（机械工程专业论文）单晶硅双面抛光加工设备及工艺的研究.pdf

全文摘要 超精密c m p 在半导体制造技术中已被业界公认为最行之有效全局平坦化技术。随着大规 模和超大规模集成电路的线宽不断缩小，线密度不断提高，聚焦深度不断变浅，致使作为超 大规模集成电路的主要基片材料的平坦化要求不断提高，因此开发具有自主产权的超精密双 面抛光机、研究如何让超精密双面c m p 的抛光效率高、平坦、均匀度佳的控制参数已成为平 坦化技术的主流。 本文介绍了单晶硅双面抛光加工机理，工艺技术及设备的开发现状，提出了研究单晶硅 双面抛光加工设备及工艺的课题目标。 首先，开展了超精密双面抛光加工系统设备的研制。设备传动系统由四个变频电机分别 拖动上下抛盘、太阳轮和内齿圈，具有传动路线短，无级调速，软启动、软停止，加工平稳 可靠，冲击小的优点：采用新型电气直接数字控制技术精密控制抛光加工过程：利用载荷传 感器与高精密的气动控制系统联合实现压力闭环反馈控制，精确控制抛光载荷：以v i s u a lc + + 为编程工具，设计了基于w i n d o w s 平台的智能控制系统，具有加工过程自动化，加工工业 可编制及专家数据库等功能。所研制的超精密双面抛光机加工精度达到：平面度 1um ( 西l o o m m ) ，表面粗糙度ln m ，工件的局部表面粗糙度达到0 4 0 1h i l l 。 其次，通过研究晶片、抛光垫与行星轮三者之间的运动关系。建立了行星式双面抛光运 动轨迹数学模型，利用m a t l a b 软件分析了不同位置、不同抛光盘转速、不同速比下的相对运 动轨迹状态及对抛光质量的影响，仿真研究表明：提高抛光盘的转速甜。齿圈与中心轮的速 度比取r e r ( r + 2 r ) 的范围内，同时工件尽可能放在行星轮料架的中间，可以使轨迹曲线平缓， 且使磨粒轨迹更加密集，从而提高工作效率；同时在p r e s t o n 方程基础上，建立行星轮式双 面抛光时材料去除函数和抛光均匀性函数，并通过仿真研究得出：k ，( 工件公转速度与抛光盘 转速之比) 、k z ( 工件自转与抛光盘转速之比) ，是影响工件抛光均匀性的关键因素，当k 。+ k 。= l 时，工件获得平面度最好。 最后，以4 英寸硅晶片为实验对象，在新研制的设备上，实验研究抛光加工工艺参数( 抛 光盘转速、加载方式、加载压力、抛光液等) 对双面抛光加工表面质量与加工效率的影响。 实验结果表明：不同抛光速比( 妒a ) h 肿肛功2 p ) 下工件抛光均匀性不同，变化状态符 合运动轨迹理论研究结果：工件加工表面粗糙度随着抛光压力的增大变化较小，工件加工表 面材料去除量随着抛光压力的增大而增加；不同种类不同浓度的抛光液对工件加工表面粗糙 度及材料的去除率影响较大，材料的去除率随着抛光液浓度的增加而增加，工件加工表面粗 糙度随着抛光液浓度的增加而下降。 关键词；单晶硅，双面抛光机，抛光工艺，轨迹均匀性 r e s e a r c ho ne q u i p 加! n t 越国t e c h n o l o g yo fd o u b l ep o l i s h i n g f o rs iw a f e r s a b s t i 己a c t u l t r ap r e c i s ec m ph a sb e e nr e c o g n i z e da st h em o s te f f e c t i v et e c h n o l o g yi nt h e s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g a l o n gw i t ht h ed e c r e a s ei nt h e1i n ew i d t h 。i n c r e a s ei n t h e1i n ed e n s i t y ，a n ds h o r t e n i n gi nt h ed e p t ho ff o c u s ，t h ed e m a n do ft h ef l a t t e n i n g f o rm a i ns u b s t r a t em a t e r i a li nu l t r a - l a r g ei n t e g r a t e dc i r c u i ti si n c r e a s i n g u n c e a s i n g l y s oi t i si m p o r t a n tt os t u d ya n dd e v e l o pt h ed o u l b e s i d e dp o i i s h e rw i t h o w np r o p e r t yr i g h t ，w h i c hc a np r o c e s sw a f e r sm o r ee f f e c t i v e ，f l a t t e r ，a n du n i f o r m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es t a t eo ft h ea r ti nd o u b l e s i d e dp o l i s h i n gm e c h a n i s m ， p r o c e s st e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t ，a n dp r e s e n t e do w nr e s e a r c ho b j e c t i v e s f i r s t l y ，a nu l t r a - p r e c i s ep r o c e s s i n gs y s t e mf o rd o u b l e s i d e dp o li s h i n gw a s d e v e l o p e d f o u ra cs e v om o t o r sw e r eu s e dt od r i v ei o w e ra n du p p e rp l a t e s ，s u ng e a r sa n d r i n gg e a r ss e p a r a t e l y ， w i t ht h ea d v a n t a g e so fs h o r tt r a n s m i s s i o nr o u t e ，s t e p l e s s s p e e dr e g u l a t i o n ，s o f ts t a r ta n ds t o p ，s t e a d ya n dr e l i a b l ep o l i s h i n g ，a n ds m a l li m p a c t an o v e ld i r e c td i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g yw a su s e dt oc o n t r o lt h ep o l i s h i n gp r o c e s s p r e s ss e n s o r sa n dh i g h 。p r e c i s ec o l l e c t o r sw e r eu s e dt oc o n s t r u c tt h ec l o s e dl o o p f e e d b a c kp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a nh o l dl o a d so nw a f e r su n i f o r m l y a n i n t e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h ev i s u a lc + + d e v e l o p m e n ts t u d i o i nw i n d o w sp l a t f o r m ，w h i c hh a st h ef u n c t i o n so fa u t o m a t i c a l l y p r o c e s s i n g ， p r o g r a m m a b l ep a r a m e t e r ss e t t i n g ，e x p e r t sd a t a b a s e ，e t c t h ee q u i p m e n td e v e l o p e dc a n r e a c ht h ef o l l o w i n gm a c h i n i n gp r e c i s i o n ：f l a t n e s s 1um ( l o o m m ) 。s u r f a c er o u g h n e s s 1n m ，p a r t i a ls u r f a c er o u g h n e s su pt o0 4 0 1n m s e c o n d l y ，t h r o u g hs t u d y i n gm o t i o nr e l a t i o n sa m o n gw a f e r s ，p o l i s h i n gp a d ，a n dt h e p l a n e t a r yg e a r s ，t h em o t i o nt r a c km a t h e m a t i c a lm o d e lo fp l a n e t t y p e d ，d o u b l e s i d e d p o l i s h i n gw a se s t a b l i s h e d u s i n gt h es o f t w a r el i a l l a b ，t h ee f f e c t so fr e l a t i v em o t i o n p a t hs t a t e so np o l i s h i n gq u a l i t yw e r ea n a l y z e du n d e rd i f f e r e n tp o s i t i o n s 。d i f f e r e n t r o t a t i o n a ls p e e d so fp o l i s h i n gp l a t e s ，a n dd i f f e r e n ts p e e dr a t i o s t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ti nt h ec o n d i t i o no fi n c r e a s i n gt h er o t a t i o n a ls p e e d 脚d o fp o l i s h i n g p l a t e s ，r e r ( r + 2 r ) ，a n dp u t t i n gt h ew a f e ri nt h em i d d l eo fc a r r i e r ，c a nm a k et h ep a t h c u r v ec h a n g eg e n t l y ，t h ea b r a s i v et r a c kd e n s i t yi n c r e a s e 。t h u si m p r o v et h ew o r k e f f i c i e n c y m e a n w h i l e ，b a s e do nt h ep r e s t o ne q u a t i o n ，r e m o v a lf u n c t i o no fm a t e r i a l a n du n i f o r mf u n c t i o no fp o l i s h i n gw e r ee s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t w h e nd o u b l e s i d e dp o i i s h i n gw i t hp l a n e t t y p e dg e a r s ，k l ( t h er a t i oo fw o r k p i e c e r e v o l u t i o ns p e e dt op o l i s h i n gd i s cr o t a t i o ns p e e d ) a n dk 2 ( t h er a t i oo fw o r k p i e c e r o t a t i o ns p e e dt oc o m p a c td i s cr o t a t i o ns p e e d ) a r et h ek e yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e u n i f o r m i t yo fp o l i s h i n gt r a c k w h e nk l + k = 1 ，t h ew o r k p i e c ef l a t n e s so b t a i n e di sb e s t f i n a l l y ，t a k e n4 一i n c hs iw a f e r sa ss a m p l e s ，t h ee f f e c t so fp o l l s h i n gt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s ( p o l i s h i n gd i s cr o t a t i o n a ls p e e d ，l o a d i n gm e t h o d ，l o a d i n gp r e s s u r e ， p o l i s h i n gf l u i da n ds oo n ) o nt h es u r f a c eq u a l i t ya n dw o r ke f f i c i e n c yo ft w o - s i d e d p o l i s h i n gw e r es t u d i e do nt h en e wd e v e l o p e de q u i p m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a tt h eu n i f o r m i t yo fw o r k p i e c ep o l i s h i n gw a sd i f f e r e n tu n d e rt h ed i f f e r e n ts p e e d r a t i o so fp o l i s h i n 9 0 k f h f 婷2 w p ) a n dc h a n g i n gs i t u a t i o n sc o n f o r m e dt ot h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t so f t h et h i r dc h a p t e r ：w h e ni n c r e a s i n gp o l i s h i n g p r e s s u r e ，t h ec h a n g eo fw o r k p i e c es u r f a c er o u g h n e s si sl i t t l e ，y e tt h er e m o v a lr a t e o fw o r k p i e c ei n c r e a s e s ：t h et y p ea n dc o n c e n t r a t i o no fp o l i s h i n gf l u i d sh a v eg r e a t i n f l u e n c eo nw o r k p i e c es u r f a c er o u g h n e s sa n dm a t e r i a lr e m o v a la m o u n t ，w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fp o l i s h i n gf l u i di n c r e a s e s ，也em a t e r i a lr e m o v a lr a t ei n c r e a s e s ，y e t t h ew o r kp i e c es u r f a c er o u g h n e s sd e c r e a s e s k e yw o r d ：s iw a f f e r ，d o u b l e s i d e dp o l i s h e r ，c h e m i c a la n dm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，t r a c k u n i f o r m i t y 浙江工业大学研究生学位论文 符号说明 刀中心轮半径f i l m r 行星轮半径m m 缈嚣行星轮公转的角速度r a d s 国，抛光盘角速度 鼠t 时间内行星轮绕公转角度 0 5 t 时间内行星轮自转角度 护口抛光盘转过角度 、i ，o i0 5 与x 轴正方向所成夹角 e 偏心距m m r 齿圈与中心轮的角速度速度比 名抛光盘上任意一点到其中心 的径向距离1 1 3 1 1 1 工件上任意点到其中心的 径向距离m m m r r 材料平均去除速率m m s p 压力p a 0 v 工件对抛光垫的平均相对速 率m s 表示工件厚度眦 s 是工件相对于抛光垫移动的 总路程m m 彤为p r e s t o n 常数 , f f 抛光均匀性函数 勋工件公转与抛光盘转速比 岛工件自转与抛光盘转速比 n 作用在工件上的正压力( n ) f 工件与抛光盘问摩擦力( n ) m 工件与抛光盘间摩擦系数 p 电电动机功率k w d 主轴最小直径m m 7 7 汽缸的负载率 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：b 瑰穆 日期：万年心月如日 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 1 、保密囝，在歹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“4 ) 作者签名：1 崞- 窈哆 导师签名：秒k a 日期：w 。侔 日期：年 f 1 ，月弓je 1 月日 浙江工业大学研究生学位论文 第一章绪论 本章简要地阐述了课题研究的背景和意义：介绍了超精密双面c m p 技术的加工机理，探 讨了超精密双面c m p 过程中各工艺参数对加工过程的影响：同时在对国内外超精密双面c m p 技术充分调研的基础上，分析了国内外超精密双面c m p 设备及加工工艺的研究现状，针对国 内单晶硅双面抛光技术的需求，提出了课题的研究内容。 1 1 课题研究背景及意义 随着微电子技术和信息技术的飞速发展，各种光电子元件得到惊人的发展， 它集成了现代机械、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术，已成为国家 科学技术发展水平的重要标志。同时，对光电子元器件的要求趋于高性能化，对 光电子元件的关键零件基片材料的表面光洁度和平整度等加工精度的要求也 越来越高n 】。对元件基片加工精度的要求甚至达到纳米级，超光滑表面均方根表 面粗糙度( r a ) 小于l n m ，并要求基片晶格具有无畸变的超精密无损伤表面，即表 面无任何破损和划痕、亚表层无破坏、无表层应力。因此如何高效地获得光电子 晶片超平滑无损伤表面已成为超精密抛光加工技术的研究热点。 硅( s i ) 是当前最重要、用途最广的半导体材料。半导体元件中有9 5 是由硅 材料制取的。随着大规模和超大规模集成电路的日益广泛应用，单晶硅半导体基 片的市场要求也越来越大。硅片平面度误差将直接影响光刻系统的聚焦，粗糙度 影响刻线尺寸与精度，缺陷数量和深度将影响元件的集成度和可靠性。在提高集 成度方面的技术发展和市场需求的推动下，单晶硅片的加工平面度由( 1 2 ) dm 7 6 r a m 发展到( 0 1 - - 0 3 ) m ( 7 6 4 0 0 ) m m ，表面粗糙度r a 值要求达到0 5 l n m ，变质层深度由原来接触抛光的深刻伤发展到浮法抛光的无损伤。要获得0 1 j m ( 3 0 0 - 4 0 0 ) m m 的平面度，刻线宽度达到0 1 8 m 变质层深度在0 2 0 3 m ，集成度达到1 - - - 4 g b i t d a r m 以上的单晶硅片来说，超精密抛光加工技术 成为解决这一问题的关键乜，。 目前，硅片主要加工工艺流程如图卜l 所示。其中保证表面完整性和宏微观 几何精度的核心工序是硅片的研磨( 或磨削) 、腐蚀和抛光。通过研磨直接去除切 片带来的变质层，获得高的平面度和较好的表面完整性；通过腐蚀达到去除研磨 变质层为抛光获得超光滑表面做准备；在这些工序中，如果有一道工序达不到预 江i n 大# w 究生学位论文 想的效果，就会导致生产率下降，后续工序无法达到所需的质量。硅片的超精密 加工技术已成为硅片加工研究的焦点。 直日懑通 扪 一神 固翌鎏c 。 俘f 始 函日事题 图卜1 单晶硅片制取的主要工序 最初对单晶硅等光电子基片材料进行超精密加工大多采用机械抛光的平整方 法，但得到的表面损伤极其严重“1 。随着光电予产品表面质量要求的不断提高，表 面平坦化技术也在不断提高，对原有的加工技术进行了许多变革或采用新原理的 加工方法。同时随着人们对超精密表面形成机理认识的深入和超精密检测技术水 平的提高，人们把不同的物理过程、不同的化学过程应用于加工工艺中，开发新 的加工技术和工艺，形成了一系列的无加工变质层、无表面损伤的超精密抛光方 法。如化学机械抛光、机械化学抛光、水合抛光、浮法抛光、弹性发射抛光、磁 悬浮抛光和磁流体抛光等，开发了单晶硅等光电子元件材料的化学抛光、机械化 学抛光、电化学抛光、化学机械抛光、浮法抛光、电泳抛光、超声波振动抛光以 及离子束抛光等加工技术及其相应的加工设备。 化学机械抛光( 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 ) 简称c m p ，是利用固相反应 抛光原理的加工方法之。它有着悠久的历史，自从1 9 9 1 年i b m 首次将化学机械 抛光技术成功应用于6 4 m bd r a m 的生产中“1 ，它在半导体制造技术中已经被业界 公认为最行之有效的全局平坦化技术。用这种方法可以真正使整个品片表面平坦 化，而且具有加工方法简单、加工成本低等优点，成为单晶硅等各种光电子元件 基片材料最重要的加工方式，引起了人们广泛的研究兴趣。化学机械抛光是为克 服化学抛光和机械抛光的缺点，吸收它们的优点而提出的。它在机械抛光过程中 加进了化学反应，通过机械和化学两种作用加快抛光过程。如果机械作用和化学 作用达到平衡，就有可能获得无损伤超精密加工表面，这样既可避免传统抛光加 圭 浙江工业大学研究生学位论文 工引起的加工表面损伤，又可提高加工效率。而且c m p 几乎可对所有材料的表面 进行加工h 1 。 超精密双面抛光加工应用化学机械抛光( 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 ， c m p ) 技术，以磨粒的微小塑性切削生成切屑为主体而进行的，在材料切除过程中 会由于局部高温、高压而使工件与磨粒、加工液及抛光盘之间存在着直接的化学 作用，并在工件表面产生反应生成物。由于这些作用的重迭，以及抛光液、磨粒 及抛光盘的力学作用，使工件表面的生成物不断被除去而使表面平滑化。这种技 术是在单面抛光加工技术的基础上发展起来的，它能避免由夹具的粘结误差及薄 片工件两面的应力差引起的变形问题，因此双面抛光具有与单面抛光加工相比加 工效率高，表面变形小，易获得超光滑加工表面的优点。同时在对要求两个相互 平行的平面表面的工件( 如集成电路芯片、计算机硬盘基片、平面显示器的玻璃 等) 进行抛光加工时，采用两个平行平面同时进行抛光加工，其加工效率要比分 别抛光加工两个平面要高出很多。所以一般取代替单面抛光加工，成为这类晶片 超精密表面加工的主要方法。但由于双面抛光过程的复杂性和不可视性，往往需 要特定的实验，获得实验结果来说明抛光机理n 3 。因此对晶片双面抛光加工过程中 表面材料去除过程及抛光过程中各种工艺参数优化国内外都未进行深入的研究， 没有一种严密的理论能够对双面抛光加工的完全特征作定量的描述，这就极大地 阻碍了单晶硅等光电子晶片加工技术水平的提高。 目前我国超精密加工研究与应用水平还落后于工业技术发达国家，我国虽有 众多光电子材料晶片生产企业，但多数工厂只能完成研磨加工及少量产品的单面 抛光加工，尚存在工件加工表面平整度差，加工效率低等诸多问题，这一现象严 重制约着生产企业的发展。而采用双面抛光加工需要精密的加工设备以及极为严 格的加工工艺。目前我国只有兰新集团等少数企业在研制这方面的产品，但由于 没有较好的研究基础以及完善的工艺方案，无法满足光电子生产企业对光电子材 料超精密表面的加工要求。国际上只有美国、日本、英国等少数工业发达国家能 够生产双面抛光机产品，而他们对加工工艺技术始终保密，昂贵的进口价格也让 国内产家望而却步。因此开展超精密双面抛光机的研制，同时开展晶片双面抛光 加工工艺技术的基础研究，掌握晶片在双面抛光加工过程中的运动规律、晶片运 动轨迹、运动速度及各加工参数对晶片抛光表面质量和加工效率的影响规律，为 新研制的双面抛光机提供优化的加工工艺参数，从而指导生产实际是十分必要的 3 浙江工业大学研究生学位论文 这。不仅对完善超精密加工技术理论体系，促进我国在这一技术领域赶超世界先 进水平具有重要的科学意义；同时，对形成具有自我知识产权的双面抛光加工设 备及工艺技术，提高我国单晶硅等光电子产品质量，加快实现我国信息产业中光 电子材料器件国产化目标和出口创汇具有极大的现实意义。 因此，本课题以解决单晶硅等光电子晶片n t 领域所涉及的超精密加工关键 技术问题a 级双面抛光技术为突破口，争取在其基础理论和实验的源头创新上有 所突破。 1 2 超精密双面抛光加工机理 1 2 1 超精密双面抛光过程描述 一般的超精密双面抛光系统构造如图1 - 2 所示，整个系统是由一个旋转的硅 片夹持器、加载的上抛光盘、承载下抛光垫的工作台和抛光液供给装置四大部分 组成。抛光过程中，旋转上抛光盘以一定的压力压在旋转的工件和抛光垫上，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，并产生 化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨粒的机械作用去除，即在化学成膜和 机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工，人们称这种超精密表面加工为游离 磨料c m p 。在c m p 中，由于选用比工件软或者与工件硬度相当的磨粒，在化学反应 和机械作用的共同作用下从工件表面去除极薄的一层材料，因而可以获得高精度、 低表面粗糙度、无加工缺陷的工件表面。但是目前对于反应层产生和去除的细节 问题还不是非常了解阳】。 夹持 图1 - 2c m p 原理图 4 抛光垫 浙江工业大学研究生学位论文 由于在化学机械抛光的研究中，不同的研究人员和专业技术人员，强调了不 同的材料去除过程的主导因素，产生了不同的c m p 术语。第一种是 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 i s h i n g ( v o r ae ta 1 1 9 8 2 ) ，第二种 是t 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 ，1 9 8 4 ；f i s c h e r ，1 9 8 8 ) ，第三种称之为 c h e m i c a l - m e c h e m i c a lp o l i s h i n g ( n a n za n dc a m i l l e e t t i ，1 9 9 5 ) 。 在c h e m o - m e c h a n i c a lp o i s h i n g 中，认为材料去除的驱动因素是化学反应， 在由紧随其后的机械作用将反应产物去除。相反，在m e c h a n o c h e m i c a lp o i s h i n g 中，则强调的是伴随有化学作用的机械作用。而t i b o c h e m i c a lp o l i s h i h g 则认 为摩擦作用是反应层形成的主要原因，而无需特殊的磨料。在 c h e m i c a l - m e c h e m i c a lp o l i s h i n g 中，需要一种特殊的液体介入与工件材料的反应 过程，反应生成物由后续的磨料机械作用去除。 c h e m o - m e c h a n i c a lp o i s h i n g 和c h e m i c a l - m e c h e m i c a lp o l i s h i n g 的区别在于 前者的化学作用是在一定的抛光条件下，在工件材料与磨料之间产生的，反应生 成物由磨粒的机械作用去除。由于材料去除的主导因素不是磨料的机械作用，这 些磨粒的硬度可以低于工件材料的硬度。而在c h e m i c a l m e c h e m i c a lp o l i s h i n g 过程中，工件材料与液体发生反应，并由磨料的机械作用去除反应生成物。 c h e m o - m e c h a n i c a lp o i s h i n g 作用的产生取决于合适的磨料，工件材料以及加 工环境的相互作用。在短时间内，接触区域的压力和温度需要达到一定的阀值以 启动化学发应。阀值的大小取决于发应生成物的类型。这一过程生成一些比工件 材料或磨粒更“软”的产物。这样，在保证不造成脆性材料脆裂损伤的前提下， 获得较高的材料去除率。另外，由于材料去除主要依靠化学亲和力而不是机械硬 度，就可以使用比工件材料更软的磨料。因此，就不会产生划痕或槽沟等缺陷。 y a s u n a g a 等人( 1 9 7 4 ，1 9 7 7 ，1 9 7 9 ) 采用软质的磨料抛光单晶蓝宝、硅和石英， 首先论证了m e c h a n o c h e m i c a lp o i s h i n g 能够获得无损伤的光滑表面。 c h e m o m e c h a n i c a lp o i s h i n g 作用可以用于抛光各种材料，包括蓝宝石、硅、 碳化硅、石英、砷化镑以及各种铁氧体，而不会产任何不良效应。c h e m o - m e c h a n i c a l 可以克服由硬质磨料造成的表面损伤，如由脆性裂纹形成的麻点，晶粒移动，抛 光造成的划痕，能获得光滑，无损伤表面。但是，如果c h e m o - m e c h a n i c a l 过程中， 反应生成物残留在表面或扩散到工件材料中，就可能会影响产品的性能和稳定性。 因此，必须保证把反应生存物从工件表面和次表面上清除。 浙江工业大学研究生学位论文 可见，不同的研究人员和专业技术人员对不同的材料的c m p 加工中的机械作 用、流体力学、化学作用等诸多方面进行了广泛的研究。但鉴于化学机械抛光的 复杂性，已有的c m p 研究都只是从某个方面或侧面对c m p 进行了简化分析或研究， 还缺乏一个能够综合考虑各方面因素的c m p 模型，本文的单晶硅双面抛光机理根 据加工状态偏向于c h e m o - m e c h a n i c a lp o i s h i n g ，认为材料去除的驱动因素是化学 反应，在由紧随其后的机械作用将反应产物去除。 1 2 2 超精密双面c m p 系统过程变量对抛光过程的影响 超精密双面c m p 技术所采用的设备和消耗品包括：抛光机、抛光液、抛光垫、 后清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等口1 ：其中抛光 液和抛光垫为消耗品，一个完整的超精密双面c m p 工艺主要由抛光、后清洗和计 量测量等部分组成，抛光机、抛光液和抛光垫是超精密双面c m p 工艺的三大关键 要素，其性能和相互匹配决定了能达到的表面平整水平。因此，超精密双面c m p 系统，包括很多变量：设备过程变量、晶片本身变量、抛光液变量以及抛光垫变 量等，具体内容如图卜3 所示。 图卜3c m p 系统主要过程变量 6 浙江工业大学研究生学位论文 为了更好控制抛光过程，需要详细了解每一个超精密双面c m p 参数所起的作 用以及它们之间微妙的交互作用。然而影响化学作用和机械作用的因素很多四q 列， 因此在进行化学机械抛光时要综合考虑上述各种因素，进行合理优化，才能得到 满意的结果。下面根据国内外学者对化学机械抛光的研究结果，总结c m p 系统中 各因素对抛光质量影响的一般规律。 ( 1 ) 抛光压力p 。抛光压力对抛光速抛光质量影响率和抛光表面质量影响很大， 通常抛光压力增加，机械作用增强，抛光速率也增加，但使用过高的抛光压力会 导致抛光速率不均匀、抛光垫磨损量增加区域温度升高且不易控制、使出现划痕 的机率增加等，从而降低了抛光质量。因此抛光压力是抛光过程中一个重要变量 ( 1 9 - 2 t 拍】 ( 2 ) 相对速度v 。相对速度也是抛光过程的一个重要变量，它和抛光压力的匹 配决定了抛光操作区域。在一定条件下，相对速度增加，会引起抛光速率增加。 如果相对速度过高会使抛光液在抛光垫上分布不均匀、化学反应速率降低、机械 作用增强，从而晶片表面损伤增大，质量下降。但速度较低，则机械作用小，也 会降低抛光速率n 州铂。 ( 3 ) 抛光区域温度。一般情况下工作区温度升高，加强了抛光液化学反应能力， 使抛光速率增加，但由于温度与抛光速率成指数关系，过高的温度会引起抛光液 的挥发及快速的化学反应，表面腐蚀严重，因而会产生不均匀的抛光效果，使抛 光质量下降。但工作区温度低，则化学反应速率低、抛光速率低、机械损伤严重； 因此抛光区应有最佳温度值。通常抛光区温度控制在3 8 5 0 ( 粗抛) 和2 0 一3 0 ( 精 抛) 啪】。 ( 4 ) 抛光液粘度、p h 值。抛光液粘度影响抛光液的流动性和传热性。抛光液 的粘度增加，则流动性减小，传热性降低，抛光液分布不均匀，易造成材料去除 率不均匀，降低表面质量。但在流体动力学模型中阻2 2 洲2 5 1 抛光液的粘度增加， 则液体薄膜最小厚度增加、液体膜在硅片表面产生的应力增加，减少磨粒在硅片 表面的划痕，从而使材料去除增加。p h 值对被抛表面刻蚀及氧化膜的形成、磨料 的分解与溶解度、悬浮度( 胶体稳定性) 有很大的影响，从而影响材料的去除率和 表面质量，因此应严格控制n 蝴姆删。 ( 5 ) 抛光垫。抛光垫材料通常为聚氨酯或聚脂中加入饱和的聚氨脂乜7 吲，它的 各种性质严重影响被抛光硅片的表面质量、平坦化能力和抛光速率伽1 。抛光垫的 7 浙江工业大学研究生学位论文 硬度对抛光均匀性有明显的影响，当使用硬抛光垫时可获得较好的晶片( w i t h i n w a f e r w l w ) 均匀性，使用软抛光垫可获得较好的表面质量和改善芯片内( w i t h i n d i ew i d ) 均匀性n 厶捌抛光垫的多孔性和表面粗糙度将影响抛光液的传输、材料去 除率和接触面积。抛光垫越粗糙，则材料去除率增大，接触面积越大；抛光垫使 用后会产生变形，表面变得光滑，孔隙减少和被堵塞，位抛光速率下降，必须进 行修整来恢复其粗糙度，改善传输抛光液的能力，一般采用钻石修整器修整。 ( 6 ) 磨粒尺寸、浓度及硬度。c m p 的磨粒一般有c e o 、s i o n 孔1 6 一 ，其尺寸在 2 0 - 2 0 0 m m 之间一3 一乱蚓。一般情况下，当磨粒尺寸增加，抛光速率增加，但磨粒 尺寸过小则易凝聚成团，使晶片表面划痕增加；磨粒硬度增加，抛光速率增加， 但划痕增加，表面质量下降n 吼2 7 1 。磨粒的浓度增加时，材料去除率也随之增加， 但当磨粒浓度超过某一值时，材料去除率将停止增加，维持一个常数值，这种现 象可称为材料去除饱和，但磨粒浓度增加，晶片表面缺陷( 划痕) 增加，表面质量 降低1 1 川，川。 综合以上研究结果可见，c m p 是一个复杂的化学机械过程，它与被抛光材料、 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 它们之间存在复杂的相互作用口1 。如何实现这些因素的相互最佳配合，以达到满意 的超精密加工效果仍是目前抛光加工技术研究的重点。在c m p 加工中，随着具体 实验对象，实验条件的不同，c m p 工艺参数会以不同的方式和程度影响最终的抛光 效果，因此这些研究的结果有一定的局限性，另外这些研究大多是针对单面抛光 加工的，对双面抛光的加工参数的研究相对较少，本文着重对超精密双面抛光时 影响抛光均匀性的一些相关加工工艺参数开展研究。 1 3 国内外研究现状 化学机械抛光技术c m p 是目前应用最广泛，抛光质量和效率较高，技术比较 成熟的一种抛光方法。最早的c m p 技术是由i b m 公司于8 0 年代中期利用s t r a s b a u g h 公司的抛光机在e a s t f i s h k i l l 工厂进行工艺的开发。1 9 8 8 年，i b m 开始将c m p 工 艺用于4 m d r a m 器件的制造通过一段时间的进步发展后各种逻辑电路和存储器便以 不同的发展规模走向铡p 。到1 9 9 4 年，随着o 5 m 器件的批量生产和0 3 5 m 工艺的开发，c m p 工艺便逐渐进入生产线。到目前为止，在美国、日本、法国、德 浙江工业大学研究生学位论文 国以及韩国和台湾地区都在对此技术加速研究与开发，并呈现出高竞争势头n 1 。 1 3 1 超精密双面抛光加工设备的研究现状 抛光机作为c m p 加工的场所，它本身的精度及系统的性能要求非常高。传统 的硅片抛光机床通常包括多个夹盘工作台，保证由一个或多个抛光盘同时加工所 有硅片。然而，在硅片加工过程中，传统研抛机床的抛光盘以不变的进给率移动， 磨削力常常发生变化，易使硅片产生破损和过热，灼伤硅片。在抛光轮离开盘开 过程中，硅片背面易出现卷曲现象，影响加工精度。因此，改进传统的研磨抛光 方法和设备，控制研磨抛光过程中作用在硅片上的磨削力成为提高晶片加工精度 和成品率的重要手段。 在1 9 9 8 年b b mi c h a e l 等人开发了m o d e l7 ag 晶片研磨机口别，如图i - 4 ， 该研磨机包含一个具有压力传感功能的研磨轮，研磨轮的主体是一个圆盘，圆盘 上有多个空穴，每个空穴装有一个磨具和一个压力传感器，传感器位于磨具和盘 体之间。加工时，压力传感器将每个磨具所承受的压力( 即磨具作用在晶片上的压 力) 信号传递给控制器，控制器以此调节驱动电机和进给机构，实时改变进给速 率，使加工过程始终保持最佳状态。这种方法可以对研磨轮进给率进行实时调整， 以控制作用于晶片上的磨削力，对加工效率有所改善。 2 0 0 1 年袁巨龙等人研制开发了修正环型抛光机密抛光机口引，如图1 - 5 ，其特 点是：将薄片工件粘贴在平行平面夹具上，作为名义大口径厚工件加工，并通过 修正环的旋转来实时连续修正抛光盘的平面度。采用这种加工方法，可通过理论 推导出高精度的平面加工条件，并可通过在粘接工件薄片的夹具上附加一个与夹 具同一直径的斜切圆柱砝码来修正平行度。其可操作性好，修正效果的再现性较 高，加工精度高，但加工效率低。 2 0 0 0 年高宏刚等人研制了采用锡磨盘的f p 5 0 0 型超精密平面研抛机口铂，其结 构示意图如图卜6 ，机床的主体结构类似于小型立式车床与立式端面磨床的合成。 固定在立式主轴上的研磨盘既是超精车的工件，又是超精抛光的磨具。车刀刀架可 实现水平连续进给与间歇进给，实现对磨盘的修整。工件被固定在工件轴的下端 面进行抛光。工件轴不仅具有很高的回转精度，而且使工件沿轴向可进行微位移 调整，以适应定间隙非接触抛光。这种抛光机可以减小在超光滑表面制造中对经 9 浙江工业大学研究生学位论文 验的依赖，提高加工精度及重复精度。 班蝓电机 主轴甩机 主籀箱 图i - 4m o d e l7 ag 晶片研磨机 图卜5 修正环型抛光机 工件辅徽谰机构刀粲静压导轨 图卜6f p 5 0 0 型超精密平面研抛机 前面三类平面抛光机通过对传统平面抛光机结构或控制系统的改进，在加工 精度上都有了一定的改善，但都只能进行单面抛光，控制还不完善，且加工生产 率较低。 国内传统的双面抛光机结构一般有以下二种： ( 1 ) 采用单电机通过齿轮传动使上下抛光盘、中心轮及齿圈运动，如图卜7 。 这种运动传递方式下抛光盘和工件分别只得到两种转速，不可调速；限制了 双面抛光加工运动轨迹的变化，难以通过运动参数的调节改善工件运动轨迹的分 布，提高加工精度。单立柱结构，刚性相对较差。控制系统不完善，只能简单地 手动控制或半自动控制。 ( 2 ) 采用二电机带动上下抛光盘及中心轮运动，齿圈不动如图1 - 8 。 这种传动形式的双面抛光机行星轮的转速只有三种，不可调速；齿圈固定， 工件运转速度较大，使得行星轮磨损较快，加工精度相对较低