（机械制造及其自动化专业论文）化学机械抛光中抛光垫的作用研究.pdf

摘要 摘要 目前化学机械抛光广泛应用于衬底晶片和多层布线的层间平坦化加工中。抛 光垫是化学机械抛光( c m p ) 系统的重要组成部分，具有贮存抛光液，并把它 均匀运送到工件的整个加工区域等作用。抛光垫的性能主要由抛光垫的材料性 能、表面结构与状态以及修整状态等决定。目前，化学机械抛光中抛光垫的作用 还缺乏系统的研究和能够指导生产应用的理论依据。本文通过理论研究与实验分 析相结合，对化学机械抛光中抛光垫特性进行系统研究。 本文首先基于随机表面的g w 接触模型和赫兹弹性理论分析了抛光垫与晶 片的接触情况，从单颗磨料的磨削作用出发，推导出抛光过程中材料去除率的数 学模型。研究结果表明，抛光垫性能对抛光效率有较大影响，抛光垫硬度越大、 弹性模量越大，材料去除率也越大；抛光垫表面微凸峰越多、尺寸越大，材料去 除率越大。 分别采用聚氨酯抛光垫、聚四氟乙烯抛光垫、无纺布抛光垫抛光钽酸锂晶片， 研究抛光垫材料性能对抛光效果影响。相比于聚四氟乙烯抛光垫、无纺布抛光垫， 聚氨酯抛光垫硬度适中，表面存在许多均匀的微孔，抛光性能较好，在抛光压力 6 7 k p a ，抛光盘转速4 0 r p m 时获得了表面粗糙度o 0 6 6 “m 、材料去除率 2 6 4 珊m i n 的较好抛光效果。抛光垫表面沟槽结构、厚度、浸水情况等对化学 机械抛光过程有着不同影响。抛光垫表面开有放射型槽时材料去除率最大，开环 型槽时晶片表面粗糙度最小。1 5 咖厚的聚氨酯抛光垫有较好的综合抛光性能， 抛光垫浸水后材料去除率有所提高。 抛光垫使用过程由于磨损性能下降，抛光垫修整是恢复抛光垫特性的重要手 段。本文针对所用抛光机研制一台可实现在线修整的抛光垫修整装置，并实验研 究了不同修整器、修整压力、修整时间、修整转速等参数对抛光垫的特性从而对 化学机械抛光过程的影响，并总结出了最佳修整工艺参数。结果表明：修整能明 显提高抛光效率和抛光质量。离线修整时在修整压力9 k p a 、修整时间4 5 m i n 、修 整相对转速为1 2 0 r p m 时修整效果最好。在线修整比离线修整效果好( 材料去除 率提高1 6 4 ) 。在线修整时，修整时间及其间隔对抛光效果有重要影响。 关键词：钽酸锂晶片：化学机械抛光：抛光垫；修整 ；：! 三些：i ! ! ! 圭! 篁! ! ：i a b s t r a c t a tp r e s e 盹c h e r n i c a lm e c h 枷c a lp o h s h i n g ( c m ) i sw i d e l yu s e di n 山en a m e s sp r o c e s so f p 0 s h i n gs u b s t r a t ea 1 1 d 讪m e v e li i l t e r c o n e c d o n s p 0 1 i s h i i l gp a di sak e yc o r n p o n e mo fc m p s y s 把m nc a i ls t o r em ep 0 1 i s h i n gs l u r r ya n dd e u v e r “t o 廿l ew a f e rw o r 岫i e c ee v e n i yt h e p e r f 0 衄a n c e so fp a da r ed e 枷n e db yt y p ea l l dp m p e r t i e so f 砥删a l ，t i l es l l r f a c es u c 吡e a n ds t a t e a n dt h es 诅t eo fc o n d i d o n i l l g ，e t ch o w e v e 山ef 吼c t i o no fp a di sn o tw i d e l ys t i l d i e d ， 柚d 血e o r e d c a lf o l l l l d 撕伽吐1 a tc 蛐9 1 l i d et h ep r o d u c 劬n 叩皿c 撕o ni si n s u f f i c i e n t b a s e do n 血e 廿l e o r e d c a lr e s e a r c h 锄de x p e r i n l e n t a l 锄a l y s i s ，山ep r o p e r 【yo fp o s m n gp a di ss t i l d i e d s y s t e m 撕c a l l y 血i l l ep 印“ b a s e d0 n 山eg wc o m a c tm o d e la dh e n z 山e 0 吼m ec o n 诅c ts 咖sb e 御e e np o u s l l i l l gp a d a 1 1 dw a f e ri sa n a l y z e da tf i r s t am a 山e m a n ci n o d e lo fm a t e r i a lr e m o v a li np 0 1 i s h i l l gi so b t a i n e db y i n e a n so f 血eg 血d i n ga c d o no fs i n ea b r a s i v e t h er e s u l t so fs t i l d yi i l d i c a 【e 血a t ，p o b s h i n gp a d p e r f b 衄吼c eh a sg r e a ti n f l u e n c eo np o h s h i l l ge m c i e n cy 山eh a r d e r 山ep o u s h i n gp a d ，t 1 1 e1 a r g e r 山ee l a s d c i t ym o d u l u s ，h e n c e ，t h el i i g h e rm er e m o v a lr a t e ( m r r ) o fp o s h i t l g ；山em o r er i l i “o p e a ki 1 1 吐1 es u r f a c e 如d l el a 唱e rs i z e ，山el l i g h e rt | i er e m o v a lr a t e ( m r r ) o fp o u s l l i i l g t o s m d y 血ei n n u e n c eo f p a d m a t 嘶a 1o n p o l i s h i r i g e f f e c ti 1 1 p o b s l l i n g ， p o l y t e 劬n u o r o e t l l y l e n ep a d ，n o n w o v e nf 曲r i cp a da i l dp o l ”r e t l l a i l ep a da r es e l e c t e d c o m p a r e d w i t l lp o l y t e 砌u o r o e m y l e n ep a da i l dn o n w o v e nf a b r i cp a d ，t h ep o l ”r e t h a n ep a di s 鲫) d e r a t ei n h a r d n e s s ，a 1 1 d 山e r ee x i s ts o l t l ee v e nr n i c r op o r e s ，t h e r e f o r e ，山ep o 扛s h i n gp e r f o m l a i l c ej s 删c h b e t t c r l m ep o l i s hp e r f o 衄肌c eo f p o l m 廿1 a n ep a di sb e n e rw h e np 0 1 i s l l i i l gp r e s s u r ei s6 7 心aa n d r o t a 血gs p e e do fp a di s4 0 r p m t h et h i c k n e s so fp a d ，m es m l c m r eo f 孕o o v eo np a ds i l r f a c e ，a n d s t a t eo fm p p e di n t 0w a t e rh a v ed i 骶r e n ti n n u e n c e 伽m ec o u r s eo fc m pt h em a ) 【i n l u mm t e r i a l r e r o v i i l gr a t ec a i lb eg o tw i 血t 1 e 础a 血gt y p eg m o v e s ，w l l i l e 山e 劬血哪r o u g h n e s sc a nb e g o tw i t l lt h er i n g 呻eg m o v e s a j l dt h ep e r f o 咖a c eo f p o l y u r e t h a l l ep a d 州血1 5 r r l mt h i c ki sb e s t m a t e f i a lr e 1 0 v i n gr a t ew i u s ew h i l et 1 1 ep a dd i p p e di n t ow a o e r t h ep a p e rr e s e a r c h e dt l l ee f f e c to fp a dc o n d i d o n i n gt h r o u g ha1 0 to fe x p e r i r n e m s ，i n c l u d i n g t t l ee f i b c to fc o n 出n o n e lc o n d i n o n i n gp a r a r r 屺t e r s o b t a i 】dm e 叩山n u mp a r a m e t e r ss u c ha s c o n d i t i o i l i n gp r e s s u r e ，c o n d i n o i l i n g 岫ea 1 1 ds oo n c o n d i n o n i n gc 柚i n l p r o v e sm ep o u s t l i i l gr 叫t e i i a b s t r a c t a l l dq u a l i 吼i 1 1 - s i t i l a d o nc o n d i d o l l i l l gi sb e t t e rt h a ne x - s i m 撕o nc o n d i 廿0 1 1 i n g p a dp e r f b m a n c e d e c u n ed 曲gm ep o h s h i i l gp r o c e s s ，p a dc o n d m o n i n gi sag o o dw a yt or e n e w 妇p e r f b r i n a i l c e t h ep a p 村d e s i g n e da l l dm a n l l f a c t i l r e dac o n d i d o n i i l gd e v i c e t h ed e v i c ec a nd oi n p r o c e s s c o n d i d o l l i l l g s m d i e dt t l ee 伍e c to fc o n d i d o n e lc o n d i 廿o n i n g p r e s s u r e ，c o n d i d o n i n gd 眦， c o n d i d o n i n gs p e c do np a dp e r f o n a n c ea i l dp o s l i i l l gr e s u l t p 叩e rg o tm eb e s tc o n d 城o n i n g p r o c e s sp a r 锄e t e r s w h e nc o n d i d o n i i l gp r e s s u r ei s9 k p a ，c o n d i d o n i n g6 i n ei s4 5 i i l i n ，c o n d i d o n i n g s p e e di s1 2 0 r p 札e 1 1 ep o h s h i n gr e s u l tw i l t io 群p r o c e s sc 彻d i o n i i l gi sb e s t i i i p r o c e s sc o n d i t i o n i l l g i s 血a no m p r o c e s sc o n d i n o n i i l g ( m r re i l l l a l l c e1 6 4 ) t h ec o n d m o i l i n g 血l ea r i di n t e r v a lh a v e i m p o 舳te f f e c to nc o n d i d o i l i n g k e y w o r d s ：t a n t a l u ml i t h j u mw a f e r ；c h e i i l i c a lm e c h a i l i c a lp o l i s h i n g ： p o h s h i n gp a d ；c o n d i t i o n i n g i 广东工业大学硕士学位论文 符号说明 p ：抛光压力 f ：接触体所受外载荷 吼：表面粗糙度m 品足：材料去除率 口：材料泊松比 日：材料硬度 e ：材料弹性模量：综合弹性模量 r ：磨料半径a ：接触圆半径 r ：抛光垫表面微凸峰半径 占：两接触体相互接近的量 s ：抛光垫面积也：抛光垫与晶片真实接触面积 p ，：抛光垫密度 目：抛光垫表面微凸峰密度 k ：综合影响系数j 0 ：p r e s t o n 系数 矗：磨料与晶片的接触面积6 磨粒的体积 c ：油膜承载能力g ：承载量系数 f ：流体动力粘度 d 最小油膜厚度 c d ：修整密度 修整砂轮的径向往复速度 n j ：抛光盘转速 啦：修整砂轮转速 西俐：抛光垫表面微凸峰分布函数a ：抛光垫表面微凸峰标准差 x ：抛光液中磨料的体积密度q ：抛光液中磨料的面密度 j ：抛光液中磨料的线密度 工抛光液中磨料的体积密度 仉工件与抛光垫问的平均相对线速度 d ：晶片与抛光垫微凸峰中线面之问的距离 4 k ：单位时间单颗磨料的材料去除量 i v 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着科学技术的迅猛发展，半导体产业的战略地位越来越重要，它己成为与 国民经济、国防建设、人民生活和信息安全息息相关的基础性、战略性产业。目 前，以集成电路( i c ) 为基础的电子信息产品的世界贸易额已超过1 万亿美元， 且全球需求量逐年攀升，已成为世界第一大产业【l 】。我国是半导体消费大国，但 相应的半导体制造业起步较晚，目前还存在较大的技术空间和数量空问，正处于 蓬勃发展的新时期【2 3 】。 半导体产业的发展主要表现在两个方面：一是不断缩小的特征尺寸，以满足 微型化、高密度化的要求；二是不断扩大的晶片直径尺寸，以增加i c 芯片产量， 降低单元制造成本。1 9 9 9 年制定的国际半导体技术发展规划( t t r s ) 给出了1 9 9 9 年o 1 8u m 工艺中的多层布线要求为6 7 层，2 0 0 5 年o 1 0 u m 的多层线目标是 8 9 层，到2 0 1 1 年的o 0 5um 工艺的布线层数将达到9 l o 层，如表1 1 【4 】。特 征尺寸的不断缩小的对晶片表面的质量提出了苛刻的要求，要求亚微米级平整 度、纳米级表面粗糙度和高表面完整性。晶体表面若存在微小缺陷，都将破坏晶 体材料表面性能，甚至导致结晶构造的变化，影响元件的频率精度和频率稳定性。 表1 1 1 9 9 9 r r r s 半导体技术要求 1 曲l e l 一1 1 9 9 9 t ss e i i l i c o n d u c t o rt e c h n o l o g yp r o g r e s s 4 1 目前，为了获得晶片的纳米级超光滑表面，业内普遍采用化学机械抛光( c m p ) 技术。c m p 原理是利用抛光液中化学成分对晶片表面的腐蚀和超细磨料的机械 广东工业大学硕士学位论文 磨削共同作用实现对材料的高效去除，从而获得超精密表面。该方法最大优点是 能在全局范围内实现晶片平坦化，同时有效减小表面粗糙度获，很大程度上减少 了因片内不均匀性( w i t l l i n w a f e rn o n u l l i f o m 埘) 导致的不良品。 化学机械抛光系统由工件夹持装置、承载抛光垫的工作台和抛光液( 浆料) 供给系统的三部分组成，如图1 1 所示。 工件夹具 晶片 图卜l 化学机械抛光工作示意图”1 f i g 1 1s c h e m a 虹co f c m p l 2 j 液系统 光垫 盘 化学机械抛光时，旋转的工件以一定的压力压在随工作台一起旋转的抛光垫 上，由磨粒和化学氧化剂等配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，反应生成的薄膜层物质随后由磨粒的机械磨削作用去除，从而高 效获得光滑表面。理论上，当化学作用和机械作用达到平衡时能获得最好的抛光 效率和质量。 作为c m p 系统关键部件之一的抛光垫对抛光效率和抛光质量有着重要影 响。在c m p 中，抛光垫具有贮存抛光液并把它运送到工件的整个加工区域、维 持抛光所需的机械和化学环境、传递材料去除所需的机械载荷等作用吲。抛光垫 的力学性能如硬度、弹性模量等对抛光垫的变形产生重要影响。抛光垫的表面组 织特征如微孑l 形状、孔隙率、沟槽形状及分布等因素对抛光液在加工区域的流动 及其分布等产生重要影响，从而影响抛光质量和效率。因此，研究抛光垫的特性 ( 组织特征、力学性能等) 对抛光过程的影响规律，对探索理想抛光垫的结构， 提高c m p 抛光效率和表面材料均匀性去除，实现高效超精密抛光具有重要的意 义。 抛光过程中抛光垫使用一段时问后，由于磨损性能会下降，抛光垫修整是恢 复抛光垫特性的重要手段。c m p 的消耗材料占c m p 总费用的7 0 左右，预计每 第一章绪论 年平均以1 9 的速度增长f ”。抛光垫是消耗材料中的重要组成部分。对抛光垫进 行修整能有效延长抛光垫的使用寿命，提高抛光效率，降低总费用。 但目前理论上缺乏对抛光垫在c m p 过程作用较完全的认识，实践上在大多 数应用场合抛光垫结构、材料都是根据经验选择的。本文对c m p 过程中抛光垫 进行系统研究，对于提高c m p 的水平，推动功能晶体材料的发展和应用有着重 要的理论意义和经济效益。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 抛光垫材料种类及其性能 一般来说，抛光垫根据其软硬程度和表面绒毛结构可分为含绒毛少的硬质抛 光垫和含毛绒较多的软质抛光垫。一般粗抛过程为提高抛光效率用硬质的抛光 垫；精抛过程由于要求的材料去除量少，表面质量要求高，多用软质抛光垫。抛 光金属时用多孔渗水性的抛光垫；抛光氧化物时用较硬的抛光垫【8 】。 常用于化学机械抛光的抛光垫根据材料表面微观结构又可以分为四类：( 1 ) 由浸渍过的聚酯毛毡组成；( 2 ) 由多孔性合成革组成：( 3 ) 由多孑l 聚氨酯组成： ( 4 ) 由无孔聚氨酯组成，其特性见表1 2 ，表面特征见图1 2 9 】 表1 2 四种c m p 抛光垫的结构和特性研 t a b l e l 2k e yf e a m r e sa 1 1 dp r o p 硎e so fd i 旋r e n tc m p p a dt y p e s 【9 】 第一种第二种第三种第四种 毛毡纤维混合在多孔薄层附在表面没有微孔的 组成材料微孔聚氨酯 聚合物基体里面合成革基板上聚氨酯板，有沟槽 纤维之间互相垂直方向上微 微观结构闭合微孔单元无 连续孔开放 容纳抛光 中局低很小 液能力 压缩性中高低 非常低 硬度中低高非常高 s u b a 7 mp o t e x t mi c l 0 0 0 o x p 4 0 0 0 t m 举例 s 1 i v 7 1 1 1 m s u r 丘n t m f x 9 t mn c p 1 7 m 钨c 但d c m p ，s n ， 典型应用钨c m p几d c i p ，s t i c m p 后抛光互连金属抛光 广东工业大学硕士学位论文 ( a ) 第一种类型抛光垫表面 ( s u b a t m ) ( c ) 第三种类型抛光垫表面 ( i c l 0 0 0 t m ) ( b ) 第二种类型抛光垫表面 ( p o u t e x t m ) ( d ) 第四种类型抛光垫表面 ( o x p 4 0 0 0 t m ，表面有沟槽) 图1 2 四种抛光垫的表面特征9 1 f i g 1 2s u r f a c ep r o p e m e so ff o l l rt ) ，p e 8p a d 【9 1 上面四种c m p 抛光垫中，硬度最低的第二种抛光垫主要用于对平面度要求 不是很高的场合；硬度最高的第四种抛光垫用于对平面度要求极高的场合，如浅 沟道隔离( s t i ) 抛光。应用最广泛的是美国r o d e l 公司生产的i c l 0 0 0 和s 切3 a 系列抛光垫( 第三种和第一种) 。i c l o o o 抛光垫由多微孔渗水性的聚氨酯材料 组成，表面有许多空球体微孔封闭单元结构。s u b a 抛光垫由浸渍过的聚酯 毛毡纤维混合而成，质地相对较软，表面相对粗糙，容纳抛光液的效果较好。 另一种抛光垫是由i c l o o o 和s u b a 叠加在一起组成的复合抛光垫，上层 是较硬的i c l o o o ，下层是较软有弹性的s u b a 层 ，如图l 3 所示。这种抛 光垫兼有i c l 0 0 0 和s u b a 的优点，储存抛光液的效果较好，s u b a 的底层 可增加抛光垫的压缩性。抛光垫压缩性小时，抛光垫主要与工件表面凸起部分接 触，有利于抛光效率的提高。但对于整个工件，抛光垫应该与工件均匀接触，这 样有利于工件整体一致性去除从而获得较好平面度，因此，这种双层抛光垫能兼 第一章绪论 顾平坦性和均匀性的要求。z s t a v r e v a 等人分别用i c l 0 0 0 和i c l o o o s u b a 对铜进行了抛光对比实验，结果表明用i c l o o o ，s u b a 抛光垫抛光效率更高， 得到的工件平面度也更好。 图1 3i c l 0 0 0 s u b a 抛光垫的微观结构 f i g 1 3 t h et t l i c r o c o s l i l i cs 眦t i l r eo f i c l 0 0 0 ，s u b a p a d 【1 叫 1 2 2 抛光垫的物理机械性能对抛光效果的影响 抛光垫的物理机械性能很大程度上决定了其抛光质量和效率。评价聚氨酯类 高分子材料物理机械性能的指标有硬度、弹性模量、储能模量、损耗模量、剪切 模量、玻璃化转变温度t g 等。 ( 1 ) 抛光垫硬度及其对抛光过程的影响一般说来，硬度高的抛光垫，抛 光效率高，能够达到要求的平整度，但是抛光过程中可能引起晶片表面划伤，特 别是当抛光压力较大时，可能带来严重的表面损伤。硬度低的抛光垫能减少表面 的划伤，但柔软的抛光垫不利于晶片平整度的提高。 j h c h o i 等人【l0 】使用有限元分析的方法研究了抛光垫的硬度对抛光后晶片 均匀性的影响，对i c l o o o ，s u b a 叠层抛光垫而言，上层i c l 0 0 0 的硬度越大： 抛光后晶片片间非均匀性( w i m i nd i en o n u n i f o n l l i t y ) 越大，硬质层越厚，抛光后 晶片片内不均匀性越小，这些研究为设计理想的叠层抛光垫提供了理论基础。 d b j 锄e s 对r o d c l 公司的i c l o o o 、i c l 4 0 0 、i c 2 0 0 0 系列聚氨酯抛光垫的 各项特性进行了综合检测，发现抛光垫硬度、储能模量与密度近似成线性关系， 密度越大，硬度越大。i c l o o o 抛光垫的各项特性参数均高于i c 2 0 0 0 抛光垫，用 广东工业大学硕士学位论文 i c l 0 0 0 抛光垫抛光时对工件的材料去除率最高。 ( 2 ) 抛光垫材料的各项模量及其对抛光过程的影响弹性模量和剪切模量 对抛光垫的工作性能有重要影响。弹性模量高则抛光垫对所加载荷的承受能力 强，剪切模量高则有利于抛光垫抵抗旋转力。y s e 等人【“1 用人造纤维垫、尼 龙织布垫和耐腐蚀的化学纤维垫分别对铜进行抛光，发现用弹性模量和硬度最高 的尼龙布时，抛光效率最高。 粘弹性材料的应力与应变之间的准确关系需用复变模量来表示。复变模量的 实数部分表示物体在变形过程中由于弹性变形而储存的能量，叫储能模量，它反 映材料变形时的回弹能力。复变模量的虚数部分表示变形过程中以热的形式损耗 的能量，叫损耗模量，它反映材料形变时内耗的程度【1 4 】。动态热机械分析仪 ( d m a ) 可以测定这两个参数。测量时，使抛光垫处于程序控制的温度下，并 施加随时间变化的振荡力，对抛光垫进行拉伸和压缩，研究抛光垫的机械行为， 测定其储能模量、损耗模量和损耗因子随温度、时间与力的函数关系。储能模量 高说明材料在受力变形后恢复形变能力强，不易老化，损耗模量高说明材料变形 后其粘性增加，容易老化。h l u 等人用d m a 法对i c l o o o 抛光垫和s u b a 抛光垫进行了测量，发现i c l o o o 抛光垫比s u b a 抛光垫的储能模量高，这说 明i c l o o o 抛光垫耐变形能力强，寿命长。同时发现储能模量高的抛光垫抛光效 率高。 1 2 3 温度对抛光垫性能的影响 玻璃化转变温度l 是指聚合物的大部分大分子开始摆脱原子束缚做布朗运 动时的温度，它可以反映抛光过程中抛光垫表面材料分子结构的变化情况。研究 表明，i c l o o o 抛光垫的玻璃化转变温度l 较低( 6 5 。c 左右) ，因此抛光过程中 局部产生的高温会使抛光垫表面发生结构变化，发生化学降解。抛光垫用j 口后玻 璃化温度变高，这是机械作用( 抛光垫的磨损) 而非化学作用引起的 1 ”。 a t e r 譬u b 【1 6 等人用d m a 法研究了抛光垫的温度特性，发现在温度从2 5 一 升至5 0 时，抛光垫的储能模量减小了3 1 ，模量的减小导致材料硬度的变化， 从而影响抛光垫的抛光性能。 w l i 【1 ”、k a c h u t h a n 等人研究发现，温度升高( 抛光液从4 0 。c 增大到8 0 ) 6 第一章绪论 时，抛光垫的动态剪切模量减小，且i c l o o o 抛光垫比s u b a 抛光垫减小趋势 快；抛光时材料去除率提高，但晶片平面度降低。这主要是由于温度变化引起抛 光垫表面物理特性的变化( 主要是高温软化) 而引起的。 温度变化的另一方面来自摩擦产生的摩擦热。l b o m c k 、a l m o y 等人 研究了抛光过程中摩擦热的产生、传递和变化。 1 2 4 抛光垫制备过程对其性能的影响 抛光垫制各过程对抛光垫的物理特性有重要影响。制备聚氨酯抛光垫时化学 反应极其复杂，其基本反应式为2 1 】： 多羟基化合物+ 异氰酸盐= 聚氨酯 从聚氨酯材料化学组成上看，聚氨酯抛光垫可看作由柔性链段和刚性链段交 替连接而成的交链状聚合物。柔性段能增加抛光垫的表面粗糙度和柔软性，刚性 段能增加抛光垫的高温特性。交链度的大小直接关系到聚合物的硬度和弹性模 量，交链度大，硬度高，软化温度也高。柔性段与刚性段的比例、链接单元的刚 性以及分子量等直接影响抛光垫性能【2 ”。 通过控制反应物浓度和反应温度等工艺参数来可以得到不同交链度和分子 量的聚氨酯，从而获得性能不同的抛光垫。v k s h a h 2 习研究了抛光垫制备过程中 各工艺因素( 时间，压力等) 以及反应物浓度等对最后抛光垫硬度、密度等性能 的影响。制备时烘烤温度高，抛光垫的玻璃化转变温度也高，硬度、弹性模量也 增高 1 2 】，如表1 3 所示。 表1 3i c 2 0 0 0 抛光垫各项特性数据呲1 t a b l e l 一3p r o p e n yd a t ao fi c 2 0 0 0p a d 【1 2 】 制造时烘制条件 特性低中向 密度( g ，c m l 3 ) 1 1 8 31 1 8 4l _ 1 8 4 硬度( 肖氏d ) 7 0 57 1 27 3 9 屈服强度( p s i ) 4 2 6 54 5 8 05 2 4 0 拉伸强度( p s i ) 9 2 4 09 0 0 09 8 6 8 伸长率( ) 3 4 0 3 2 02 5 0 玻璃化温度( 。c ) 6 56 87 7 模量( p a ) 7 5 7 e 88 0 6 e 81 0 5 e 9 至三些奎兰至兰兰堡丝兰 1 2 5 抛光垫结构及其对抛光效果的影响 ( 1 ) 表面微观结构抛光垫的表面微观结构主要有微凸峰和微孔。微孔尺寸 通常在0 2 0 5 i m 左右，微孔有封闭和敞开的，这些微孔能起到储存抛光液、 收集加工去除物、以及保证化学腐蚀等作用。微孔尺寸越大，其运输能力越强， 但太大会影响抛光垫的密度和刚度。微孔的密度( 孔隙率) 对抛光效果有影响。 吴雪花的研究表明矧：若孔隙率在o 3 1 2 之间，则抛光时材料去除率很小，抛 光后硅片表面粗糙度很大；当孔隙率在1 2 一1 7 之间时，随着孔隙率的增加，材 料去除率增加，抛光后硅片表面粗糙度减小；当孔隙率大于1 7 时，随着孔隙 率的增加，材料去除率减小，抛光后硅片表面粗糙度增加。 抛光垫的表面粗糙度对材料去除率有着直接的影响。粗糙的抛光垫表面有利 于提高材料去除率，这是因为粗糙的抛光垫表面可储存更多的抛光液，同时抛光 垫与工件表面的接触面积减小，作用在单颗磨粒 二的力增大，单颗磨粒的材料去 除体积增大。优选抛光垫表面粗糙度可在提高抛光效率的同时获得无损伤层的工 件表面。当抛光垫表面粗糙度很小时，抛光垫与晶片之间的摩擦力很小，材料去 除率不明显，随着表面粗糙度的增加，抛光垫与晶片之间的摩擦力明显增加，材 料去除率也增大，当表面粗糙度增大到一定值( 7 o um ) 后，摩擦力趋于稳定， 表面粗糙度也不会再增加反而有轻微下降2 3 1 。 ( 2 ) 表面沟槽结构抛光垫表面有平整型和带有不同沟槽型两大类。对于 表面开有沟槽的抛光垫，其储存、运送抛光液的能力显著增强，抛光中磨料分布 更均匀、工件表面剪切应力更高，因此抛光效率得到提高。抛光垫表面沟槽形 式有网格型、放射型、同心环形、螺旋型等多种形式。沟槽截面形状有矩形、v 型、u 型等。最常见的是同心圆状的沟槽。沟槽分布形式、沟槽尺寸( 深度、宽 度和间距) 等对磨料的分布和流动、抛光垫的寿命有着显著的影响。a i k g l l b 等人在沟槽方向对c m p 抛光机械去除的影响进行了研究，发现开纵向槽时抛光 垫有最高的刚度，加工时去除率最高【2 4 1 。 s h u e y 等人【2 5 】采用表面开有不同深度槽的两种i c1 0 0 0 抛光垫进行了抛光 实验，其中一种抛光垫的表面有深度为o 1 2 7 0 3 8 l r r 吼从中心到边缘的沟槽，另 一抛光垫表面沟槽的深度为0 3 8 1 i m ，如图l 一4 所示。研究发现：抛光垫表面开 槽后，抛光效率有明显提高。当整个抛光垫表面的槽深足够时，槽的深度对抛光 第一章绪论 过程没有明显影响，抛光垫沟槽损耗前都可以稳定地作用。 ( a ) 从中心到边缘槽深为o 1 2 7 一o 3 8 1 m m ( b ) 槽深为o 3 8 1 m m 图1 4 表面开有不同深度槽的i c l o o o 抛光垫”1 f i g 1 _ 4i c l 0 0 0p a d s 丽mg m o v e 2 5 1 d r y e o m a n s 等人2 叼研究了四种不同沟槽的抛光垫( 双纽线槽抛光垫、对数 正旋螺旋线槽抛光垫、对数负旋螺旋线槽抛光垫、平抛光垫) 的抛光性能，通过 研究抛光垫与晶片的摩擦，发现对数负旋螺旋线槽抛光垫有最高的摩擦系数，因 而抛光时有最高的材料去除率；而双纽线槽抛光垫摩擦系数最低，抛光时材料去 除率也最低。t k d o y 2 7 1 等人研究x y 网格型槽、双纽线槽、渐开线槽、对数槽 抛光垫的抛光性能，并建立了相应的数学模型，发现双纽线槽抛光效率最高，渐 开线槽效率最低。 g p m u l d o w n c y 嘲对沟槽抛光垫中磨料的运动速度进行了模拟，发现在沟槽 处磨料的运动速度比无沟槽处明显大，沟槽深度和宽度对沟槽里磨料速度的影响 较大，特别在抛光压力较大时这种影响更为显著。 1 2 6 抛光垫的修整 抛光垫用过一段时间后，其表面材料会发生所谓的冷流动，导致抛光垫表面 的小块凝聚( 胶合) ，表面变光滑，存储运输磨料的能力降低，加工效率和质量 会下降。对抛光垫进行适当的修整可以提高抛光垫表而粗糙度、延长使用寿命、 提高加工质量和效率。但修整会加剧抛光垫的磨损。 通常抛光垫何时进行修整由以下方法判定： 1 ) 对于聚氨酯材料抛光垫，参考r o d e l 公司提供的聚氨酯系列抛光垫使用 寿命及修整数据，此参考数据通常为每片抛光热可抛光的晶片数； 2 ) 依据各厂商本身使用的经验法则； 3 ) 从工艺特性指标来判断。例如工件材料去除率的严重降低，表面质量的 严重下降等。 9 广东工业大学硕士学位论文 修黎工具可为金刚石砂轮修整器、金刚石笔、砂纸带等。金刚石砂轮修整器 由于修整效率高，修整后抛光垫平面度较好的优点而得到广泛应用。m b u b l l i c k 【2 9 1 研究发现中金刚石颗粒的大小和形状及其分布能显著影响金刚石砂轮修整器的 修整效率。廖运炫蜘对金刚石笔修整器进行了研究，发现金刚石切屑角在负5 5 。 时切削能力最强，为了得到较高的隆起率( 定义为抛光垫表面隆起高度与切痕深 度的比值) 和较少抛光垫材料去除量，采用尖点朝上的金刚石较好。同时发现隆 起率主要与压入深度( 所加载荷) 有关，而与相对速度关系不大。 b j h o o p e r 等人 3 l 】用金刚石砂轮修整器修整抛光垫，采用三坐标测量仪测量 修整后抛光垫厚度，二维表面轮廓测量仪测量修整后抛光垫表面粗糙度，扫描电 镜对抛光垫表面形貌进行观察，得出了以下结论：抛光垫中间部分胶合厉害，因 此要用高密度修整；修整密度大的地方，在修整中不易再出现胶合现象；旧抛光 垫修整后其抛光性能仍难及新抛光垫。 k a c h u t h a n 【1 司分别采用在线修整和离线修整技术对抛光垫进行修整实验，发 现修整后能保持稳定材料去除率和工件平面度；在线修整时工件材料去除率比离 线修整时高( 提高了1 5 2 0 ) ，工件平面度也较好，但加工后工件表面微观缺 陷较离线修整多。 y y z h o u 等人【3 2 1 对修整中抛光垫的形状变化进行了研究，发现修整后抛光 垫表面呈凹形，从而抛光后晶片表面呈凸形，且弯曲度随修整时问增加而增加， 如图1 6 所示。用p r e s t o n 方程对抛光垫的磨损去除进行理论分析计算发现，抛 a ) 修整6 0 sb ) 修整3 6 0 s 图1 6 抛光垫不同修整时间后晶片抛光后表面形状铷 f i g 1 6w a f e rs 曲c ea r e aa f t e r p 0 1 i s l l i i l g w i md i 溉呦t p a dc 蚰m n o i l i i l g n 眦口却 第一章绪论 光垫与修整轮之间的摩擦力矩是引起变形的主要原因，但计算结果与实验不吻 合，这可能是计算中忽略了其他一些因素所致。 总而言之，国外在化学机械抛光垫方面进行了许多研究，对抛光垫的应用有 一定的指导作用，但多偏重实验研究，在理论研究上还有待深入，主要存在以下 几个方面的问题：( 1 ) 缺乏对抛光垫的磨损机理的分析；( 2 ) 抛光垫表面微孔的 作用研究；( 3 ) 抛光垫表面沟槽对抛光过程的理论分析：( 4 ) 抛光垫修整结果的 理论分析。国内还没有对抛光垫进行深入研究，国内生产的抛光垫其耐磨性、表 面微孔的均匀性、抛光性能、使用寿命等方面均与国外有较大差距【3 3 】。在抛光垫 的修整方面研究较少，制造工艺与产品的多样性也有待进一步提高。因此，不论 在理论上，还是实际应用需求上都有必要对抛光垫对化学机械抛光过程的影响进 行更深入的研究。 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 广东省科技计划项目( 2 0 0 2 c 1 0 2 0 2 0 1 ) ：新型光电子单晶材料超光滑表面加 工产业化关键技术：广东省自然科学基金项目( 0 2 0 1 4 3 ) ：光电子材料无损伤镜 面抛光技术及其机理研究；留学回国人员科研启动基金项目( 教外司 2 0 0 3 1 4 号) ：新型光电子元件基片高效超精密抛光技术研究。 1 3 2 主要研究内容 本文对钽酸锂晶片化学机械抛光过程中抛光垫的特性进行研究。研究内容主 要包括： 1 抛光垫与工件的接触作用模型。基于赫兹弹性理论分析抛光垫与晶片、 磨料之问的接触情况，理论分析各因素对化学机械抛光过程中材料去除率的影 响。 2 抛光垫特性对抛光过程的影响。研究抛光垫材料、厚度、浸水情况、表 面沟槽结构等因素对抛光效率和质量的影响。 3 抛光垫的修整研究。研究抛光垫的修整方法、修整装置，不同修整器的 ：；! ；三些i i i ! ! 圭i 竖! ! ： 修整性能，修整工艺参数对抛光垫的表面形貌从而对抛光效果的影响，获得了离 线修整和在线修整两种方法时的最佳的修整参数。 结论与展望：总结全文的研究成果。 第二章抛光垫与工件问的接触作用模型 第二章抛光垫与工件间的接触作用模型 本章基于随机表面的接触原理及赫兹理论，考虑抛光过程中抛光垫的硬度、 弹性模量、表面状况等因素，建立了抛光垫、工件以及磨料三者之间的接触作用 模型，通过对单颗磨料的机械磨削作用分析，建立了抛光过程的材料去除率模型， 分析了抛光垫特性对抛光过程的影响。 2 1 随机表面的接触模型及赫兹理论 在抛光过程中，将抛光垫看作弹性体，工件( 晶片) 看作刚性体，两者的接 触视为弹性接触。由于抛光垫表面粗糙度较大，两者不可能发生完全接触，而是 在某些凸起的微凸峰处发生接触。 2 1 1 随机表面接触的g w 模型3 5 工程实际中，极难见到微凸峰相同且有规律排列的粗糙表面接触情况。绝大 部分粗糙表面的微凸峰都是随机分布的，包括微凸峰的形状、高度、峰顶曲率半 径、峰的密度等都是随机分布的。近年来，研究人员将经典接触力学和统计学原 理结合起来，研究随机表面的接触3 5 1 。 粗糙表面接触模型中应用最广，最著名的是g w 模型。j a g r e e n w o o d 和 j _ b p ：w m i a m s o n 在1 9 6 6 发表的沦文划中基于对许多工程粗糙表面的观察，发现 绝大多数工程材料的表面微凸峰及其高度近似服从高斯( 正态) 分布，并做如下 假设： 1 微凸峰相接触时，其变形相互独立； 2 微凸峰在峰顶处为旋转抛物面，且具有相同的曲率半径r 。 设微凸峰密度函数为西( z ) 。研究光滑表面与粗糙表面接触的情况。根据弹 性理论，可以把上表面( 晶片) 当成刚性表面，把下表面( 抛光垫) 当成弹性体， 如图2 一l 所示。 以某一微凸峰为研究对象，设在离微凸峰平均平面高z = d 处某个微凸峰发 生接触，在这种情况下，根据概率理论在高度z 处所有微凸峰发生接触的总概率 广东工业大学硕： ：学位论文 为 p z d ) = f 庐( z 贼 ( 2 1 ) 其中，曲( z ) 为微凸峰密度函数，d 为某接触微凸峰离平均面高度。z 为任 意高度。 若表观接触面积为a ( 抛光中即为晶片面积) ，则在高度z 处发生接触的微凸 峰总数的数学期望值为： 2 叩a f 声( z 蛾 ( 2 2 ) 其中，_ 为微凸峰密度，即单位面积内有叩个微凸峰；a 为表观接触面积。 则在整个接触范围内总的实际接触面积的期望值为： a 2 研a 7 f ( z d ) ( z 蛾 ( 2 3 ) 其中，屯为实际接触面积；r 为微凸峰的平均曲率半径。 通过对式( 2 3 ) 数值求解发现，真实接触面积与所加载荷成线性关系。 d 光滑表面1 6 i ，、广7 、 ，、 、v 图2 1 粗糙表面接触的g w 模型3 1 f i 9 2 1g wc o n t a c tm o d e lo fr o u 曲n e s ss u m l c e 3 4 1 2 1 2 弹性接触的赫兹理谢3 6 】 对两个弹性体接触处应力状态分析通常采用赫兹( h e n z ) 理论。对于球体 与平面接触的情形( 抛光中磨料与晶片的接触) ，赫兹理论假设：两接触的表面 1 4 第二章抛光垫与工件间的接触作用模型 是连续的，表面无摩擦存在，接触为小应变情况( 驭 i ) 来考虑这 种影响；同时晶片去除过程中在沟槽中产生松散碎片，引起计算误差，可以引入 系数r ( r 1 ) 来考虑这种影响3 8 1 。另外，并非所有的磨粒都能与抛光垫及晶 1 9 ：! ：三些：! ! ! ! 圭! 竖! ! i ： 片同时接触并起到磨削作用，只有同时与抛光垫和晶片接触的磨粒才能起到磨削