抛光的研究还很不成熟,缺少直接的在线检测及证据。与传统的CMP抛光液不同,无研磨剂抛光液完全不含固体粒子,抛光液、抛光垫和抛光工艺参数以及抛光机理均不同,因而对于无颗粒抛光的抛光液、抛光垫、抛光工艺以及抛光理论均需深入研究。另一方面,随着集成电路的高密度化、微细化和

高速化,CMP在集成电路中的应用[46]

,对于45nm纳米以后的制程,传统的化学机械抛光将达到这种方法所能加工的极限,可能被淘汰,因此需要在研究传统的CMP理论与技术、提高其加工性能的同时,加大对新的平坦化方法的研究。目前,已有很多新的平坦化方法处于研究中,如:固结磨料CMP技术、无磨粒CMP、电化学机械平坦化技术、无应力抛光技术、接触平坦化技术、等离子辅助化学蚀刻平坦化技术等,新型平坦化方法将是今后的研究方向。

3　结束语

CMP技术的应用已取得了迅速发展,但由于CMP产生背景的特殊性及CMP加工影响因素的复杂性和多样性,只是依靠经验或半经验的数据来获得良好的抛光效果,缺乏对其理论的研究。因此必须研究确切的CMP机理并针对现有CMP技术中存在的加工划痕等难题,探索新型超精抛光技术。

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(上接第163页)

90平米以下住宅设计要点》

(征求意见稿)中对中小户型进行了规定:要求新建居住区内90m2

以下

的住宅必须占到整个建设面积的70%以上。同时,根据各地情况不同,建议中小户型建筑面积可在一定程度内浮动。其中,由于考虑到采暖和公摊面积较大等因素,寒冷地区中高层住宅的中小户型住宅套型建筑面积应可达100平方米左右。

对东西向住宅中小户型的设计应该充分考虑中低收入者的承受能力来相应的应用技术措施来实现居住的舒适性,并结合良好的设计来实现经济、实用的目标。

5.2　开发商的抉择

开发商在东西向住宅平面布局合理设计及技术措施综合效益的考虑下,在规划设计时应适当建造东西向住宅,既省地又改善小区内环境,只要把东西向住宅控制在一定的范围内,并把东西向住宅的建筑设计、技术措施做好,保证其舒适性,那么其销售市场是很大的,肯定会为开发商带来商机。5.3　国家政策的引导

(1)国家颁布关于居住区适当增加东西向住宅的政策可促进东西向住宅的发展,还可以适当结合廉租房、经济适用房和青年公寓等。

(2)国家优惠政策对中低收入住宅建设予以大力支持。1998年出台的国务院《关于进一步深化城镇住房制度改革,加快住房建设的通知》中,确立了建立以中低收入住宅为主体的新住房供给体系。同时给予开发建设经济适用房的开发商优惠政策,如:可获得21项税费的减免,利润控制在3%以内。

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6　结语

随着市场经济的发展与住房商品化,适当地结合南北向住宅布置一些东西向的住宅,将有利于增加住区建筑密度,提高容积率:其同时利于围合出丰富、宜人的外部空间环境,使居住区的外部空间更丰富、生活化、更富人情味,其将给住宅群体布局带来更多的经济性与灵活性;而住房在朝向造成的日晒可通过技术手段解决;朝向造成的市场价格差别可通过市场加以调节,且可满足不同经济收入与不同需求的住户。发展中小户型住房,满足中低收入家庭的住房需求,无论从社会责任角度,还是从市场规律角度,都是我国目前房地产市场所必需的,是确保我国房地产市场健康发展的需要。

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