（机械制造及其自动化专业论文）抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影响的研究.pdf

人连理上大学硕士学位论文 摘要 随着超大规模集成电路( u l s i ) 锘i j 造技术的发展，作为衬底材料硅片的尺寸越来越 大，特征尺寸越来越小，对硅衬底抛光片抛光质量的要求也越来越高。虽然目前化学机 械抛光( c m p ) 技术广泛应用于硅衬底抛光和多层布线中的层间平坦化加工中，但在实 际生产过程中仍存在抛光效率低、加工质量重复性差、成品率低等问题，因此应针对影 响c m p 过程的因素及其对抛光效果的影响规律进行深入研究。抛光垫作为c m p 系统 的重要组成部分，其性能直接影响c m p 过程及抛光效果。 本文首先在根据抛光垫特性参数的各自不同特点，确定了可行的检测方案，并对厚 度、密度、硬度、压缩比、回弹率、孔隙率、沟槽、表面粗糙度以及抛光液的承载能力 等影响抛光垫性能的主要特性参数进行了检测和评价，为研究抛光垫特性与抛光效果之 间的关系提供了基本数据。 在此基础上，以c p 4 型桌面式c m p 试验台为平台采用正交实验法，确定了抛光压 力、抛光盘转速、抛光液流量、抛光头的摆动幅度及抛光头的摆动速度等工艺参数的最 佳范围，并通过单因素实验法研究了这些工艺参数对抛光速率和抛光硅片表面粗糙度的 影响规律，得到了相应的影响关系曲线。 在以上研究工作基础上，通过大量的抛光试验，针对抛光垫的不同特性参数，如压 缩比、粗糙度、回弹率、孔隙率等对抛光速率和硅片表面粗糙度的影响规律，总结出在 本实验条件下的理想的抛光垫特性参数。 最后通过抛光垫修整工艺实验，研究修整轮转数、修整时问等修整工艺参数对抛光 垫的表面粗糙度、回弹率等的影响规律，探索了基于抛光垫修整法改善抛光垫性能的工 艺方法。 关键词：硅衬底；化学机械抛光；抛光垫；修整 抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影响的研究 s t u d y o fp a d p r o p e r t i e s a n dt h e i re f f e c t so n p o l i s h i n ge f f i c i e n c ya n d s u r f a c e q u a l i t y i nc h e m i c a lm e c h a n i c a l p o l i s h i n g a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fu i t r al a r g e - s c a l ei n t e g r a t i o n 叫l s i ) ，t h ed i m e n s i o no fs i l i c o n s u b s t r a t eb e c o m em o r ea n dm o r eb i g g e ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，d i m e n s i o ng od i m i n i s h i n g t h e r e f o r et h ed e m a n do ft h ew a f e r sq u a l i t yb e c o m e sh i g h e rt o o n o w , c h e m i c a lm e c h a n i c a l p o l i s h i n g ( c m p ) i sw i d e l yu s e di nt h ef l a t n e s sp r o c e s so fp o l i s h i n gs u b s t r a t ea n dm u l t i l e v e l i n t e r c o n n e c t i o n s h o w e v e r , s o m ep r o b l e m s s t i l le x i s ti na c t u a lc m ps u c ha s ：l o w - l e v e l p o l i s h i n ge f f i c i e n c y ，p o o rr e p e t i t i o no f p o l i s h i n gw a f e r , l o w r a t i oo f e n d p r o d u c t ，e t c t h e r e f o r e ， t h ei n f l u e n c ep a r a m e t e r s a i m i n g a tc m p p r o c e s sa n d t h e i re f f e c t st op o l i s h i n gr e s u l tn e e dt o b er e s e a r c h e dd e e p l y t h ep a d sa so n eo fc r u c i a lc o n s u m p t i o n sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n p o l i s h i n g s i l i c o ns u b s t m t e ，w h i c h i n f l u e n c e s d i r e c t l y t h e p r o c e s s o f c m p a n d p o l i s h i n g e f f e c t i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h er e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i co f p a d sp a r a m e t e r s ，t h e e x p e r i m e n ts c h e m ei s e n s u r e d t h em a j o rp a r a m e t e r sa r ed e t e c t e da n de v a l u a t e d ，s u c ha s t h i c k n e s s ，d e n s i t y ，h a r d n e s s ，c o m p r e s s i b i l i t y ，p o r o s i t y ，r e b o u n dr e s i l i e n c e ，g r o o v e ，r o u g h n e s s a n dh o l d i n gc a p a c i t yt os l u r r y ，e t c a l lt h e s ep a r a m e t e r sp r o v i d ei m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o r b u i l d i n gu p m o d e lb e t w e e nt h e p o l i s h i n gq u a l i t ya n d t h ec h a r a c t e r i s t i co f p a d s b a s e do nt h i s ，w i t ht h ec p - 4 d e s k t o p c m p t e s t - b e d , q u a d r a t u r ee x p e r i m e n t s a r eu s e d t h e r a n g eo f t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ep r e s s u r eo nt h ew a f e r ，t h ev e l o c i t yo fp l a t e n , t h e f l o wr a t eo f s l u r r ya n dt h es w e e p i n gr a n g ea n dv e l o c i t ye t ci sc o n f i r m e d n l ee f f e c t so f p r o c e s s p a r a m e t e r sa n d m a t e r i a lr e m o v er a t ea l o n gw i t ht h ea v e r a g e r o u g h n e s so f w a f e ra r ed i s c u s s e d b y o n ee l e m e n t e x p e r i m e n tm e t h o d , a n dc o r r e s p o n d i n g c 1 1 r v er e l a t i o u s h i pi sa c h i e v e d a c c o r d i n g a st h e s er e s u l t s ，t h ee f f e c to f t h ec h a r a c t e r i s t i co f p a d sa i m e da tt h es a m ek i n d s o fp a d st om a t e r i a lr e m o v er a t ea l o n gw i t ht h ea v e r a g er o u g h n e s so fw a f e ri ss y s t e m i c a l l y a n a l y z e di ni m m o b i l ep r o c e s sp a r a m e t e r sb yl a r g en u m b e r so f p o l i s h i n ge x p e r i m e n t s t h ei d e a l c h a r a c t e r i s t i co f p a di nt h i se x p e r i m e n tc o n d i t i o ni ss u m m a r i z e d t h ee f f e c t so f c h a r a c t e r i s t i co f p a d s t ot h eq u a l i t yo f p o l i s h i n ga r es u m m a r i z e d i nt h ee n d ，b yt h ev a l i d a t i n ge x p e r i m e n t ，t h ee f f e c t so f v a l i d a t i n gv e l o c i t ya n dv a l i d a t i n g t i m et ot h ep a d sr e b o u n dr e s i l i e n c e ，r o u g h n e s s t h et e c h n o l o g ym e t h o d i m p r o v i n gt h e c h r e m a t i s t i co f p a di se x p l o r e db a s e do n v a l i d a t i n gm e t h o d k e y w o 。r d s ：s i l i c o ns u b s t r a t e ；c h e m i c a l m e c h a n i c a l p o l i s h i n g ； p a d ；c o n d i t i o n 大连理i t 大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 选题的背景及意义 集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 是现代信息产业和信息社会的基础，是改造和提 升传统产业的核心技术。随着全球信息化、网络化和知识经济化浪潮的到来，i c 产业的 战略地位越来越重要，它已成为与国民经济、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i c 为基础的电子信息产品的世界贸易额已达到了l 万亿美元，成为世界第一大产业。 在微电子制造中，离不开晶体完整高纯度高精度高表面质量的硅晶片，全球9 0 以 上的i c 都要采用硅片，半导体硅材料是半个世纪以来信息产业发展的基础。随着i c 制 造技术的飞速发展，为了增大i c 芯片产量，降低单元制造成本，硅片趋向大直径化。 同时，为了进一步提高i c 的集成度，要求硅片的刻线宽度( 特征线宽) 越来越细。目 前，国外在硅片直径已从2 0 0 m m 向3 0 0 m m 发展，按照美国微电子技术发展蓝刚”，到 2 0 0 9 年将开始使用巾4 5 0 m m 的硅片，特征线宽将减小到0 0 7u1 1 3 。下一代i c 制造中将 主要采用直径 一3 0 0 m m 的大尺寸硅片，其加工表面要达到亚微米级平整度、纳米级表面 粗糙度和高表面完整性要求。 目前，针对硅片的纳米级超光滑表面要求，普遍采用化学机械抛光( c h 四) 技术。 该技术利用混有极小磨粒的化学溶液与加工表面发生化学反应来改变其表面的化学键， 生成容易以机械方式去除的产物，再经机械摩擦去除化学反应物获得超光滑无损伤的平 坦化表面。但由于这种c m p 工艺利用化学和机械复合作用进行抛光，而且在抛光过程 中存在三体磨损，因此该工艺存在工艺参数多、加工过程不稳定等缺陷，难以实现稳定 的生产工艺，影响产品质量的稳定性【2 l 。 抛光垫在c m p 过程中起着重要作用。首先，j n q - 区域中的磨粒主要借助抛光垫的 支撑作用，对硅片表面产生作用力，实现材料去除。因此，抛光垫在流场作用下的变形 和抛光垫局部的显微硬度会直接影响磨粒对硅片的作用力，从而影响抛光效率和硅片表 面材料去除非均匀性，其中抛光垫力学性能，如硬度、弹性等对抛光垫的变形产生重要 影响。其次，抛光垫是抛光反应产物流出加工区域、新的抛光液进入加工区域的重要通 道，因此抛光垫的组织特征，如微孔形状、孔隙率、沟档形状及分如等因袭对抛光液在 加工区域的流量及其分布等产生重要影响，从而影响抛光效率和硅片表面材料去除非均 匀性。凼此，研究抛光垫的特性，如组织特征、力学性能等对抛光过程的影响规律，探 抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影响的研究 索理想抛光垫的结构，对提高c m p 抛光效率和硅片表面材料去除非均匀性，实现高效 超精密抛光具有重要的意义。另外，c m p 的消耗材料占c m p 费用的7 0 左右，预计 2 0 0 5 年c m p 材料市场将达到4 5 亿美元，而且还将以每年平均1 9 的速度增长。而抛 光垫是c m p 消耗材料中重要的组成部分，1 9 9 8 年抛光垫市场为0 4 4 亿美元，预计 2 0 1 0 年将达到1 2 9 亿美元，具有广阔应用前景和经济价值。但目前国内无论是抛光垫 的基础研究，还是在抛光垫的产品开发与应用等方面都与国外具有很大的差距【3 。5 1 。 本文结合国家自然科学基金重大项目( n o 5 0 3 9 0 0 6 1 ) 的研究，以提高c m p 加工 效率和加工表面质量为目的，研究了抛光垫的各种特性指标的检测方法，观察了抛光垫 的微观组织结构，分析了抛光垫的组织特征，测量出抛光垫的厚度、密度、硬度、压缩 比、回弹率等力学性能，设计实验方案测量出抛光垫吸收抛光液的能力( 抛光液的承载 能力) ，优化了抛光时的工艺条件，在统一的工艺参数下，通过大量实验针对抛光垫的 压缩比、回弹率、表面粗糙度、孔隙率等特性对抛光速率、工件表面质量进行了系统的 分析。通过修整优化了抛光垫的粗糙度和回弹率，彳导到了最佳的修整参数。 1 2 国内外研究现状及分析 化学机械抛光( c m p ) 原理如图1 1 所示， 整个系统是由硅片夹持装置、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。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，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，并在工件表面产生化学反应，工 图1 - 1c m p 原理示意图 件表面形成的化学反应物由磨粒的机械摩擦作 f i 9 1 - lp r i n c i p l 。o f c m p 用去除。由于选用比工件软或者与工件硬度相当的游离磨粒，在化学成膜和机械去膜的 交替过程中，通过化学和机械的共同作用从工件表面去除极薄的一层材料，因而可以获 得高精度、低粗糙度和无损伤的工件表面。c m p 既可以抛光硬脆材料工件。也可以抛 光软质材料工件。不仅可以应用于以n ip 合金为表面层的硬盘片和硅片表面的高精度 抛光，而且也可用于锗、钨、铜、玻璃、宝石等材料表面的高精度抛光 6 - 1 0 。 2 0 世纪6 0 年代以前，在半导体基片抛光中大多采用机械抛光方法，1 9 6 5 年由 w a l s h 和。h e r z o g 首次提出c m p 技术。1 9 9 1 年i b m 公司首次将该技术成功应用于6 4 m b 的d r a m 生产中，此后c m p 技术得到了快速发展。目前，c m p 是唯一能满足硅片表 2 一 大连理工大学硕士学位论文 面加工质量要求的实用技术，它不仅是单晶硅片加工中最终获得纳米级超光滑无损伤表 面的最有效方法，也是超大规模集成电路( u l s i ) 硅片多层布线中不可替代的层问平坦 化方法。但由于化学机械抛光是一个化学和机械复合作用的复杂过程，给c m p 理论与 技术的研究带来了很多困难，目前x , j - 硅片c m p 材料去除机理、材料去除非均匀形成机 理、c m p 过程变量和技术等方面的许多问题还没有完全弄清楚。如何提高c m p 的加工 效率、表面质量和工艺可靠性。降低加工成本，仍是各国学者研究的热点，也是实现硅 片高效超精密加工的关键问题0 m 3 】。 抛光垫作为c m p 系统的重要组成部分，在c m p 过程中扮演着非常重要的角色，抛 光垫组织特征( 粗糙度，微孔形状和孔隙率) 和力学性能等因素对c h i p 过程产生重要 影响，因此研究抛光垫特性对c m p 过程的影响规律，设计合理抛光垫材料和结构是解 决c m p 技术中存在问题的有效途径之一。因此，人们在c m p 抛光垫研制、抛光垫性能 对c m p 过程的影响规律等方面开展了大量的研究工作。 1 2 1 抛光垫种类及其 生能 抛光垫按材质和结构的不同，可分为以下四种： 1 ) 聚氨酯抛光垫 这种抛光垫的主要成分是发泡体固化的聚氨酯，其表面有许多空球体微孔封闭单元 结构。这些微孔能起到收集加工去除物、传送抛光液以及保证化学腐蚀等作用有利于 提高抛光均匀性和抛光效率。孔尺寸越大其运输能力越强，但孔径过大时会影响抛光垫 的密度和刚度。在此类抛光垫中，应用最广的是美国r o d e l 公司的i c l 0 0 0 型抛光垫， 图1 - 2 ( a ) 为该型号抛光垫的s e m 照片。但由于这种聚氨酯抛光垫具有发泡结构，所以抛 光液不能渗透到抛光垫内部，只存在工件与抛光垫的间隙中，抛光液无法渗透到抛光垫 的内部，影响抛光后的残渣或抛光副产物的及时排除，容易阻塞抛光垫表层中的微孔。 因此一般在抛光垫表面要做一些沟槽，以利于抛光残渣的排除。根据这种抛光垫耐磨性 好、抛光效率高、形交小的特点，粗抛选用发泡固化的聚氨脂抛光垫。 2 ) 无纺布抛光垫 它的原材料为聚合物棉絮类纤维，在此类抛光垫中，应用最广的是美国r o d e l 公司 的s u b a i v 抛光垫，图1 2 为该型号抛光垫的s e m 照片。此类抛光垫渗水性好，抛光 液能渗透到抛光垫内部，容纳抛光液的效果好。因此微观组织对抛光垫性能产生重要影 响，采用不同的制作工艺，可获具有不同微观组织结构的抛光垫。在细抛工艺中常用这 种无纺布抛光垫【l ”j 。 3 抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影响的研究 3 ) 带绒毛结构的无纺布抛光垫 这种抛光垫以上述无纺布为基体，中间一层为聚合物，表面层为多孔的绒毛结构， 在此类抛光垫中，应用最广的是美国r o d e l 公司的p o l i t e x 抛光垫，图1 2 ( c ) 为该型号抛 光垫的s e m 照片。当抛光垫受到压力时抛光液会进入到空洞中，而在压力释放时会恢 复到原来的形状，将旧的抛光液和反应物排出，并补充新的抛光液，绒毛的长短和均匀 性影响抛光效果。带绒毛结构的无纺布抛光垫硬度小、压缩比大、弹性好，因此用该抛 光垫加工硅片时，可获得表面粗糙度小、片内均匀性好硅片 1 3 - 1 4 1 。在精抛工序中常采用 这种具有多孔绒毛结构的无纺布抛光垫。 f a ) i c l 0 0 0 抛光垫0 0 ) s u b ai v 抛光垫( c ) p o l i t e x 抛光垫 图1 2 抛光垫s e m 扫描照片【1 4 】 f i g l 一2s e mi m a g eo f p a d 4 ) 两层复合体抛光垫 由化学机械抛光原理可知，软质抛光垫可获得加工变质层和表面粗糙度都很小的抛 光表面，但抛光垫硬度过小时，在抛光压力作用下抛光垫与硅片表面的硅片凹区域和凸 区域同时接触，凹凸表面材料的材料同时去除，难易实现高效的平坦化加工。另外，抛 光垫的硬度过高时，虽然可以获得很高的抛光效率，但由于抛光垫的变形小，j h z 过程 中容易损伤硅片表面，同时非均匀性也差。为了兼顾平坦度和非均匀性要求，可采用 “上硬下软”的上下两层复合结构的抛光垫删。图1 - 3 所示的i c l 0 0 0 s u b a1 v 抛光垫 为这种复合结构的抛光垫，上层采用较硬的i c l 0 0 0 抛光垫，承受c m p 过程中的机械、 化学作用，从而可提高材料去除率且获得较好的平面度；底层选用较软的s u b ai v 抛 光垫，能改善整个抛光垫的可压缩性，有利于抛光垫的表面与工件均匀接触，保证晶片 表面材料去除均匀。中间有一层粘性的胶体，可以增加粘性特征，在抛光过程中起到缓 丑 大连理工大学硕士学位论文 解作用。此种抛光垫能够储存抛光液，而且不渗透到抛光垫的内部，抛光效果稳定。日 本的佐口明彦等人研究结果表明：在定的压力范围内，如果下层的抛光垫的硬度增 大，抛光速率会增大一些，但硅片和抛光垫之间的压力分布的均匀性将变差；下层使用 软质抛光垫不但会进一步提高硅片的表面均匀性，而且在抛光初期还会提高平坦化的效 率。r o d e l 公司的抛光垫s u b a 系列产品较软，因变形而容易触及凹面，平坦度较差的 效果。作为另一系列的i c l 0 0 0 产品，则具有较低的压缩性，较高的硬度，可以有效提 高平坦度的效果，但是其均匀性的控制则变差了。使用i c1 0 0 0 s u b ai v 的组合垫，则兼 顾了平坦度与均匀度的效果，成为目前氧化硅薄膜c m p 工艺中应用最广的抛光垫【l 西 l 7 1 。 图1 - 3i c l 0 0 0 s u b ai v 抛光垫i 6 】 f i g l - 3i c l 0 0 0 s u b ai vp a d z s t a v r e v a 等人利用i c l 0 0 0 和i c l 0 0 0 s u b ai v 两种抛光垫进行了抛光对比实 验，结果表明，利用i c l 0 0 0 s u b ai v 抛光垫抛光时，能够获得更好的均匀性和更高的 去除率f 1 8 】。 1 2 2 抛光垫的机械物理性能对抛光效率和工件表面质量的影响 抛光垫的硬度、压缩比、弹性模量与剪切模量等机械性能对抛光表面质量、材料去 除率和抛光垫寿命有着明显的影响。 1 ) 硬度 5 抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影响的研究 硬度较大的抛光垫，抛光效率快、能够达到要求的平整度，但是抛光过程中可能引 起硅片表面划伤，当压力较大时，可能带来更严重的表面损伤( 如擦痕) ；压力较小 时，可能改善平整性，但片与片之间的非均匀性也增大。软的抛光垫能减少表面的擦 痕。柔软的抛光垫( 在水平域内变化较大) 对平整度效果不好，相对的均匀性比较好【】。 由于p r e s t o n s 方程式尚无法涵盖抛光过程中的抛光液、抛光垫的重要性，最近毫微米元 件实验室将p r e s t o n 方程式中的常数k ，分离出抛光液、抛光垫及硅晶片表面特性等参数 对去除率的影响： h vr1 ，、 肚d 疏_ l 亩+ 4 - e , o o “ 其中h v p 为抛光垫的硬度值，h v w 为硅晶片表面的硬度值，e s 为抛光颗粒的弹 性系数，e w 为硅片的弹性系数，p l o c 为区域性的抛光压力，v r e l 为转盘与硅变间的 相对转速，c 为常数 1 4 , 1 6 1 。抛光垫比较软时，材料去除率在全部速度范围遵循p r e s t o n 方程；而抛光垫硬度较高时( 肖氏硬度5 0 7 0 d ) ，在高于某个速度以上材料去除率才遵 循p r e s t o n 方程【1 9 1 。 c h o i j 等人使用有限元分析的方法得出了抛光垫的硬度和厚度对均匀性的影响，对 叠层抛光垫来说，上层抛光垫i c l 0 0 0 的硬度越大，片间非均匀性( w i d n u ) 较大，上 层抛光垫i c l 0 0 0 的厚度越厚，片间非均匀性( w i d n u ) 较小，下层抛光垫s u b a 的 硬度越大，片间非均匀性( w m i ) 较小，从而为设计理想的叠层抛光垫提供了理论 基础【2 0 。 x i eys 等人研究了磨粒大小、抛光垫、接触压力对工件表面质量的影响，指出， 磨粒尺寸和抛光垫硬度增加时，去除率增加的同时工件表面划伤的深度和工件表面粗糙 度也变大叫。此外也有人为了提高加工效率和表面质量，提出了一种新结构的抛光垫和 抛光方法阻】，该抛光垫分为两个区，外环为第一个区域配合第一个抛光过程，此区域的 抛光垫的硬度大、压缩比小，耐磨性好：内圆为第二个区域配合第二个抛光过程，此区 域的抛光垫的硬度小、压缩比大。抛光过程中首先在第一个区域，采用较大的大压力进 行抛光，以便获得较大的去除率；第二步主要以获得较小的w i d n u 和w i w n u 为目 的，在第二个区域采用较小的压力进行抛光- 2 4 。 2 ) 抛光垫的弹性模量与剪切模量 抛光垫的弹性模量与剪切模量主要影响抛光垫在抛光过程中在载荷与旋转应力作用 下的机械稳定性和韧性。 6 大连理上人学硕十学位论文 阂新力等人通过对硅片化学机械抛光过程中接触压力场理论分析和计算，就如何选 择合理的抛光参数( 抛光垫的弹性模量、抛光垫的厚度等) 以得到高的工件平整度和加 工表面质量进行了理论研究。研究结果表明，单晶硅片的无护环抛光的接触区域的压强 分布是沿半径方向增加，且具有奇异性。抛光垫厚度较小，泊松比较大时，也会出现心 部压强略高的现象，甚至多区域接触。适当降低抛光垫的厚度、弹性模量和泊松比可使 硅片抛光接触压强分布趋于均匀。在抛光垫弹性模量较小的情况下，抛光基盘材料特性 对压力场分布的影响并不显著口5 埘】。 w e i d a nl i 等口8 1 人研究了抛光垫的剪切模量对抛光效果的影响及抛光垫的不同处理 方法对抛光垫物理特征和抛光效果的影响。在水中浸泡抛光垫时，抛光垫的剪切模量减 小，但去除率基本没有改变；当抛光液的温度从4 0 c 增大到8 0 c 时，i c l 0 0 0 抛光垫的 剪切模量减小，材料去除率和平坦化能力提高。 r a v is a x e n a 等1 2 9 1 人研究了抛光的弹性模量和泊松比对平坦度的影响，基于接触理论 建立了理论模型，并对模型进行了实验论证。s h i 等 3 0 1 人研究了抛光垫性能对工件最终 加工表面的影响。h o o p e r 和l i 等0 1 - 3 2 1 人对c m p 抛光垫材料动态力学性能进行了分析 和研究。 3 ) 压缩比 抛光垫的可压缩性决定抛光过程中抛光垫与工件表面的贴合程度，从而影响材料去 除率和表面平坦化效果。抛光过程中，为了迅速去除工件表面凸起部分，抛光垫不应与 工件表面低洼处贴合接触。可压缩性大的抛光垫与工件的贴合面积小，材料去除率高 【l9 1 。但为了使抛光垫与工件间有较大范围的均匀接触，以保证工件抛光表面的均匀性， 抛光垫的可压缩性不宜过大。 河北工业大学圆对抛光液和抛光垫对抛光效果的影响进行了研究，指出过高的压力 可导致不均匀的抛光速率、并增加抛光垫的磨耗。 c h o ij 等 2 0 1 人指出，i c l 0 0 0 s u b ai v 型两层复合体抛光垫中，高硬度、高刚性和 可压缩性好的上层抛光垫，对凸表面材料的选择性去除能力强；而由于下层的硬度、刚 性和可压缩性都比较低，可增大抛光垫与工件之间的接触面积，抛光后晶片不均匀性 小。 1 2 3 抛光垫的表面粗糙度和结构对抛光效率和工件表面质量的影响 1 1 抛光垫的表面粗糙度 7 抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影响的研究 抛光垫的表面粗糙度是影响工件的材料去除率的重要因素。r o d e l 公司的m i c h a e lr o l i v e r 等人的研究结果表明，c m p 过程中抛光垫要有足够的表面粗糙度。实验中测量 了在抛光垫的气孔间粗糙度的平均特征高度，通过离线修整获得了稳定的去除率。发现 随着特征高度的变化，材料去除率也在变化，并且材料去除率对特征高度的变化是很敏 感的。表面粗糙度高的抛光垫与工件表面接触面积减小，而且粗糙的抛光垫表面可储存 更多的抛光液，因此作用在单颗粒上的作用力增大田3 6 1 。优化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。y u 等 37 人利用接触力学理论通过测量抛 光垫表面粗糙度，探索了基于表面粗糙度分布的磨损机理。l i u 等c 3 8 1 基于磨粒在抛光垫 和硅片之间的滚动运动分析了c m p 的磨损机理。y u 等人基于接触力学和流体力学理 论，建立了结合抛光垫粗糙度效应和抛光液流体压力的c m p 物理模型。 没有抛光过的新的抛光垫( i c l 0 0 0 ) 表面微观是相当不平的，有不规则的小碎片： 而用过的抛光垫表面较平，有的变成椭圆形，其长轴平行于抛光垫的旋转方向( 旋转速度 方向尺寸不变，径向方向尺寸减少形成) 。因此，表面微孔的面积减小了许多( 如图1 - 4 所示) 。随着抛光的进行，抛光垫表面材料会发生所谓的冷流动，从而产生冷胶合，导 致抛光垫表面的小块凝聚( 胶合) 。在不同区域磨损情况不同，磨损严重的地方，直接影 响加工质量，所以抛光垫要进行修整，保证在抛光垫的寿命期间的工件的加工效果。 l i n ge ta 1 等人对抛光垫的磨损进行了研究，指出发生在抛光垫和硅片之间的磨损主要 是由塑性变形引起的，其影响效果如图l _ 4 所示p ”。 图1 - 4 抛光垫在抛光过程中的变化 f i g l - 4v a r i e 哆o f s u r f a c ep m i nc m pp r o c e s s 8 火连理工大学硕士学位论文 2 1 抛光垫的表面结构 抛光垫表面结构有平整型和带有不同沟槽( 或网格) 型的。抛光垫表面沟槽的几何形 状影响抛光垫的特性，采用表面开槽的抛光垫抛光时，材料去除率比采用不开槽抛光垫 时提高，晶片表面的不均匀性降低【4 2 4 引。抛光垫表面适当开槽后，储存、运送抛光液的 能力显著增强，磨料分布更均匀、工件表面剪切应力高，因此抛光效率和质量都得到提 高。抛光垫表面上的槽本身起着类似于均匀分布磨粒的作用，它通过增加剪切应力保证 材料去除率。a t r e g u 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。设计 抛光垫的沟槽来增强抛光垫的寿命，沟槽的特性影响在c m p 过程中抛光液的流量分 配。使用动态机械分析研究了抛光垫的沟槽的方向对抛光过程中机械性能的影响，并通 过实验得出结论( 4 4 1 。抛光垫表面沟槽形式( 平行与垂直交叉型或同心环形) 、沟槽形状f v 型、u 型或楔型) 、沟槽方向以及沟槽尺寸( 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。h u c ys 等1 4 5 1 人采用表面开有不同深度槽的两种i c l 0 0 0 抛光垫进行了抛光实验，其中一种抛光垫的表面为从中心到边缘的沟槽深度为( 5 1 5 ) + o 0 2 5 4 m m ，另一抛光垫表面沟槽的深度为1 5 0 0 2 5 4 m m 。研究结果表明，当整个抛光 垫表面的槽足够深时，槽的深度对抛光过程没有影响，但抛光垫表面任何位置的槽磨损 会影响到抛光过程甚至致使晶片表面质量( 晶片表面不均匀性) 恶化。而从设计出i c l 0 1 0 d v 抛光垫，其寿命为i c l 0 0 0 的2 倍，抛光效果与i c l 0 0 0 相当或效果更好。 另外关于抛光垫的表面形状，已标准化的形状为同心圆状的沟槽，被称为k - g r o o v e 。为了得到更好的平坦化效果，也有人提出了在无发泡的硬质塑料上形成螺旋状 v 形沟( 宽0 5 i l l i n 、深o 5 m m 、间隔2 m m ) 的抛光垫。使用坚硬的抛光垫虽然可以提 高平坦度，却面临该如何解决晶片内外均匀度及微划伤的问题1 1 4 】。 1 2 4 抛光垫的修整 在抛光过程中出现的主要问题首先表现在难以保证抛光液在工件和抛光垫之间的均 匀分布；其次是抛光过程中抛光垫产生塑性变形和磨损后会变得光滑或抛光垫的微孔会 被堵塞，抛光垫需要不断地修整和润湿来维持其粗糙和多孔性，以防止磨料抛光液的输 送和抛光屑的排出受阻而导致抛光效率的降低；此外，含磨料抛光液的管理和废抛光液 的处理比较困难。z h o u 分别研究了c m p 加工中抛光垫的修整技术和抛光垫在修整过程 中的形状变化削。 抛光垫在使用一段时间后，抛光垫因塑性变形和磨损而会变得光滑或抛光垫的微孔 会被堵塞，存储和运输磨料抛光液的能力降低，影响抛光屑的排除，从而导致材料去除 9 抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影向的研究 率和工件抛光表面质量下降。因此，抛光垫需要不断地修整和润湿来维持其粗糙和多孔 性，以达到在抛光垫寿命期间获得一致的抛光性能的目的。所以抛光垫的修整也是 c m p 加工中的一个重要环节。常用的修整工具有金刚石砂轮修整器、硬金属盘修整器 或砂纸带等，目前主要采用在线修整和离线修整修等两种方式修正。修整后，抛光垫的 厚度降低，抛光垫的机械力学性能也会发生变化。因此，应合理选择修整工具和修整参 数。图1 - 5 为抛光垫修正前后的表面粗糙度对比情况【47 - 4 9 1 。研究表面表明，用金刚石砂 轮修整器对i c l 0 0 0 抛光垫进行修整时，抛光垫中心部位胶合厉害，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。与离线修整相比较采用在线 修整可以获得更好的修整效果，通过在线修正可以提高抛光去除率1 5 2 0 ，同时也有 利于提高平坦化效率，但n t 后工件表面微观缺陷较离线修整多【2 0 5 0 1 。台湾的徐振贵等 人1 5 “，通过实验研究了修整轮的压力、抛光垫的转速以及金刚石的类型与分布等因素与 去除率之间的关系。 一。 釉匕坠：! 业：竺坚：璺：= ：苎= ：工二i ( b ) ( a ) 抛2 分钟后未修整的抛光垫表面( b ) 修整后的抛光垫表面 图1 5i c l 0 0 0 抛光垫表面的轮廓曲线【l 8 】 f i g l 一5n e s u r f a c e p r o f i l e so f l c l 0 0 0p a d 1 2 5 总结 综上所述，抛光垫作为化学机械抛光系统中的重要组成部分，其物理、化学和机械 特性直接影响硅片化学机械抛光的加工效率和加工表面质量，但因其影响因素较多，作 用过程复杂，给研究和抛光垫的特性对化学机械抛光的过程影响规律带来了很多困难。 目前在影响抛光垫性能的检测与评价、抛光垫特性对化学机械抛光的过程影响、抛光垫 性能的优化及新型的低成本高性能抛光垫的研制等方面还有许多问题有待研究。 本文的主要工作 1 ) 依据理论指导，研究了抛光垫的各种特性指标的检测方法，观察了抛光垫的微观组 织结构，分析了抛光垫的组织特征，如抛光垫的表面粗糙度、微孔形状、孔隙率、 沟槽形状和分布，并对厚度、密度、硬度、压缩比、回弹率、孔隙率、沟槽、表面 1 0 大连理工大学硕士学位论文 粗糙度以及抛光液的承载能力等影响抛光垫性能的主要特性参数进行了检测和评 价，为研究抛光垫特性与抛光效果之间的关系提供了基本数据。 2 1 采用正交实验法，确定了抛光压力、抛光盘转速、抛光液流量、抛光头的摆动幅度 及抛光头的摆动速度等工艺参数的最佳范围，并通过单因素实验法研究了这些工艺 参数对抛光速率和抛光硅片表面粗糙度的影响规律，得到了相应的影响关系蓝线。 并检测了抛光过程中工件与抛光垫之间的摩擦力、抛光液的温度以及声发射信号， 进一步分析工艺参数对抛光过程的影响规律。 3 1 在以上研究工作基础上，基于接触力学和流体润滑理论，通过大量的抛光试验，针 对抛光垫的不同特性参数，如压缩比、粗糙度、回弹率、孔隙率等对抛光速率和硅 片表面粗糙度的影响规律，总结出在本实验条件下的理想的抛光垫特性参数。 4 ) 通过抛光垫修整工艺实验，研究修整轮转数、修整时间等修整工艺参数对抛光垫的 表面粗糙度、回弹率等的影响规律，探索了基于抛光垫修整法改善抛光挚性能的工 艺方法。 抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影响的研究 2 抛光垫特性参数的检测与评价 抛光垫是化学机械抛光( c m p ) 系统的重要组成部分，在化学机械抛光过程中具有 储存和运输抛光液、排除抛光过程产物、维持c m p 所需的机械和化学环境等功能，因 此抛光垫的性能对化学机械抛光过程产生重要影响，从而影响化学机械抛光的加工效率 和加工质量。因此能否合理地选择和使用抛光垫对控制和优化化学机械抛光过程，实现 高效高质量低成本的化学机械抛光加工具有重要的意义。但由于目前对抛光垫在化学机 械抛光过程中的作用以及抛光垫性能对化学机械抛光效率和加工质量的影响等缺乏全面 系统的认识，在实际生产中主要根据经验选择和使用抛光垫。抛光垫的性能除了受环境 温度等外界因素的影响外，主要取决于抛光垫的材料性能、表面结构和状态等抛光垫的 特性。抛光垫的特性参数主要由抛光垫的硬度、刚度、压缩比、密度、厚度、表面沟槽 的形状、表面粗糙度、空隙率、吸收抛光液的能力，等等。因此定量描述和评价抛光垫 特性对研究抛光垫对化学机械过程的影响规律、优化和选择合理的抛光垫等具有重要意 义。目前还没有统一完善的抛光垫特性参数的检测与评价方法，这给研究、评价和使用 抛光垫带来了很多困难。因此本文根据抛光垫特性参数各自不同特点，确定了合理可行 的检测方案，并对几种常见抛光垫的特性参数进行了检测和评价a 2 1 抛光垫的微观组织结构的观察与评价 抛光垫的纤维结构和剖面结构等直接影响抛光液的渗透和研磨残渣的排除，因此对 抛光效率和加工质量以及加工稳定性等产生影响。因此通过观察和分析不同材质抛光垫 的微观组织结构，分析和研究抛光垫的微观组织结构对抛光垫整体性能的影响具有重要 意义。 抛光垫的微观组织，如微孔、微纤维等的尺度一般在几个微米到几十个微米之间， 因此观察抛光垫的微观组织结构，必须要借助微观检测仪器。根据抛光垫的微观组织特 点，本文中采用了o l y m p u sm x 4 0 型和s z x l 2 型微观显微镜和j m l 5 6 0 0 l v 型扫描 电子显微镜( s e l 旧。当抛光垫的微孔在5 0 0 微米以上时，使用微观显微镜对抛光垫进行 观察，当抛光垫的微孔在5 0 0 微米以下时，使用扫描电子显微镜( s e m ) 对抛光挚进行观 察。 检测样品包括：聚氨酯抛光垫：i c l 0 0 0 s u b a l v 、i c l 4 0 0 s u b a l v 、k s p - 9 0 抛光垫和 国产聚氨酯抛光垫：无纺布抛光垫：s u b a s 0 0 、p o l i t e x 、国产合成革抛光垫 1 2 - 大连理工大学硕士学位论文 将样品抛光垫清洗后，从背面将抛光垫切割成8 x 8 毫米大小的试样后，分别型微 观显微镜和扫描电子显微镜观察了抛光垫的表面形貌和剖面的组织结构，其结果如下： 1 ) 聚氨酯抛光垫 使用o l y m p u s 微观显微镜m x 4 0 和s z x l 2 观察聚氨酯抛光垫的表面和剖面形 貌。图2 - 1 为k s p 一9 0 抛光垫的表面和剖面的形貌，图2 - 2 为国产聚氨酯抛光垫的表面和 剖面的形貌。 ( a ) 表面照片( ”剖面照片 图2 - lk s p - 9 0 抛光垫的微观显微结构图 f i 啦lg e mi m a g eo f k s p - 9 0p a d ( a ) 表面照片( b ) 剖面照片 图2 - 2 国产聚氨酯抛光垫的微观结构图 f i 口一2s e mi m a g eo f p a dm a d ei nc h i n a 由图2 - 1 和图2 - 2 可以看出，抛光垫的表面有发泡体组织，还有具有类似海绵的多 孔结构，这些小孔能帮助传送浆料和和有利于提高抛光均匀性。从垫的剖面可以看到几 乎所有的球状发泡的空洞，都被发泡过程中生成的气泡所填充。国产聚氨酯抛光垫和国 + 1 3 抛光垫特性及其对化学机械抛光效果影响的研究 外的聚氨酯抛光垫的对比可以看出，国外的聚氨酯抛光垫的每个发泡体组织比较圆，而 国产聚氨酯抛光垫的发泡体组织比较粗糙，有的呈椭圆形，有的呈不规则形。 2 ) 无纺布抛光垫 使用扫描电子显微镜( s 删) j s 毗5 6 0 0 l v 观察无纺布抛光垫的表面和剖面的形貌。图 2 3 为s u b a 8 0 0 无纺布抛光垫的表面和剖面的形貌，图2 4 为国产无纺布抛光垫的表面 和剖面的形貌。 ( a ) 表面照片( b ) 剖面照片 图2 3s u m 8 0 0 无纺布抛光垫s e m 照片 f i 醇- 3s e mk n a g eo f s u b a $ o op a d ( a ) 表面照片( b ) 剖面照片 图2 - 4 国产无纺布抛光垫的s e m 照片 f i 啦- 4s e mi m a g co f p a dm a d ei nc h i n a 1 4 大连理工大学硕士学位论文 由图2 3 和图2 - 4 可以看出抛光垫的表面有不均匀的空隙，这些空隙可以承载抛