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浙江工业大学硕士学位论文 基于l i f 技术的c m p 中抛光液分布与混合的可视化研究宰 摘要 随着半导体i c i 业发展，器件尺寸的缩小，光学光刻设备焦深的 减小，对平整度的要求越来越高。传统的平面化技术，如基于淀积技 术的选择淀积、溅射玻璃s o g 、低压c v d 已不能满足半导体工业的发 展需要。9 0 年代兴起的化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g 简称c m p ) 技术则从加工性能和速度上同时满足了晶圆片加工的要 求。 首先，本文介绍了c m p 的技术、工艺要素以及优缺点，提出了激 光诱导荧光( l ) 测量技术，并将其应用于c m p 中对抛光液进行可 视化研究。提出了“荧光比”概念，来定量描述抛光液温度、p h 值 和新旧抛光液体积百分比的关系。其次，描述了l 实验台的建立过 程，并在此实验平台上研究了抛光盘转速、晶片转速、抛光液注入位 置、抛光液流量、一抛光垫材质和抛光垫沟槽等抛光参数对晶片下抛光 液分布和混合的影响，测量得到了不同抛光液的不均匀性、荧光平均 灰度比和新旧抛光液混合体积百分比，总结了抛光参数的影响，得到 了抛光液注入的最佳位置r = 3 0 r a m ，最佳抛光流量q = 5 0 m l m i n ，最佳抛 光盘转速q = 4 5 r p m 和最佳晶片转速国= 5 0 印m 等抛光优化数据。最后，总结 了各种参数，运用优化数据进行了实验验证，提高了c m p 的加工效率 本文得到国家自然科学基金( 5 0 4 7 5 1 1 9 ) ，浙江省自然科学基金( y 1 0 4 2 4 1 ) ，浙江省青年科技人才培养专 项资金( r c0 2 0 6 6 ) 的资助。 浙江工业大学硕士学位论文 和表面质量，节约了加工成本。 关键词：化学机械抛光( c m p ) ，激光诱导荧光( l ) ，平均荧光灰 度，不均匀性，平均停留时间( m i 玎) 浙江工业大学硕士学位论文 v i s u a l i z e dr e s e a r c ho nc h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h i n gs l u r r yd i s t r _ i b u t 玎呵g a n dm d 叮gb a s e do nl a s e rd 呵d u c e d f l u o r e s c e n c em e a s u r 置m e n tt e c 日 n o l o g y 宰 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o ri n t e g r a t ec i r c u i t ) i n d u s t r y , d e v i c ed i m e n s i o n s a r es h r u n ka n dd e m a n d e dt o i m p r o v e p l a n a r i z a f i o nt on a n o m e t e rl e v e l t r a d i t i o n a lp l a n a r i z a t i o nt e c h n o l o g y s u c ha s s p i n o ng l a s s ( s o g ) ，l o w e rv o l t a g ec a p a c i t i v ev o l t a g e d i v i d e r ( c v d ) c o u l dn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es e m i c o n d u c t o r i n d u s t r yd e v e l o p m e n t t h en e w - s t y l ec h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( c m p ) t e c h n o l o g yc a l ls a t i s f y t h e p r o c e s sp e r f o r m a n c ea n ds p e e d i nt h ep a p e r ，f i r s t l y ，i tp r e s e n t sc m p t e c h n o l o g y ，v a r i e t i e so fc m p p r o c e s sf a c t o r s a n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc m p ，a n dp u t s t h ea u t h o ra r et h a n k f u lt h ef i n a n c i a la i dt ot h i sp r o j e c ts u p p l i e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 4 7 5 1 1 9 ) ，z h e j i a n gp r o v m d a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a f i o n ( y 1 0 4 2 4 1 ) a n dy o u n gs c i e n t i s tt r a i n i n gp r o j e c to f z h e j i a n gp r o v i n c e ( r c 0 2 0 6 6 ) v 浙江工业大学硕士学位论文 f o r w a r dl a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ( e n i dt e c h n o l o g yw h i c hi sa p p l i e dt o s l u r r yf l o wv i s u a l i z e dr e s e a r c hi nc m pp r o c e s s a tt h es a m et i m e ，i t p r e s e n t s t h ep r i n c i p l e so ft h el a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c ea n dd u a l e m i s s i o nl a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ，s e t u p ，a n db r i n g sf o r w a r dt h e c o n c e p t o f f l u o r e s c e n c er a t i o s s e c o n d l y ，i te x h i b i t st h eb u i l d i n g p r o c e s so ft h el i fe x p e r i m e n td e v i c e ，e f f e c to fp o l i s h i n gp a r a m e t e r s i n c l u d i n gp o l i s h i n gp l a t e ns p e e d ，w a f e rs p e e d ，s l u r r yi n j e c t i o np o s i t i o n ， f l o wr a t ea n dp a dm a n u f a c t u r ea r es t u d i e d d i f f e r e n tn o n u n i f o r m i t y ， f l u o r e s c e n c em e a ng r e ys c a l ea n dm i x i n gp e r c e n t a g eo f n e w ”a n d ”o l d s l u r r y h a v e b e e no b t a i n e df r o mt h e r e s e a r c h f i n a l l y ，t h i sp a p e r s u m m a r i z e st h ee f f e c t so fv a r i e t i e so fp a r a m e t e r s ，g e tt h eo p t i m i z e d d a t u mi n c l u d i n go p t i m u ms l u r r yi n j e c t i o np o s i t i o n ( r i = 3 0 m m ) ，f l o w r a t e ( q = 5 0 m l m i n ) ，p l a t e ns p e e d ( f 2 - - 4 5 r p m ) a n dw a f e rs p e e d ( c o = 5 0 r p m ) e t c ，a n dv e r i f i e st h ee x p e r i m e n tv a l i d a t i o nw i t ht h eo p t i m i z e dd a t u m ，a n d a sar e s u l t ，t h ec m pp o l i s h i n ge f f e c t sa n dt h es u r f a c eq u a l i t ya r e i m p r o v e da n dt h ec o s to ft h ep r o c e s si sr e d u c e d k e yw o r d s ：c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( c m p ) ，l a s e ri n d u c e d f l u o r e s c e n c e ( l i f ) ，m e a nf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y , n o n u n i f o r m i t y , m e a n r e s i d e n c et i m e ( m r t ) 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 s o g ( s p i n o ng l a s s ) 溅射玻璃西量子效翠 c v d ( c h e r n i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 卜 ，。一激发光强度 化学汽相淀积 a 夙激发光吸收系数 i c ( i i l t e 铲a t ec n u i 卜集成电路 a 荧光收集系数 l i d ( h n e r l a y e r e l e c t r i c 卜层间介质 c 荧光团摩尔浓度 m s ( m i 1 e c t r o n i c m e c h a i l i c a l 见波长 s y s t e m ) 微电子机械系统 w i d ( w i t h i n d i e ) 模内 w l w ( w i t h i n - w a f e r ) 片内 c m o s ( c o m p e n s a t e d m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r 卜互补金属氧化物 半导体 p v a ( p o l y v i n y la l c o h o l 卜聚乙烯 醇 s t m ( s c a n n i n gt u n n e lm i c r o s c o p e 卜一 扫描隧道显微镜 a _ v m ( a t o m i ef o r c e m i c r o s c o p e 卜一 原子力显微镜 l i f ( l a s e r i n d u c e d f l u o r e s c e n c e 卜一 激光诱导荧光 s t o k e s 斯托克斯 c c d 摄像头 d e l i f ( d u a ll a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ) 双重诱导激光发射荧光 ，激发光强度 五：染料2 的荧光强度中染料1 所 占荧光百分比 r p m 转每分 m l l m i n 毫升每分 r 抛光垫中心至加工晶片中心 距离 加工晶片半径 尺w r 。一 q 抛光盘转速 国晶片转速 r 抛光垫中心至抛光液注入位置 之间距离 r 抛光垫半径 p 压力 q 抛光液流量 m r t ( m e a nr e s i d e n c et i m e 卜抛 光液停留在晶片下平均时间 第4 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 、彳扩w 互 日期：斯年，月吱文e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密瓯在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：如旷年卜月j d 日 e l 期。卅1 年，月2 - 2 e 1 浙江工业大学硕士学位论文 1 1c m p 的发展与应用 第一章绪论 随着半导体工业沿着摩尔定律曲线的急速下降，驱使晶圆片加工工艺向着更 高的电流密度、更高的时钟频率和更多的互联层转移。由于器件尺寸的缩小、光 学光刻设备景深的减小，要求晶圆片表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级n 1 。 传统的平面化技术如基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃s o g 、低压c v i ) 、等离 子体增强c v d 、偏压溅射和属于结构的溅射后回腐蚀、热回流、淀积一腐蚀一淀 积等，这些技术曾在i c 工艺中都曾获得应用。但是，它们虽然也能提供“光滑” 的表面，却都是局部平面化技术，不能做到全局平面化。目前，已被公认的是， 对于最小特征尺寸在0 3 5 1 a m 及以下的器件，必须进行全局平坦化，为此必须发展 新的全局平面化技术。 9 0 年代兴起的新型化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，简称c m p ) 技术，则从加工性能和速度上同时满足了晶圆片图形加工的要求。c m p 技术是机 械作用和化学作用的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用以及抛光液的化学作 用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面隅叼，其精度达到纳米级。 自从1 9 9 1 年美国m m 公司首先将c m p 工艺用于6 4 m bd r a m 的生产中之后，该 技术顺利而又迅速地在各种会议和研究报告中传播，并逐步进入工业化生产h 一1 。 目前美国是c m p 最大的市场，它偏重于多层器件，欧洲正在把c m p 引入生产线， 而日本和亚太地区将显著增长，绝大多数的半导体厂家采用了金属c m p ，而且有 能力发展第二代金属c m p 工艺。近年来，c m p 发展迅猛，c m p 设备市场将以6 0 的增长幅度上升。c m p 技术成为最好也是唯一可以提供在整个硅圆晶片上全面平 坦化的工艺技术，c m p 技术的进步已直接影响着集成电路技术的发展。 c m p 的研究开发工作已从以美国为主的联合体s e m a t e c h 发展到全球，如欧 洲联合体j e s s i ，法国研究公司l e t i 和c n e t ，德国f r a u n h o f e r 研究所等嘲，日本公 司和亚洲其它国家和地区也在加速研究与开发，并呈现出高竞争势头。 第5 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 c m p 技术的应用也将从半导体工业中的层间介质( u d ) ，绝缘体，导体，镶 嵌金属w 、舢、c u 、a u ，多晶硅，硅氧化物沟道等的平面化m ，拓展到薄膜存贮 磁盘，微电子机械系统( 姬m s ) ，陶瓷，磁头，机械磨具，精密阀门，光学玻 璃，金属材料等表面加工领域。 1 2c m 口技术 c m p 技术的目的是消除芯片表面的高点及不平度。基本的c m p 加t 系统如图 1 1 所示整个系统是由一个旋转的工件夹具、承载抛光垫的抛光盘和抛光液供给装 置三大部分组成。化学机械抛光时，旋转的试件以一定的压力压在旋转的抛光垫 i 图1 1c m p 原理图 上，而由亚微米或纳米级和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动。磨 粒的机械作用使工件表面材料变得疏松，加快了化学反应速度，并使反应生成物 从试件表面脱离，或溶于抛光液或在抛光垫的摩擦作用下脱落被抛光液带走。由 于工件表面的凸起部位去除速度较快，因而可使工件平整化。 c m p 技术叭们所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光液、抛光垫、后c m p 清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、抛光液分布系统、废液处理和检测设 备等。其中抛光液和抛光垫为消耗品，其余为抛光及辅助设备。c m p 工艺是高分 子化学、流体力学、机械动力学、表面学、摩擦学和材料学的结合。 第6 页共6 8 页 13c m i ，的工艺要素 一个完整的c m p 工艺主要山抛光、后清洗和计贫测量等操作组成，c m p 3 2 艺 中的要素包括以下内容： 31 抛光机 c m p ：抛光机基木组成如图11 ，一个转动的圆盘和一个工件夹具。两者都i 盯施 力于工件并使其旋转，在抛光液的帮助下完成抛光，用一个自动抛光液添加系统 就可保证抛光挚湿润程度均匀，适当地送入新抛光液及保持其成分小变。 日前世界上生产这类设备的厂家已达2 0 多家。如美阡j i p e c p l a n a r 公司生产的 1 p e c 3 7 2 一u 、4 7 2 、6 7 2 型c m p 设备，都是竹头、单片抛光工艺。英国l o g i t e c h 公司 推出c p 3 0 0 0 c m p 设备，可力工8 英寸晶圆片，从去胶开始全部由机械手操作，使 晶圆片受损最小。f i 本东芝机械公司推出c m s 2 0 0 型单元单片式c m p 设备，可加 z 6 8 英寸品圆片，生产能力2 0 , q d 时，加压具有自动分级功能，在抛光同h t 会自 动清洗，甩干。随着国内03 5 , u r n 工艺的不断推进，多层布线中平坦化工艺的矛盾 将门益突出，为此，及早在h 内进s , f - c m p 设备和工艺的开发已成为当务之急。目 前，c m p 设备i f 在由单头、双头抛光机向多头抛光机发展，结 匈逐步由旋转运动 结构向轨道抛光方法和线性抛光方法方面发胜。圈l2 为浙江工业大学精密 丁震 ! 研究熏研制生产的型弓为n a n o p o l i 一1 0 0 型抛光机。 图1 2f t 能刑纳米级超辅督、f 面抛光机 * 7 更# 6 8m 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2 抛光垫 抛光垫是输送抛光液的关键部件，它将抛光液中的磨粒送入晶片表面并去除 反应生成物。c m p 之所以能获得平坦化，是因为圆晶片上那些较高的部分接触抛 光垫而被除去。抛光垫的机械性能，如弹性和剪切模量、可压缩性及粗糙度对抛 光速度及最终平整度起着重要作用。抛光垫的硬度对抛光均匀性有明显的影响， 硬抛光垫可获得较好的模内( w i t h m d i e ) 均匀性和较大的平面化距离，软垫可改 善片内( w i t l 洫一w a f e r ) 均匀性，为获得良好w i d 和唧均匀性，可组合使用软、 硬垫【1 3 1 ，在圆晶片及其夹具间加一层弹性背膜可满足刚性及弹性的双重要求。抛 光垫常为含有聚氨基甲酸碱度酯的聚酯纤毡。抛光垫使用后会逐渐“釉化 ，使 去除速度下降，用修整的方法可以恢复抛光垫的粗糙面，改善其容纳抛光液的能 力，从而使去除速度得到维持且延长抛光垫的寿命。因此改进抛光垫、延长其使 用寿命从而减小加工损耗是c m p 技术的主要挑战之一。 1 3 3 抛光液 抛光液是c m p 的关键要素之一，抛光液的化学作用在金属c m p 中起主要作用， 抛光液的组成、p h 值、颗粒粒度【1 4 1 及浓度、流速、流动路径对去除速度都有影响。 抛光液一般由研磨剂( s i 0 2 、a 1 2 0 3 ) 、表面活性剂、稳定剂、氧化剂、分散剂等 组成孓1 7 1 ，最具代表性的抛光液f l j s i 0 2 抛光剂和碱性水溶液组成，s i 0 2 粒度范围 为l 一1 0 0 n m ，且非常均匀，s i 0 2 浓度为1 5 5 0 ，碱性水溶液组成一般使用k o h 、 氨或有机胺，p h 值为9 5 1 1 。抛光不同的材料所需的抛光液组成都不同，在镶嵌 w c m p 工艺中典型使用铁氰酸盐、磷酸盐和胶体s i 0 2 或悬浮a 1 2 0 3 粒子的混合物， 溶液的p h 值在5 0 6 5 之间。抛光氧化物的抛光液一般以s i 0 2 为磨料，p h 值一般应 控制在大于1 0 ，而抛光金属则以a 1 2 0 3 作添加剂的基础材料，以便控制粘性和腐蚀 及去除反应生成物，研磨料的性能、分散稳定性对于c m p 抛光液都很重要。 抛光液的研究仍集中于层内介质( 也d ) c m p ，最近逐渐转向金属c m p ( 如 w c m p 等) ，随着i c 工艺的发展，研究的重点已转移用铜做层间引线的领域上来， 铜的c m p 作为微型器件的主要加工工艺，各国均在加紧工艺研究。抛光液研究的 最终目标就是找到化学作用和机械作用的最佳结合，以正确获得高去除速率、平 面度好、膜厚均匀性好及选择性高的抛光液，同时还要兼顾易清洗性、对设备的 第8 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 腐蚀性、废料的处理费用及安全性。 1 3 4c m p 后清洗 晶片经c m p 加7 - 后，会有少量抛光液体残留在上面，从而影响其表面质量及 下道工序，因而c m p 的后清洗是c m p 力i 工的重要部分，其目的是把c m p 中的残留 粒子和金属污染减少到可接受的水平。现在对0 3 5 p r o 及以下的c m o s 工艺，要求 后清洗提供的晶片上附着物不多于5 0 0 个m 2 o 1 2 9 i n ，碱金属粒子数不大于5 1 0 1 1 原子c m 2 t 1 8 1 。c m p 后清洗已成功地使用了湿式化学浴处理、喷射处理、去离子 水及n 瞰0 h 擦洗、超声及两步抛光等方法，这些方法单用或组合使用1 9 - 2 0 。湿式 化学处理台、酸处理器、用p 、呱刷加去离子水擦洗对氧化物c m p 后处理特别有效。 稀h f 作为湿式化学处理的一部分可去除大部分粒子和金属污染，在浸泡时使用超 声波可加强清洗效果。 氧化物c m p 后处理的新进展是把p 、悛刷擦洗与氧化物腐蚀组合成一台设备， 既改善了性能，又降低了处理费用。在w c m p 后清洗时，由于氧化铝磨料和氧化 硅磨料性质上的差别，使用n h 4 0 h 机构刷擦洗是最有效的。随着器件特征尺寸的 持续减小及c m p 应用领域的扩大，将会出现新的介质材料，抛光液的组成也会出 现相应的变化，因而必将给后清洗工艺提出更多的课题【2 。 1 3 5c m p 晶片表面的检测 随着c m p 的迅猛发展和精度要求的提高，在c m p 工艺中，必须有性能良好 的检测技术 2 2 1 ，以避免过抛或抛光不足而导致的成品率下降。一般地，抛光晶片 的检测项目主要有：平面度、表面粗糙度、表面缺陷及损伤情况。扫描隧道显微 镜( s 1 m ) ，首次实现了纳米尺度的三维测量，这种微观测量方法可用于观测物体 表面亚纳米级的表面形貌。光干涉测量利用短波长光的干涉来进行纳米级测量， 可用于长度、直线度、平面度、表面微观形貌等精确测量1 2 2 。x 射线干涉测量可 以用来检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。表面粗糙度的测量包括多种类 型，有触针式测量仪、光截式测量仪、光波干涉式测量仪等，此外原子力显微镜 ( 删) 可以通过测量表面微观形貌信息来测量加工表面粗糙度。 第9 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 国内外c m p 基础理论的研究成果 c m p 是通过化学和机械力获得平滑表面的加工过程，它在机械抛光过程中加 进了化学反应，达到提高平面抛光速度的目的。由于研究人员对材料去除因素研 究的着重点不同，出现了几种描写c m p 的不同术语2 3 ，2 4 - 2 7 1 ： 1 c h e m o m e c h a n i c a l 或m e c h a n o c h e m i c a lp o l i s h i n g ( v o r ae ta l ，1 9 8 2 ) ，前者 认为化学反应是主要驱动力，并由后序的机械作用去除反应生成物，而后者强调 伴随有化学反应的机械作用； 2 t r i b o - c h e m i c a lp o l i s h i n g ( h e i n i c k e 。19 8 4 ；f i s c h e r , 19 8 8 ) 强调了反应层之间的 摩擦作用； 3 c h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( n a n z 和c a m i l l e t t i 。1 9 9 5 ) 强调了特定的抛光 液、磨料与工件之间的化学反应。 4 p r o g r e s s i v em e c h a n i c a la n dc h e m i c a lp o l i s h i n g ( p - m a c ) 渐进式机械化学抛 光，加工初期以机械接触式的剪力来进行加工；加工中段以机械接触的剪力和化 学作用两者并行来进行抛光；最后阶段进行化学式的抛光加工。 到目前为止，有四种模型描述c m p 加工过程的抛光机理 2 4 - 3 4 1 。第一种模型是 基于c m p 过程结果的唯像研究( p r e s t o n ，1 9 2 7 ；b u r k e ，w a m o c k ，1 9 9 4 ) 。这种 模型尽管在物理上是合理的，但并未完全揭示磨损机理。第二种模型基于流体动 力学理论( r u n n e l s ，1 9 9 4 ；s u n d a r a r a j a n ，1 9 9 9 ) ，这种模型认为抛光液的腐蚀是 主要磨损机理，而忽略了潜入抛光垫表面磨粒的机械磨损。第三种模型基于接触 理论的研究( y u 等，1 9 9 3 ；l a r s e n b a s s e 和l i a n g ，1 9 9 9 ) ，认为c m p 的主要磨损 机理是由抛光液中的磨粒产生的。最后一种模型则建立在接触力学和流体力学的 基础上( s r i n i v a s a - m u r t h y ，1 9 9 7 ；t i c h y ，1 9 9 9 ；c h o 和p a r k ，2 0 0 1 ) 。但这些模型 在揭示c m p 加工过程的本质上还有一定的局限性。 目前，虽然对c m p 中工件下方所发生的现象几乎不清楚，但是已表明了化学作 用和机械作用是整个去除现象的主要因素。因此，需要对各自的作用程度以及对 试件下方的抛光液传输情况进行了解。工件下方的流体状态支配着抛光机理即传 输化学成分又机械磨除。抛光过程中抛光液膜厚度、抛光液传输过程、“新“旧 抛光液的百分比及抛光垫携带抛光液的能力等流体特性是可能影响抛光加工的因 素。通过对这些变量的研究可以对c m p 平面抛光有更完整的认识。 第1 0 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 1 5c m p 的优缺点 c m p 技术是机械作用和化学作用的组合，它具有以下优点： ( 1 ) 晶圆片的总体平面度高：c m p t 艺可补偿亚微米光刻中步进机大像场的线 景深不足。 ( 2 ) 改善金属台阶覆盖及其相关的可靠性：c m p 工艺显著提高了芯片测试中的 圆晶片的成品率。 ( 3 ) 使更小的芯片尺寸增加层数成为可能：c m p 技术允许所形成的器件具有更 高的纵横比。 ( 4 ) 应用广泛：可以对所有类型表面进行平整加工，甚至可对复合材料表面进 行加工。 另外，它也可以减少突兀的形貌，使制造更符合设计要求和额外的联系层次， 有帮助于提高0 5 p m 以下器件，电路的可靠性、速度和产量，具有较低成本的优势。 虽然c m p 因其具有明显的优势，越来越受关注，但c m p 相比半导体其它领域的技 术来讲，显得还是不太成熟。尽管c m p 技术发展的速度很快，但需要解决的理论 及技术问题还很多。如人们对诸如抛光参数( 如压力、转速、温度等) 对平面度 和表面质量的影响，抛光垫、抛光液、晶片之间的相互作用，抛光液化学性质 ( 如组成、p h 值、颗粒度等) 对各种参数的影响等基础机理了解甚少，因而，定 量确定最佳c m p - e 艺，系统地研究工艺过程参数，建立完善的c m p 理论模型，满 足各种超大规模集成电路生产对c m p t 艺的不同要求，是研究c m p 技术的重大课 题。 1 6 课题所涉及的技术 由于c m p 过程中工件与抛光垫紧压在一起，其间的抛光液层仅有几十微米的 厚度，用接触式测量方法很难实现对其抛光液的流动、混合、温度、厚度、p h 值 等参数的在线检测。本课题研究了一种激光诱导荧光( l ，l a s e rh d u c e d f l u o r e s c e n c e ) 测量技术3 5 铘，4 0 1 对c m p 过程中抛光液流进行可视化研究。应用该技 术时，将荧光物质以很小的浓度溶解于抛光液中，几乎不影响抛光液的特性和磨 粒的作用，保证了测量数据的有效性。 第1 1 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 1 7 课题研究的主要内容 本课题拟利用l i f 技术开展如下研究： ( 1 ) 抛光液的分布特性：用一种荧光物质去标定抛光液，用激光激发抛光液， 用c c d 拍摄其产生的荧光图像，连续拍摄，从荧光图像中观察晶片下抛光 液的流动与分布情况。 ( 2 ) 抛光液的混合特性：用两种荧光物质分别标定抛光液，其中一种视为“旧 抛光液持续加入，“新 抛光液定时加入。由两种激发荧光组成的混合光被 分光镜等分成两道光束，各自经相应滤光片后，得到两种荧光物质的激发 荧光，分别由相应c c d 接受，即观察区内“新 “旧 抛光液荧光图像。 两幅图像的灰度比即“新抛光液所占比例。连续拍摄图像，即可动态地 观察抛光液的流动、混合特性。 1 8 课题研究的方法与步骤 ( 1 ) 用l i f 技术进行c m p 过程可视化研究方法的提出。 ( 2 ) 制作相对荧光强度( 或荧光比) 与溶液温度、“新”“旧抛光液百分比、 p h 值的标准曲线，以保证标定条件下对c m p 实际情况有可参照性。 ( 3 ) l i f 观测实验台的组建。 ( 4 ) 研究各种抛光参数对工件下方抛光液的分布及混合的影响。 1 9 实验基础条件 本课题在浙江工业大学精密工程研究室内进行，该室拥有课题研究所必须的 暗室，加工及检测设备，如n a n o p o l i 一1 0 0 智能型纳米级平面抛光机、s 2 表面粗糙 度检测仪( 如图1 3 ) 、f t - 1 0 0 l d 平面度检查仪( 如图1 4 ) 、晶片厚度检测仪( 如 图1 5 ) 、干涉相衬显微镜( 如图1 6 ) 、a f m ( 如图1 7 ) 、氩离子激光器( 如图1 8 ) 以及加工洁净室。本课题还得到国家自然科学基金( 5 0 4 7 5 1 1 9 ) ，浙江省青年科技 人才培养专项资金( r c 0 2 0 6 6 ) ，浙江省自然科学基金( y 1 0 4 2 4 1 ) 的资助。另外， 浙江工业大学精密工程研究室拥有经验丰富的师资队伍，在课题研究中遇到的任 何问题都得到了及时的解决。 第1 2 页共6 8 页 1 0 本章小结 发胜，并对c m p 加j 。缺点，讨论了奉课题序 论畦 o a述卉 瞄 ，了术行技进的艺及i 嬲的捌 篇怖 汀魁凄筇i 寸蚧啪主耄要吼谍 薹f 删体本c 出盯穰 浙江工业大学硕士学位论文 第二章激光诱导荧光技术( l if ) 2 1 激光诱导荧光概述 激光诱导荧光( l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ，简称l i f ) d s - 4 0 技术是一种新的流 动显示和流动测量方法，自7 0 年代以来一直开展得很活跃。它不仅可以定性揭示 流动的内部结构，而且与数字图像处理技术结合起来，可以进行浓度场、温度场、 压力场以及速度场的测量，发展前景较为广阔。可以说，l i f 技术从用于流动显示 开始，已经历了从定性到定量、从气体到液体、从线测量到面测量等不同的发展 过程，逐步得到改进和完善。在本论文中的大部分结论是运用荧光来测量得到的。 2 2l i f 技术测量原理 选定的荧光物质在激光的激发下吸收特征频率的光子，由基态跃起迁至第一 或第二激发态中各个不同振动能级和转动能级，处于激发态的分子不稳定，返回 基态时发生荧光，这个过程的时间很短。由于低浓度时荧光强度与浓度成线性关 系，因此，可以通过检测荧光强度达到测量浓度的目的。又因为激发和发射之间 存在着一定的能量损失，使荧光谱中存在着斯托克斯( s t o k e s ) 荧光，也就是说 荧光的波长总是大于激发光的波长。利用这一点可以用高通截止滤光片将激发光 和荧光分离，只检测荧光强度，提高测量精度。本论文中所测量的荧光主要就是 斯托克斯( s t o k e s ) 荧光 4 0 l 。 在工件下已存在的抛光液称为“旧抛光液，刚注入工件的抛光液为“新” 抛光液。抛光液在工件下流动时，新旧抛光液量百分比随着时间的变化而变化， 随之“新”“旧 抛光液的浓度也随着时间的变化而变化，因此荧光强度也随之变 化。本文就是通过检测荧光强度达到测量抛光液浓度从而测量抛光液分布，“新 “旧”抛光液混合特性。 第1 4 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 2 3l i f 光学测量技术的优缺点 l i f 光学测量技术有其优缺点 4 0 - 4 6 1 ，见表2 1 所示。 表2 1l i f 光学测量技术的优缺点 优点 局限性 光谱分辨率高并非所有分子与激光相互作用都能发出荧光。 要观察到分子的荧光，就要要求分子的驰豫、猝灭及分子间能量转移速率 高灵敏性 相对辐射速率要小。 需要知道该分子的光谱数据，包括分子光谱的归属和强度因子，如夫兰克 空间可分辨性 康登因子和h o n l l o n d o n 因子。 2 4 液流的可视化测量 液流可视化是显现液流的结构，运用一些标定方法去区分液流某一特定部位 的一种技术。抛光液与一种荧光溶液混合标定，然后注入到一种平常没有标定或 标定另外一种荧光溶液的抛光液中。通过激光照射整个抛光垫，就能判断出已标 定的抛光液在某处且与未标定的溶液如何混合。在本课题的研究中运用液流的可 视化的好处在于：首先，液流可视化是一种简单的技术却可以获得大量的信息。 液流的最重要特征如液流在哪里了，它是怎样传输的，和它在抛光垫上能保持多 久很容易被判定。第二，标准的摄像机随时可以拍摄到液流在任何时刻的荧光图 像，具有很大范围的时间和空间分辨率1 4 7 1 。 液流可视化唯一的不利就是对定性信息有局限性。抛光液的混合，液流的分 布和局部荧光强度都是通过c c d 摄取荧光量来量化的。因此，为了能够量化混合 溶液，在当前研究中这种技术运用双重发射激光诱导荧光( d e l 礤) 来完成。然而， 在陈述这项技术前，有必要对荧光控制方程作个基本了解。 第1 5 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 2 5 基本的荧光方程式 直观地，有一种情况可以直接预知，荧光强度与碰撞在荧光团上的光强度成 正比，同时，也同荧光团吸收的碰撞光数量成正比。同样，由于没有一个系统具 有1 0 0 效率，一个常数因子反应了荧光团吸收光源产生荧光的效率。这曾被写成 如下方程式( g u i b a u l t1 9 7 6 ) 。 ，= 中冰，。木a b s 2 1 ，是荧光强度，是转换率或量子率，。是激发光强度，a b s 是激发光吸收系数。 为了使这个等式更详尽，考虑做一个简单的实例：“用一个激光束穿过装满荧光溶 液的槽 ，得到以下方程式( g u i b a u l t1 9 7 6 ) ： ，p ) = l , a o e ( 2 ) c d l 2 2 z 是激光束穿越荧光水溶液的距离( 透光长度) ，是b 点测得的荧光强度，j c 是 b 点激发光束的光强度，a 是荧光收集系数，是量子效率，讲是沿着激光束路 径的取样体积长度，p 是摩尔吸收率，c 是荧光团的摩尔浓度。量子效率是激 发光子与吸收光子之比，量子效率始终小于1 ，摩尔吸收率g 是一种吸收光强度的 测量方法，单位为升摩尔一厘米。它的值与波长有关。这基本的方程式可以测量 受激光束激发的荧光浓度不均匀溶液任何一点的荧光强度方程式。等式2 2 忽略猝 灭或非常强的荧光源能使荧光团分解洲。 从等式2 2 看，b 点荧光强度是激光束穿越荧光溶液的透光长度函数。因此， 这将是测量荧光强度和解决溶液厚度的一种方法。同样地，由于荧光强度是荧光 团浓度的函数，根据荧光强度的测量，就能得出在荧光溶液中的混合溶液量。此 外，许多染料的荧光强度与p h 值或某些测量混合溶液的标量有函数关系，但这种 从属关系并不明确的表现在等式2 2 中。 虽然等式2 2 是相对简单的，但即使对于单维的情况来讲仍然有些变量，仍然 能够影响荧光强度把荧光强度与一个特定的变量相互关联是复杂的。例如，对 于能产生荧光并与某些被动标量有一定关系的染料在某点受激光束激发后产生的 荧光强度与在该点的被动标量有关。而且激光强度的变动，在溶液中颗粒的反射 或溶液槽边的反射都将影响荧光强度的测量。最终，荧光强度的测量需要对荧光 强度有关的参数进行大量的校准。运用双重激光诱导荧光技术就能消除这些问题。 第1 6 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 2 6 双重发射激光诱导荧光 2 6 1 双重发射激光诱导荧光的原理 双重发射激光诱导荧光( d 衄) 技术依赖于一种染料荧光对第二种染料荧光 校正。如果第二种染料被加到如上面所述的一种简单一维的情况下，第一种染料 的荧光就可以用第二种染料的荧光方程式2 3 来校正。 i l f p ) 一q k 。 1 2 f 够) 岛以k ： 2 - 3 从公式2 3 得知，染料1 与染料2 的荧光强度比值( 荧光比) 不取决于b 点的荧光 强度而取决于物理常数，c ，同时也显示着荧光比并不受激光强度，激光反射或 穿越溶液池的透光长度长短影响。由于荧光比值的相对稳定性就可以在c m p 中用 它来定量描述溶液浓度、体积百分比、温度、p h 值等测量参数的关系。等式2 3 描述了双重激光发射荧光( d e i 腰) 技术是一种理想状态。而事实上对于荧光物质 的选择要考虑多种因素，一般来讲，要注意以下三种光谱性干扰。 首先，如图2 1 所示的第一种光谱干扰就是染料之间放射光谱的重叠。也就是 说，染料l 的一些荧光将出现在染料2 的强度测量范围里。虽然两种染料的放射 峰值之间的距离接近于6 0 h m ，但染料l 放射的衰减区与染料2 的放射峰值重叠。 这暗示着除非使用光学滤镜，否则就有可能错误的把染料l 的荧光作为染料2 的 光，从而降低清晰度。等式2 4 显示了冲突1 两种染料系统的表达式： l l f ) 一 岛) c 。， 了厕2 习硬丽了历蕊 2 4 x ，。代表了在染料2 的荧光强度中染料1 所占荧光百分比。第一种光谱干扰可以 通过选择合适的滤镜把在染料2 中的染料l 的荧光滤除使得干扰最小化。 第1 7 页共6 8 页 浙江工业大学硕士学位论文 5 0 05 p 55 5 05 7 56 0 06 2 56 5 0 6 7 57 0 0 i 炙长( 衄) 图2 i 第一种光谱干扰 第二种光谱干扰如图2 2 显示，染料1 的放射带与染料2 的吸收带重叠。只要 这种干扰中的染料2 吸收带不会随着测量标量( 如p h ) 的改变而改变，这种冲突 就能够被校正。 干扰2 说明了染料2 吸收了染料1 的放射光，从而测量得到染料1 的荧光强 度小于其预计值。根据等式2 2 ，这也意味着，当染料l 荧光被削弱而染料2 不变 时，荧光比值是透光长度这个因素变化的结果( 忽略染料2 浓度和摩尔吸收系数， 它们在均匀分布的染料2 水溶液里被视为恒定的) 。因此，由于染料i 的削弱是透 光长度的函数关系也就知道透光长度可以量化荧光比。 蜊 霞 米 取 靛 罂 4 7 55 0 05 2 55 5 05 7 56 0 06 p 56 5 0 波长( r i m ) 图2 2 第二种光谱干扰 当染料1 穿过吸收媒质，其荧光强度表达式如同等式2 4 。，是在激发点的荧光强 第1 8 页共6 8 页 心鼎求舣韶罂 浙江工业大学硕士学位论文 度，z 是荧光穿过染料2 的距离( 染料2 的c 是常数) ，考虑染料2 对染料1 发 射荧光的吸收，等式2 4 就变成了 0 泐一与( p 冠犯电毋g 娟) f 0 泐乞( 犯呜 由于染料1 不吸收染料2 的