应用物理学专业毕业论文24054.doc

i 大学本科生毕业论文 题 目：化学机械抛光原理及其浆料研究 专 业：应用物理学 班 级：08 级应用物理 化学机械抛光原理及其浆料研究 摘 要 随着半导体产业的快速发展，多层布线技术得到了大力开发，导致人们对电 子元件表面的平整度和光洁性的要求越来越高。为了满足这一要求，使得人们对 化学机械抛光技术（cmp ）的研究力度不断加大。本文主要对对化学机械抛光技 术及国内外研究现状、抛光磨料及浆料的制备以及材料去除机理作了研究与分析。 在化学机械抛光技术中，浆料的选择决定着是否能够得到高平整性与高光洁 度的抛光元件表面。继而磨料作为浆料的主要组成部分，得到了人们的大力关注。 磨料主要分为三类：单磨料、混合磨料、复合磨料。本文主要研究了 sio2、al 2o3、ceo 2 三种单磨料的特点和制备方法，介绍了混合磨料、复合磨料 的特点。 对 cmp 技术的研究，最主要的是研究被抛光元件表面的材料去除机理。由 于接触形式不同，所依据的物理理论也不尽相同。本文主要分析了基于摩擦力学 原理和流体力学原理的两种不同的材料去除机理模型。由分析结果可知，通过设 定化学机械抛光过程中的各种参数值，可以使人们通过调节施加在被抛光元件表 面的压力以及被抛光元件和抛光垫之间所产生的摩擦力来提高化学机械抛光的抛 光能力，以得到拥有更高平整度和光洁度的元件表面。 关键词：化学机械抛光、磨料、浆料、去除机理模型 abstract keywords: chemical mechanical polishing, polishing solution , polishing removal mechanism model 目录 摘 要 i abstract ii 第一章 引言 .1 1.1 化学机械抛光及其原理 1 1.2 化学机械抛光技术的发展 2 第二章 国内外对抛光浆料的研究现状及浆料的制备 .3 2.1 抛光浆料简介 3 2.2 国内外对抛光浆料的研究 3 2.3 浆料制备方法 5 第三章 sio2、al 2o3、ceo 2 磨料的简介与其制备方法 .6 3.1 单磨料的特点 6 3.1.1 对 sio2 磨 料的研究 .6 3.1.2 对 al2o3 磨料的研究 .8 3.1.3 对 ceo2 磨料的研究 10 3.2 混合磨料的特点 .12 3.3 复合磨料的特点 .12 第四章 化学机械抛光技术的抛光机理和模型构建 .13 4.1 化学机械抛光机械去除机理模型概述 .13 4.2 cmp 抛光机理模型举例 .13 4.3 cmp 去除机理模型分析 14 4.3.1 基于摩擦力学原理的典型模型的分析 14 4.3.2 基于流体力学原理的典型模型的分析 19 结 论 .23 参考文献 .24 致 谢 .26 1 第一章 引言 在 20 世纪 60 年代以前，对于各种材料工件抛光还大都沿用单独的机械抛光 或者化学抛光。机械抛光主要是采用氧化镁、氧化锆等抛光颗粒以机械研磨的方 式对工件进行抛光，尽管机械抛光的速率很高，但是这种方法对抛光元件的表面 损伤常常是非常严重的。同时对于化学抛光来说，这种方法是以化学反应为基础， 因此其对抛光元件的表面损伤是很小的，并且在抛光后可使元件表面的抛光精度 比较高，获得较好的抛光效果。但是由于化学反应所需的时间一般都较长，这就 导致了抛光速率变得很低。随着科技的不断进步，半导体产业在 60 年代获得了 快速发展，原有的抛光方法已不能满足需求，这就迫使人们不得不对抛光方法进 行改进。因此人们便开始尝试各种各样的抛光方法，这时便有人将机械抛光与化 学抛光结合起来，化学机械抛光技术（cmp ）便出现了。并且在 1965 年，由 monsanto 第一次提出了化学机械抛光（cmp ）这一概念 1。 1.1 化学机械抛光及其原理 cmp 技术将机械抛光和化学抛光的各自优点结合起来，使之进行抛光时，即 可以获得较好光洁度和平整性的平面，又可以得到比较高的抛光速率。这种技术 是目前能够实现全局平坦化的唯一有效方法 2。化学机械抛光技术首先利用抛光 液中的催化剂、表面活性剂、氧化剂、流动改进剂、稳定剂等成分与元件表面的 原子进行一系列的氧化还原反应，从而达到软化元件表面的目的。然后使用物理 机械的方法去除该软化层，使之裸露出新的电子元件表面。通过这两步的循环交 替进行，进而最终达到对元件表面进行抛光的目的。以化学机械抛光原理为基础 的简易抛光机如图 1.1 所示。 图 1.1 cmp 抛光原理图 （1.圆晶片；2.圆晶片固定装置；3.抛光浆料；4.研浆供料；5.抛光垫；6.旋转盘） 2 化学机械抛光装置的基本组成部分是一个转动着的圆盘和一个被抛光电子元 件固定装置。这两个装置都可施力于电子元件晶片并使其旋转，在抛光液的润滑 下完成抛光。用一个自动研磨浆料添加系统就可以保正抛光垫湿润程度保持均匀， 同时适当地送入新研磨浆料以保持浆料的成分不变。 1.2 化学机械抛光技术的发展 随着半导体产业的不断发展，与其相对应的抛光方法也在不断发展。并从 80 年代中期以后，为了满足半导体产业对硅元件表面抛光精度的要求，人们开始大 力研究化学机械抛光这一方法，这也促使 cmp 技术开始快速的发展。由于半导 体领域中的集成电路快速的发展，且电子产品的尺寸越来越小，这就要求电子元 件的尺寸要尽可能的小，并且在小尺寸元件上要进行高密度的集成。一般来说， 在各种规模集成电路上，至少有一万个以上的元件。这就要求小尺寸电子元件上 的布线密度要非常的高，而电子元件的表面面积是一定的，为了提高电子元件的 利用效率，人们便提出了多层布线技术。但多层布线技术对电子元件的表面的平 整性和光洁度提出了更高的要求。但是以往的各种抛光方法（比如机械抛光、化 学抛光）都不能产生高光洁度和平整性的电子元件表面，而采用化学机械抛光技 术不但能实现电子元件表面的全程平坦化，而且其优点也很多，如加工简单、成 本低。考虑到化学机械抛光技术的一系列的优点，使得这一技术在 80 年代得到 了各个大公司（如摩托罗拉、奔腾、ibm）投入大量资金进行了研究和商业化开 发。目前电子元件层间化学机械抛光技术在美国的生产厂家已经将此技术实用化 3。 intel 公司的奔腾、ibm 公司、苹果公司及摩托罗拉公司都采用这种技术来进 行半导体元件的加工。并随着机械抛光技术的不断发展和改进，其应用领域也越 来越广，如磁头、光学玻璃、金属材料等表面的抛光领域。但总的来说，化学机 械抛光技术的发展主要经历了三个主要阶段：以钨和氧化物作为研磨材料的阶 段，且未出现铜布线工艺；19972000 年，出现铜镶嵌工艺；开始研究纳米 层次，且铜互连层成为研磨对象。 3 第二章 国内外对抛光浆料的研究现状及浆料的制备 2.1 抛光浆料简介 抛光浆料（抛光液）作为化学机械抛光组成的一部分，拥有着不可替代的作 用。因此抛光浆料选择的好坏在很大成分上决定了是否能够得到高平整性与高光 洁度的抛光元件。 一般来说，化学机械抛光浆料由抛光磨料、去离子水、催化剂、表面活性剂、 氧化剂、ph 值调节剂、流动改进剂、稳定剂、缓蚀剂其中的一种或者多种组成。 但抛光磨料作为主要成分是不可或缺的，在化学机械抛光过程中，主要是在压力 的作用下使磨料与硅晶片产生磨擦作用，从而以微划擦、微切削的方式作用于元 件表面，最终达到去除元件表面材料的目的。对硅晶片表面进行抛光时，为了使 机械去除时的操作和效果更好，这就要促使在硅晶片表面形成一层氧化膜，而氧 化膜的产生就需要氧化剂的加入。而 ph 值调节剂的加入则是为了调配出碱性或 者酸性的抛光浆料，酸性抛光液主要是对金属元件进行抛光，碱性抛光液主要是 对非金属元件（如硅晶片）进行化学机械抛光。 从以上分析可知，影响抛光效果的主要因素包括：抛光浆料中的抛光浆料、 抛光液的 ph 值等；同时抛光浆液在使用过程中的温度与供给速度也会影响抛光 效果。 现代的化学机械抛光技术主要对抛光浆料有以下要求：无层错、流动性好、 硅片表面品质好、低残留、悬浮性能好、易清洗、无毒、抛光速度快、不易沉淀 和结块等 4。由于国内抛光液制备技术的不成熟，导致大尺寸硅晶片的抛光液很 多要使用进口产品，但主要以 rodel、3m、fujimi 等几家大公司为主。而对于抛 光液的配方，却都以商业机密的形势进行了保密。因而在此只能简要地介绍国内 与国外对于抛光浆料的一些研究。 2.2 国内外对抛光浆料的研究 李薇薇等人 5以化学机械抛光动力学过程以及阻挡层化学机械抛光机理为基 础，通过实验研究了抛光浆料中抛光颗粒的粒径大小，得出了以小粒径的磨料进 行化学机械抛光会获得比使用国际普遍采用的磨料粒径大小（50-70nm ）更好的 抛光效果。并同时研究了抛光液的流速对抛光效果的影响。其实验所用的磨料 sio2 胶体的 tem 照片如图 2.1 所示 4 图 2.1 sio2 胶体的 tem 照片 由于计算机的磁盘与磁头之间的间隙越来越小，为了不使磁头或者磁盘因接 触而引起损坏，这就要求硬盘的表面要非常光滑，且没有凹坑、点蚀和划痕等缺 陷。雷红等 6为了达到这一目的，制备了一种以 sio2 为磨料的抛光液用于进行硬 盘表面的化学机械抛光，并且得到了已知报道以来硬盘表面最低的平均粗糙度和 波纹度。用普通抛光液进行抛光得到的硬盘表面和雷红所制备的抛光液抛光所得 到的硬盘表面的对比照片如图 2.2 所示 6。 图 2.2 不同抛光液硬盘表面形貌对比照片 （左：普通 sio2 抛光液抛光后的硬盘表面；右：雷红所制备 sio2 抛光液抛光后表面） s.l.wang 等 7研究了以 sio2 为磨料的碱性浆料对 cu 布线抛光的一些工艺参 数。d.s.lim 等 8为了减少 cmp 碟形坑这一缺陷和提高全局平坦化的效率，研究 了以纳米稀土材料 ceo2 颗粒的粒径大小对化学机械抛光的影响。y.h.kim 等 9研 究了纳米稀土材料 ceo2 的晶体结构对化学机械抛光性能的影响。 5 虽然国外对 cmp 抛光液的研究比较早，且很多成果都已经比较成熟。然而 由于抛光液配方的商业性，至今为止只有少数的专利或者文献公布了其成果，且 只限于公布成果并无详细抛光液配方。 2.3 浆料制备方法 分散法浆料制备的主要方法，以 sio2 浆料的制备为例，首先，将纳米 sio2 粉末通过机械搅拌的方法使其直接分散到去离子水中，即将 sio2 颗粒放于液体中 进行润湿；其次，使液体中的团聚体在搅拌力作用下被打开成更小层次的团聚体 或者单独的原生粒子；最后，将更小层次的团聚体或者单独的原生粒子用稳定剂 稳定住，以防止团聚的再次发生。采用分散法制备出的 sio2 抛光液浓度高、磨料 颗粒均匀、粘度较小，而且抛光液的分散性好且纯度高。但抛光浆料的性质还会 受不同磨料粉体本身性质的影响。抛光浆料的制备方法最主要的部分在于抛光磨 料的制备，而磨料的制备方法将于下一章来进行介绍。 6 第三章 sio2、al 2o3、ceo 2 磨料的简介与其制备方法 3.1 单磨料的特点 单磨料浆料是指在抛光液中只含有一种无机粒子，如 sio2、ceo 2、al 2o3、zro 2 和 tio2 等，其中 sio2、ceo 2 和 al2o3 磨料的应用最为 广泛，但却都有自己本身不可忽略的缺点。 例如 sio2 抛光磨料以其机械磨损性能较好、耐腐蚀、抗氧化、分散性好、来 源广泛等优点，受到抛光材料界的青睐。但其的缺点也是不可忽略的，最主要的 一点是其硬度比较高，在进行化学机械抛光时，非常容易对电子元件的表面造成 划痕等缺陷，这就降低了电子元件的平整度。但随着人们不断地对二氧化硅磨料 的开发，其在化学机械抛光中的地位有时仍是不可替代的。 al2o3 则是凭借着其硬度高这一优点，被人们应用到一些对抛光面的平整度和 光洁性要求较低的领域，比如宝石表面的抛光加工。其缺点也就不言而喻了，即 可用其进行抛光的领域是非常有限的。 而稀土氧化物 ceo2 具则以其比 sio2 和 al2o3 硬度小的优点，常常被人们用 于高精度元件表面的抛光，适应了时代发展的潮流。以较高的抛光速率、非常好 的光洁性和平整度越来越受到人们的青睐。而 ceo2 主要缺点是其黏度较大，在 进行后续清洗时比较麻烦 。 3.1.1 对 sio2 磨料的研究 一、sio 2 的简介 sio2 是一种无味、无污染和无毒的一种非金属功能性材料。且纳米 sio2 是一 种无定形的白色团聚体，因此在化学机械抛光技术出现后，与其相对应的 sio2 抛 光液的开发也得到了大力的研究。sio 2 因其机械磨损性能较好、耐腐蚀、抗氧化、 来源广泛等优点，致使其在抛光颗粒家族中占了非常高的比重。 现 sio2 磨料主要应用于集成电路、单晶硅片、互连光纤等的抛光。但由于各 元件的抛光精度不同，sio 2 颗粒的粒径和尺寸也不尽相同。图 3.110给出的是用于 化学机械抛光的胶体 sio2 颗粒扫描电镜的照片，从照片可以看出 sio2 形貌呈现球 形，且颗粒粒径分布均匀。 7 图 3.1 sio2 扫描电镜照片 二、sio 2 的制备方法 （1）溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶方法因其独有的各种优点，使其成为了当今制备 sio2 颗粒的一种 非常重要的方法。此方法通常是以金属盐或者无机盐为前驱物（如水玻璃） ，经 过水解反应、缩聚反应的过程逐步使 sio2 粉末进行凝胶化，然后进过一定的程序 （如陈化和干燥） ，最终形成所需要的二氧化硅凝胶。其制备流程如图 3.2 所示。 用该方法制备的 sio2 磨料纯度比较高，且其颗粒的大小比较均匀，但在抛光后不 易清洗。 水 溶剂 金属盐或无 机盐 水解 缩聚 溶胶 陈化 sio2 凝胶 sio2 粉末 干燥 图 3.2 二氧化硅凝胶制备流程图 （2）化学沉淀法 化学沉淀法主要是应用一定条件下的化学反应生成 sio2 沉淀，其制备流程如 图 3.3 所示。运用沉淀法所制备的 sio2 磨料具有粒度分布均匀且粒径较小、形状 呈球形、比表面积比较大等优点，且获得的 sio2 粉体为无定形的。 8 沉淀剂 金属盐或无机盐 反应器 沉淀 洗涤 烘干 sio2 粉体 图 3.3 制备流程图 （3）微乳液法 微乳液法属于液相化学制备方法的一种。该种方法主要先用各种成分配出乳 液，然后用剂量比较大的溶剂去包裹剂量比较小的溶剂，进而形成一个一个的微泡。 这就使 sio2 的成核、团聚等一系列的过程全都在这个小泡中进行，最终自然而然 的形成球状颗粒。使用微乳液法制备的 sio2 粒子的尺寸小、分散性好，并且操作 过程比较简单。 3.1.2 对 al2o3 磨料的研究 一、al 2o3 的简介： al2o3 与 sio2 一样是一种无定形的粉状物，因其稳定性好、硬度高、来源广 等优点，在化学机械抛光的发展进程中，开始被人们用于作为化学机械抛光的磨 料。随着人们对 al2o3 磨料的认识不断加深，人们开始重视这一新的抛光磨料。 al2o3 磨料因其硬度高于 sio2，它还可以用于各种宝石和石英的表面抛光。现 al2o3 磨料和 sio2 磨料已然成为抛光磨料家族的两大支柱。 与 sio2 磨料一样，作为化学机械抛光的磨料，其尺寸大小、物理性质与化学 性质，都会对化学机械抛光的抛光效果产生直接的影响。当以亚微米级球形 al2o3 粉末或者纳米级球形 al2o3 粉末作为化学机械抛光的磨料时，其优点是非常 明显的，例如去除率高、平整性好、抛光率快、光洁度高、抛光面不易产生微细 划痕，其抛光效果并不次于 sio2 磨料。因此，人们开始热衷于研究微米级球形 al2o3 和纳米级球形 al2o3 的制备方法，以便更好的探索这一新的抛光磨料的领域。 al2o3 磨料的 sem 形貌图如图 3.4 所示 11。 9 图 3.4 al2o3 磨料的 sem 形貌图 二、al 2o3 磨料制备方法 (1)溶胶-凝胶法 该法与制备 sio2 的方法相识，首先是将 al 的化合物（如 al(no3)39h2o）经 过一定的水解反应，然后进行干燥会得到干凝胶，然后对干凝胶进行煅烧，使干 凝胶的结构与形态发生转变，继而就会得到 al2o3 粉末。其形貌图如图 3.5 所示 10。由形貌图可看出，由该方法所制备的 al2o3 磨料的形状呈球形，且其粒径比 较小。 图 3.5 al2o3 粉末形貌图 (2)化学气相沉积法 化学气相沉积法是将 al 的化合物放置在高温下，通过高温加热使化合物分 解并释放出单质 al 的蒸汽，单质铝会与空气中的氧气发生氧化反应，从而生成 al2o3。使用这种方法所制备的 al2o3 颗粒粒径一般非常小，最大也只有几十纳米。 10 其制备出的 al2o3 的形貌图如图 3.6 所示 10。 图 3.6 al2o3 的形貌图 3.1.3 对 ceo2 磨料的研究 一、ceo 2 的简介 稀土元素铈是人们认识稀土元素后应用最早的一种元素。由于性质活泼，导 致其在自然界中，大部分都是以氧化物、氟化物等的形式存在。因此，人们对其 氧化物二氧化铈的研究较多。 作为一种廉价的稀土氧化物，已经被应用到很多的领域。例如汽车尾气处理、 化学机械抛光、防晒剂等。本文主要研究 ceo2 作为化学机械抛光中的抛光磨料 时的各种性质。 ceo2 以其强氧化性和与二氧化硅相比较小的硬度等性质，使其成为了化学机 械抛光磨料家族中新成员。由于 ceo2 相对来说比较柔软，以 ceo2 为磨料进行抛 光后，电子元件表面的划伤很少，即电子元件表面的平整度较高。这一系列的优 点使的 ceo2 得到了人们的关注，而且导致许多人开始大力探索这一新的化学机 械抛光磨料。 二、ceo 2磨料的制备方法 (1)溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法作为制备化学机械抛光磨料的一种常用方法，当然也可以用于制 备 ceo2 颗粒。主要步骤是将稀土金属盐进行水解，然后再经过聚合作用生成稀 土金属氧化物的溶胶，继而对溶胶进行老化生成 ceo2 凝胶，在对凝胶进行焙烧 干燥后就可以得到粉 ceo2 末。使用此方法制备的 ceo2 颗粒具有粒径小、纯度高、 11 颗粒均匀性好等优点。 (2)水热法 水热法从总体上来说可以分为水热沉淀法、水热晶化法、水热合成法和微波 水热法等。本文主要介绍以微波水热法来制备 ceo2，该方法主要是先将铈的化合 物加入去离子水中形成溶液；然后向溶液中滴入酸或者碱，用来析出 ceo2 的水 合物沉淀；然后在微波的作用下使水 ceo2 合物进行脱水，继而就形成了 ceo2 粉 末。使用该方法制备的粉 ceo2 末粒径小且分布窄，而且操作简单。 （3）化学共沉淀法 化学共沉淀法主要是先将含有稀土元素铈的金属盐加入去离子水中配置成溶 液，然后再加入沉淀剂用以得到中间产物的前躯体。接着经过一系列的操作，最 终生成 ceo2 粉体。主要制备流程如图 3.7 所示。沉淀法得到的 ceo2 粉体比表面 积大（即表面原子比较多） ，颗粒分布均匀，粒径比较小。 含铈的金属盐 沉淀剂 混合溶液 前躯体溶液 沉淀 陈化 前躯体 前躯体粉体 ceo2 粉体 过滤洗涤 干燥 焙烧 12 图 3.7 沉淀法制备二氧化铈流程图 （4）喷雾高温分解法 喷雾高温分解法是通过将含有铈成分的易蒸发溶液以雾态形式喷入燃烧腔里 面，雾态溶液会被很快的点燃。然后通过燃烧过程中产生的超高温，使雾态溶液 中的金属成分经过燃烧然后生成金属氧化物的粉尘。粉尘通过燃烧区域后温度会 快速的降低，经过高温条件下的一系列化学反应，最终边生成了 ceo2 粉体。 使用该方法所制备粉 ceo2 体操作方法简单，避开了沉淀法中的干燥、洗涤、 焙烧一系列的繁琐过程，但由于不容易控制反应温度，所生成的 ceo2 的量较少， 即该种方法的制备速率较低。 3.2 混合磨料的特点 由于单磨料的各种缺点，有人就开始将两种或两种以上磨料(如： zro2、sio 2、ceo 2、al 2o3、tio 2 等)混合在一起用来配制浆料，用以提高抛光浆 料的性能,以希望达到提高抛光速率和抛光质量的目的。 例如 sio2/ceo2 混合磨料，将这两种抛光磨料混合后，就如化学机械抛光技 术一般，该混合磨料就集中了两种磨料的优点，是抛光的效果会好于使用单磨料 进行抛光的效果。但由于不同磨料之间的比例要通过大量的实验来进行测定且单 磨料的某些缺点也会被带进来，因此采用一定比例 sio2/ceo2 混合磨料在可以提 高抛光速率的同时也有着非常大的缺陷。继而人们开始研究复合材料这一新领域。 3.3 复合磨料的特点 目前，随着各种技术对元件表面的抛光要求的提高，复合磨料的开发已然成 为了化学机械抛光这一领域的研究热点。复合磨料主要分为掺杂性复合磨料和包 覆性（核- 壳结构）复合磨料，但主要以包覆性复合磨料为主。抛光效果的好坏主 要是由磨料粒径的分布和大小以及硬度等因素所决定的，而复合磨料的目的就是 为了通过人工操作来改变这些因素，比如将硬度较小的磨料包覆在硬度较大的磨 料上，以提高在进行化学机械抛光时元件表面的光洁度和平整度，同时提高了化 学机械抛光的速率。如刘连利，赵志成 12采用超声-沉淀法制备了 ceo2/al2o3 纳 米复合粉体，扩展了 al2o3 作为 cmp 研磨料的应用。 13 第四章 化学机械抛光技术的抛光机理和模型构建 4.1 化学机械抛光机械去除机理模型概述 化学机械抛光技术作为摩擦力学、化学、流体力学、固体物理等诸多学科的 交叉领域，其机理模型的建立是非常复杂的，因而至今仍然没有一个公认的去除 机理模型。随着纳米技术的发展，导致在国内外有非常多的研究员在研究这一领 域。现以电子元件与抛光垫的不同接触形式以及不同的抛光磨料为依据，进行一 个大概的分类，如图 4.1 所示 13。 材 料 去 除 机 理 及 模 型 机 械 作 用 机 理 化 学 作 用 机 理 全接触模型 半接触模型 非接触模型 其他模型 si 反应机理 介电层反应机理 互联金属反应机理 阻挡层反应机理 接触力学理论模型型 接触力学+流体力学模 型 流体力学理论模型 唯象学理论模型 基于碱 性抛光 液反应 机理 基于酸 性抛光 液反应 机理 基于 硬抛 光垫 模型 基于 软抛 光垫 模型 4.1 材料去除机理及模型分类 14 4.2 cmp 抛光机理模型举例 研究员们早在 1995 年就发表过一篇关于建立化学机械抛光去除机理模型的综 述。他们逐个列举了已建立的 cmp 去除机理模型，这些模型针对各自所作的假 设，总结出了一些相对完整且具有一般性的结论。 c.b.burk 等人提出了三种接触形式：不接触、全接触和半接触 14。当薄膜厚 度比抛光垫表面平均微凸峰高度小时，电子元件和抛光垫完全接触，则整个化学 机械抛光过程为全接触形式，可以运用接触力学原理来建立化学机械抛光技术中 机械去除模型；若前者比后者大时，抛光过程可以被认为是不接触的，则可被称 之为完全流体润滑，继而可用流体动力学原理来化学机械抛光技术中机械去除模 型；当电子元件和抛光垫之间部分接触时，则化学机械抛光过程中为半接触形式， 即可用接触力学和流体动力学来建立化学机械抛光技术中机械去除模型。接下来 对化学机械抛光的机械去除模型进行简要介绍。 由普雷斯顿方程可知，在化学机械抛光的过程中，可以通过控制施加于抛光 区域压强的大小来提高抛光效果。根据这一理论，吕玉山，蔡光起，华雷 15提出 通过在抛光区域的外部施加负载来对被抛光元件表面所受的压力进行校正，以达 到提高抛光质量的假设。在这个假设的基础上，华等人测定在不同加载区域下施 加负载时，抛光面所受压强的分布情况，并通过大量的实验数据说明了其假设的 正确性。这就为研究元件的全局平坦化提供了一种新的方式。 刘昌雄 16以圆平动抛光（ctp）理论为基础，通过建立部分膜与全膜数学模 型，对圆平动抛光过程中的速度运动关系进行了研究，进而提升整个圆平动抛光 的效果。但其模型中没有考虑温度的变化，计算结果会产生一定的误差。 张朝辉，雒建斌 17通过研究多孔结构的抛光垫对化学机械抛光流动性的影响， 提出了用于化学机械抛光的三维流体模型。并通过数值模拟的方法得出了小孔径 尺寸的多孔抛光垫可以提高抛光元件的表面去除率。 4.3 cmp 去除机理模型分析 现通过详细分析苏建修的博士论文ic 制造中硅片化学机械抛光材料去除机 理研究 18中硅片化学机械抛光过程中摩擦力的研究，以说明摩擦力对化学机械 抛光过程所产生的影响。并通过详细分析张朝辉的化学机械抛光流动性能分析 19中提出的基于流体力学原理建立的牛顿流体润滑方程，并通过润滑方程分析了 15 化学机械抛光中所施加的压力分布情况。 4.3.1 基于摩擦力学原理的典型模型的分析 在此，通过对苏建修所建立的硅片表面摩擦力分布模型进行更详细的分析， 可得知硅片表面摩擦力的分布情况 18。其摩擦力分布模型所用的硅片与抛光垫关 系示意图如 4.2 所示。 图 4.2 硅片与抛光垫关系示意图 现设 xo2y 为固定坐标系，o 2 该坐标系的原点，假设 ow 为抛光元件的中心， 并且其初始的位置在点 o2 上，o 2 为抛光垫旋转的中心，e 为抛光垫的中心 o1 到 坐标原点 o2 的偏心距，在抛光过程中，抛光头会带着抛光元件以点 o2 为中心在 x 轴上做直线往复运动。n p、n w分别为抛光垫的转速和硅片的转速; 分别w、p 为抛光垫的角速度和硅片的角速度。在硅片上任取一微小单元 q，r i与 ri，分别 表示 q 点到抛光垫中心 o1 和硅片中心 o2 距离，其小单元面积为 ridrid ，( )。微单元 q 上受抛光垫的摩擦力为 df1q、df 2q。df 1q 为假设硅片静12o 止，抛光垫旋转时给 q 点的摩擦力；df 2q 为假设抛光垫静止，硅片旋转时给 q 点的摩擦力。 16 为了便于计算，设硅片的半径为 r；硅片上的平均工作压强为 p0。现假设化 学机械抛光过程中抛光垫与工件摩擦时的摩擦系数 j 与相对速度 v 的关系为： （4.1）mjkv k: 系统摩擦系数因子( 与抛光过程的各个参数有关) m：速度指数(与抛光系统有关) 由以上条件可知，当硅片静止，抛光垫旋转时给 q 点的摩擦力为： drpknjfiiqm01)(d （4.2） 当抛光垫静止，硅片静止是给 q 点的摩擦力为： drpnjfimiwq)(kd02 （4.3） 注： n 为硅片上平均工作压力 压力与压强的关系： psn 速度与角速度的关系： rv 从图 4.2 中可以得到,在三角形 o2qo1 中： cos22iii errr （4.4） 现设 ， 0129dqf12qdf 则在三角形 o1qo2 中，有正弦定理可得 )90sin()sin(i21eoer irsnco （4.5） 将 df1q 分解到径向 (如图 4.3)可得 17 qrdf1cos drerpkimirqsnd101 （4.6） 图 4.3 将 df1q 分解到切向（如图 4.4）可得 qtdf1cos tqdf11in （4.7） 由几何关系可知： 2cos1sin （4.8） 将 4.4 式、4.5 式带入 4.8 式可得 irrcosesin （4.9） 由 4.7 式和 4.9 式可得出 drerdfimiptqcosrk101 （4.10） 18 图 4.4 当不考虑抛光头摆动的影响时，可得 q 点的径向合力（如图 4.5） (4.11)drerprkfimirsnd10 注：由于 ，则 df2q 在径向无分力。029dqof q 点的切向合力为： qtqtdff21d drrerrkpimwiimipt 110cos （4.12） 图 4.5 进而可以得到在进行化学机械抛光时硅片表面 q 点的摩擦力（如图 4.6 所示） 现设 x 轴的正向为正方向，y 轴的正向为正方向，则可得 df1q 在 x 轴和 y 轴的分 力分别为 （x 方向）drrprfimisnk10 21 19 （y 方向）drerrpkfiimicos102 图 4.6 df2q 在 x 轴和 y 轴的分力分别为 （x 方向）drr pfimiwsnk03 （ y 方向）drr pkimiwcos04 从而可以得到 drrrkpfd imipwixq sn012131 （4.13） drrerkpimwimiwiqy coscosd1042 （4.14） 由 4.13、4.14 两式可得硅片上所受的摩擦力为： 0cos2120 1 drerrkpfimiimx （4.15） 20 注：不论是硅片旋转还是抛光垫旋转，在 x 轴上都会产生一系列的两个大小相同 但方向相反的作用力，因此 fx=0。 drerrkpimiiim2012y cos1 （4.16） 通过以上计算可以得到硅片所受的摩擦力大小以及分布。由 4.16 式可以看出 摩擦力大小主要与硅片表面所受压强 p0、系统摩擦系数因子 k 以及抛光垫的转速 有关，而硅片的转速 对摩擦力的影响是非常小的。由于 p0、 可人为设定，pwp 并且 k 可通过实验得到，因此我们可以分析不同压强或者不同的抛光垫转速下的 硅片表面所产生的不同的摩擦力，以便更好地改进化学机械抛光系统，进而得到 更好地抛光效果。 4.3.2 基于流体力学原理的典型模型的分析 现对张朝辉 19基于流体力学理论得到的压力分布与各因素（如抛光垫转速） 之间关系的结论进行了的详细分析。 现假设抛光液为牛顿流体，并设坐标系为柱坐标系，其分析过程的简略图如 图 4.7 所示。 图 4.7 分析过程简略图 21 在柱标系中，现设： 为粘度系数、w 为径向的流体速度、 为周向的流体速度。 由牛顿切应力公式可知 zw 注： 为切应力（压强） 又由于压力 p 与压强 的量纲是相同的， r 与 z 的长度量纲也是相同的，则由量 纲分析可知 径向的压强的梯度为 zwpr （4.17） 同理，周向的压强梯度为 zpr1 （4.18） z 方向的压强梯度为 0zp 将 4.17 式和 4.18 式沿 z 方向进行积分可得 径向的流体速度为： 12h21wzrpw （4.19） 注：w 1 为晶片表面径向的流体速度。 w2 为抛光垫表面周向的流体速度。 周向的流体速度为： 12hr12uzp 22 （4.20） 注：u 1 为晶片表面上的周向速度。 u2 为抛光垫表面上的径向速度。 h 为抛光液的厚度。 从而可以得到径向的流量为： (4.21)hwrphwdz hr 21q130 周向的流量为： huprhdq h21130 （4.22） 由质量守恒方程可知 (4.23)01zrw 注： 为 z 方向的流体速度。 将 4.23 式沿 z 轴方向进行积分可得 hhdzrdz001r （4.24） 将 4.21 与 4.22 式带入 4.24 可得 02121r 1 313 huprhrwph （4.25） 对 4.25 式进行化简可得润滑方程： hurhwrphrphr 2121212133 通过对润滑方程进行无量纲化和离散化可以得到压力分布与各种参量（如抛 光垫转速）之间关系的关系式。进而通过调节各参量来改变压力的分布，以提高 化学机械抛光的抛光质量。 23 结 论 本文主要研究了化学机械抛光技术的原理、组成和去除机理模型，从理论上 评价了 cmp 技术的优点。通过了解化学机械抛光技术的原理和发展历程，对 cmp 技术有了更深层次的认识。 通过对 sio2、 al2o3、ceo 2 三种单磨料、混合磨料、复合磨料的特点及制备 24 方法的分析，有多种方法可以用于制备抛光颗粒，如溶胶-凝胶法、化学沉淀法、 水热法、化学气相沉积法等，但各种制备方法的使用范围不同，各种磨料各有其 优缺点。在进行化学机械抛光时，要根据被抛光元件材料的性质来选择抛光磨料。 对于化学机械抛光过程中材料去除机理的研究，本文主要分析了基于摩擦力 学原理和流体力学原理的两种不同的材料去除机理模型。 基于摩擦力学原理的模型分析可以得到硅片所受的摩擦力大小及其分布。摩 擦力大小主要与硅片表面所受压强 p0、系统摩擦系数因子 k 以及抛光垫的转速 有关，而硅片的转速 对摩擦力的影响是非常小的。因此我们可以分析不同pw 压强或者不同的抛光垫转速下的硅片表面所产生的不同的摩擦力，以便更好地改 进化学机械抛光系统，进而得到更好