（机械制造及其自动化专业论文）单晶硅片cmp磨损机理的模拟试验研究.pdf

摘要 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 ) 是芯片制造过程中频繁使用的最重 要的工序之一，对于提高芯片的成品率和加工质量以及保证芯片的使用性能和使用寿命 具有极其重要的作用，也是是当今的亚微米集成电路芯片同时保持整体和局部平面化的 一项最为重要的技术。随着芯片( 晶圆) 尺寸的不断增大和集成度的不断提高，对cm p 技术提出越来越高的要求，因此对这一领域的研究愈来愈受到重视。 然而，由于cmp 过程中是一个典型的材料化学磨损过程，其机理涉及到摩擦学、 力学、材料、表面物理和化学等多学科，使得对cmp 的去除机理的研究至今仍没有定 论。本文在提出单原子分子层吸附去除机理的基础上，建立了单颗磨粒的去除模型， 试验研究了该模型的合理性及影响因素，通过对cmp 抛光过程中抛光垫、磨粒以及抛 光液中的化学氧化作用的分析，最终建立了c m p 宏观去除模型。 本文得到的主要结论是： 1 在c m p 模型理论分析以及c m p 试验研究的基础上，提出了基于单分子原 子去除机理的单颗磨粒的去除模型，通过纳米压痕试验，验证了其合理性；通过原子力 显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ) 的动态扫描模拟试验，根据模型预测值与模拟试验 值的对比分析，提出了分子原子吸附率这一参数，使模型预测更为准确。 2 分别考虑了c m p 过程中抛光垫与材料的接触特性、磨粒特性以及抛光液中的 氧化作用特性，在单颗磨粒的去除模型基础上建立了cmp 宏观去除模型；该模型可较 好的解释c m p 过程中的化学氧化和机械吸附的协同作用以及预测c m p 过程中加载 载荷、磨粒的影响。 关键词：化学机械抛光、原子力显微镜、纳米压痕、模拟试验 m a b s l l u l c t a b s t r a c t c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dp o p u l a r p r o c e s s e si nt h ei cm a n u f a c t u r e ，a n di ta l s op l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e f i n i s h e dp r o d u c t sp o s s i b i l i t y 、q u a l i t y 、p e r f o r m a n c ea n d t h eu s a g el i f e f u r t h e r m o r e ，i ti sa l s of i ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo ft h el o c a la n dt h ew h o l ei n f l a t t i n gs u r f a c e b yt h ee n l a r g e m e n to ft h ew a f e ra n dt h el a r g e ri n t e g r a t i o n o ft h ei c ，t h e r ea r em o r ea n dm o r en e e d sa b o u tt h ec 肝h o w e v e r ，t h e0 4 pi sa t y p i c a l l yw e a rc h e m i c a lp r o c e s s ，a n dt h e r ea r et r i b o l o g y 、m e c h a n i c s 、m a t e r i a l a n ds u r f a c ep h y s i c si n v o l v e di ni t sm e c h a n i s m ，s oi t i sd i f f i c u l tt od e s c r i b e t h em e c h a n i s mi nd e t a i l b e s i d e sp u tf o r w a r daw e a rt h e o r yo fs i n g l ea t o m , t h e p a dc h a r a c t e r i s t i c s 、p a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r e a l s oc o m p r e h e n s i v et h o u g h t ，a n dt h e nt h ew h o l ec m pm o d e li sm a d e t h ep r i n c i p l ec o n c l u s i o n so ft h ep a p e ra r e ： 1 o nt h ef o u n d a t i o no ft h et h e o r ya n a l y s i sa n dt h ec m pe x p e r i m e n t s ，t h es i n g l e l p a r t i c l e sw e a rr a e c h a n i s mi sp r o p o s e d ，a n dt h en a n o - i n d e n t a t i o ne x p e r i m e n t s s h o wt h er a t i o n a l i t yo ft h et h e o r y ：b yt h ec o m p a r i s o no ft h ea f ms t i m u l a n t e x p e r i m e n t sa n dt h et h e o r y sf o r e c a s t ，t h ea d s o r p t i o nr a t ei sp u t t e di no r d e r t om a k et h em o d e lh a sm o r ep r e c i s i o n 2 o nt h ec o m p r e h e n s i v et h o u g h to ft h e p a dc h a r a c t e r i s t i c s 、p a r t i c l e c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i e s ，t h ew h o l ec m pw e a rm o d e li s p r o p o s e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t so ft h ec m ps u p p o r tt h em o d e la r ea l s od e s c r i b e d t h em o d e lc a nf o r e c a s tt h ef a c t o r so fa p p l i e df o r c e 、v e l o c i t ya n dp a r t i c l e s ， t h es y n e r g i e so fc h e m i c a la n dm e c h a n i c a la r ea l s of o r e c a s t 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 、a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y 、 n a n o i n d e n t a t i o n 、s i m u l a n te x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：圣盎 一日期：如1 年弓月z f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：纽导师签名：二旺 日期：) 叼年弓月f 第一章绪论 1 1 课题的来源及研究目的 1 1 1 课题来源 在当今的电子产业中，起先导作用的两个行业是微电子产品和计算机制造。它们 相辅相成，相互促进，使得各自都能高速发展，从而呈现出高集成度和高性能化的发 展趋势，因此对许多部件表面提出了前所未有的特殊要求。同时，随着半导体工业沿着 摩尔定律的曲线急速下降，驱使加工工艺向着更高的电流密度、更高的时钟频率和更多 的互联层转移如在计算机硬盘制造过程中要实现7 7 5 - 1 5 5g b c m 2 的存储密度，要求 盘片的表面波纹度w 。 0 1n m , 粗糙度r a 0 0 5 姗。由于器件尺寸的缩小、光学光刻设 备焦深的减小，要求材料表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级。传统的平面化技术 如基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃sog 、低压cvd 、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，虽然这些技术在i c 工 艺中都曾获得应用，但它们能提供的“光滑”表面，都是局部平面化技术，不能做到全局 平面化。在目前的微电子产品和计算机制造过程中的超精密表面加工领域，需要对于最 小特征尺寸在0 3 5pm 及以下的器件必须进行全局平面化，因此对于新的全局平面化技 术的需求迫在眉睫。 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芯片表面加工的要求。c m p 技术是机械磨削和化学氧化 的组合技术，它借助纳米磨粒的研磨作用以及浆料的化学氧化作用在被研磨的介质表面 上形成光洁平坦表面。作为新一代超精密表面制造方法之- - - - - - c m p 技术是目前最好的 实现全局平面化的工艺技术，在集成电路、计算机磁头硬磁盘等超精密表面加工领域 得到了大量研究和广泛应用。随着大规模集成电路的线宽不断下降，并向结构立体化、 布线多层化发展，对c m p 技术进一步提出了新的要求。根据美国微电子技术发展构图“1 ， 特征线宽到2 0 1 1 年将减d n 0 0 5 9 r a ，同时将开始使用4 5 0 m m 晶片，要求如此大尺寸 晶片表面具有纳米级面型精度和亚纳米级表面粗糙度，同时要保证表面和亚表面无损 伤，已接近表面加工的极限。目前，随着在国内芯片制造业的迅猛发展以及大量外国芯 片制造企业投资中国，对芯片制造过程中的一些关键技术的理论和应用研究也越来越引 起人们的高度重视。而其中c m p 是芯片制造过程中频繁使用的最重要的工序之一，对于 提高芯片的成品率和加工质量以及保证芯片的使用性能和使用寿命具有至关重要的作 用，也是当今的亚微米集成电路芯片同时保持整体和局部平面化的一项关键技术要 实现如此尖端的技术突破，必须深入探讨超精密抛光表面加工材料去除机理。只有深入 探讨c m p 加工工艺的去除机理，才能为更加精确有效地控$ 【| c m p 过程提供理论指导。但 由于传统的加工理论已不适用于解释抛光加工中的诸多现象，因此人们对于c m p 加工过 程中的材料去除的科学规律仍缺乏深入的了解，严格来说，c m p 材料去除机理目前仍 然没有完全被认识，开展这方面科学问题的研究，不仅有助于揭示在电子产品极限制造 江南大学硕士学位论文 条件下出现的新规律和新机制，而且对探索制造新原理和新方法有着重要的理论意义 本课题来源于江苏省自然科学基金项目( b i ( 2 0 0 4 0 2 0 ) 。 1 1 2 研究目的 本课题利用纳米压痕仪和原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，趾m ) 探针 模拟c m p 过程中的纳米磨粒对于单晶硅片表面的微观磨损及相互作用，通过纳米压痕 仪得到压痕深度一加载载荷对应关系的相关试验数据，来验证我们所提出的单分子原 子层吸附机理的合理性；通过改变影响参数所得到的a f m 探针模拟单颗磨粒的磨损速 率的试验数据，依此来验证并完善基于吸附机理所建立的单颗磨粒在材料表面的吸附去 除速率的数学模型，最终在此单磨粒吸附去除模型基础上考虑抛光垫与芯片的微观接触 特性、磨粒特性以及抛光液的化学反应特性来建立c m p 宏观过程中芯片表面材料去除 速率的数学模型。 1 ) 分析目前c m p 的各种去除模型，利用有关的理论建立单分子原子吸附去除模 型： 2 ) 借助纳米压痕仪模拟磨粒在连续载荷作用下，单晶硅片压痕深度、接触面积以 及单晶硅片表面物理性能随着压痕深度变化趋势；利用a f m 探针来动态模拟c m p 过程 中单颗磨粒在不同载荷与速度下对单晶硅片表面的微观磨损及相互作用； 3 ) 以微观模拟试验数据为依据，通过与单分子原子吸附模型理论预测值的对比分 析，对单分子原子吸附去除模型进行验证和完善； 4 ) 在单颗磨粒吸附去除模型的基础上，建立基于非连续介质理论的c m p 宏观去除 模型。 1 2 研究背景及现存问题 1 2 1 研究背景 c m p 技术的最早出现是在2 0 世纪8 0 年代中期，为满足光刻工艺的平坦化要求， i b m 公司利用s t r a s b u r g h 公司生产的抛光机在e a s tf i s h k i l l 公司首先进行c m p t 艺开发。 然后，在1 9 9 1 年i b m 首先开始将c m p 工艺用于6 4 m bd r a m 的生产中之后嘲，该技术 便顺利而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。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 的c m p 需求也有着显著增长，绝大多数的半导体厂家除了采用了金属c m p ，而且有能力 发展第二代金属c m p1 1 2 艺。据报道，1 9 9 6 年日本最大十家l c 制造厂家中，有七家在生产 0 3 5 ；t m 器件时使用了c m p 平坦化工艺，韩国和台湾也已开始应用该技术。近年来，c m p 的技术发展尤为迅猛，在过去三年中，化学机械抛光设备的需求量已增长了三倍，并且在 今后的几年内，预计c m p 设备市场仍将以6 0 的增长幅度上升。c m p 技术成为目前最好 也是唯一的可以提供在整个晶片上全面平坦化的工艺技术。同时c m p 技术的进步也直 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 e s i ，法国研究公司l e t l 和c n e t ，德国f r a u n h o f c r 研究所等，日本和亚洲其它国 绪论 家和地区如韩国、台湾等也在加速研究与开发，并呈现出高竞争势头，并且研究从居主 导地位的半导体大公司厂家的工艺开发实验室正扩展到设备和材料供应厂家的生产发 展实验室。 1 2 2 理论研究 由于对c m p 过程的精确控制在很大程度上取决于我们对其材料去除机理的认识， 而我们知道c m p 过程是一个典型的材料化学氧化与机械磨削的协同作用过程，其去除 机理涉及到摩擦学、化学、流体力学和表面物理等诸多过程的综合作用，因此要实现对 c m p 生产过程的精确控制，就有必要对c m p 过程中材料的去除机理进行深入的探讨和 研究。 目前国内对c m p 机理基础方面的研究很少，主要集中在c m p 抛光液的研制、c m p 影响因素、以及c m p 电化学行为等方面”x u ”等研究了c m p 过程中抛光液磨粒对芯片 表面问冲蚀作用的机理；张朝辉”1 等根据连续流体理论建立t c m p 过程的润滑方程，并 采用线松弛和多重网格耦合法对方程进行了求解，在一定范围内用实验研究了微极性效 应对c h p 中材料去除速率的影响，证明了分析的合理性，然而这一分析模型忽略了抛光垫 和其他一些因素的影响，因而其结果只有定性意义 而目前国外对c m p 去除机理有较为深入的研究，主要有以下几种观点： 一种是由r u n n e l s 1 等人提出来的，认为载荷完全由流体动压润滑膜承担，待抛光 芯片表面材料的去除是由抛光液的剪切冲蚀所致，并应用静态不可压缩n a v i e r - s t o k e s 流体动力学方程建立芯片表面材料的去除流体冲蚀去除模型。但这种观点难以解释抛光 过程中抛光液所含磨粒以及化学作用对抛光效果的巨大作用，同时也无法解释抛光盘表 面粗糙度对其影响；实验证明“，若无磨粒或化学作用的影响，芯片的抛光速度至少下 降一个数量级，同时通过计算发现，抛光液中磨粒的切向运动所提供的能量比晶圆表面 材料磨损所需的能量至少低2 个数量级。而在l e v e r t 等人的试验模拟中证实“”，当c m p 处于完全流体动力润滑区时，抛光速度极其缓慢。因此可以认为磨粒的冲蚀磨损不是c h p 中材料去除的主要机理。 另一种观点认为：载荷由流体动力膜和抛光盘表面接触两部分共同承担，这是比较 合理的。但该观点又认为晶圆材料的磨损是由抛光盘表面的微凸体对晶圆表面材料的直 接机械作用所致“。该观点的后种假设同样无法解释抛光液中磨粒与化学因素对c m p 的强大促进作用。 第三种观点由s h i 等提出“日：认为载荷完全由抛光盘接触表面所承担，在抛光过程 中，大量磨粒被牢固地镶嵌在柔软的抛光盘表面，每个镶嵌的磨粒相当于1 个固定磨料， 其被压入芯片表面一定深度并沿芯片表面进行犁削运动，从而使被抛光芯片表面材料经 由磨粒磨损而去除。据此可以较为圆满地解释抛光液的化学作用、磨粒、抛光盘粗糙度、 速度和压力等对材料抛光速率的影响。不少研究者依据该机制分别推导出了表征材料去 除速率同抛光盘转速，压力及磨粒特性等之间关系的方程，有关理论计算结果同试验结 果基本吻合。然而，s h i 等”所提出的机理同样存在不足，一方面，就典型的c g p 试验 3 江南大学硕士学位论文 而言，磨粒平均直径约为5 0 h m , 根据接触力学理论计算得到的芯片表面磨粒压入深度小 于0 1 n = ，即小于原子尺寸，其不可能归因于经典的磨粒磨损；另一方面，磨粒磨损机 制应该对应于芯片表面的大量犁沟或划痕，但大量实验表明芯片抛光表面并不存在犁沟 或划痕。此外，磨粒磨损机制所对应的磨损率应随磨粒尺寸增加而增大，但实验结果与 此相反n 2 1 。 对于以上所提出的磨损机理的不足。z h a o 嘲提出了。克服表面分子键能的表面原子 分子氧化磨损机理”。该机理认为：c m p 的过程是表面最外层的原子或分子不断氧化 和去除的动态平衡过程，化学作用在于通过氧化反应削弱了表面分子原子的键能，而 机械作用则是通过镶嵌磨粒把键能弱化的表面分子原子去除，并在此基础上建立了表 征抛光速率的数学模型。分子层磨损机理与磨粒磨损机理有着本质的不同，前者是基于 分子尺度上的材料磨损，后者是基于经典的宏观磨损理论。单分子层磨损模型不但圆满 地解释了主要因素如抛光液磨粒速度和压力对抛光速率的影响，其定性预测结果与已有 的宏观实验事实完全一致，而且非常成功的解释了c m p 过程中机械和化学各自以及两 者的协同作用。然而，该模型中同样存在着不完善之处，一是在模型中存在着尚待确定 的参数：表面分子的氧化百分数和磨损百分数，该模型只是定性模型，不能定量预测： 其次该模型预测的结果的对比仅限于宏观，在微观上还有待于更多试验事实的支持。 上述关于c m p 理论的不同数学模型的建立，都是基于理论假设和宏观的部分实验 结果，存在着各种各样的不足，要解决这些问题迫切需要微观试验结果的支持，也只有 通过微观机理的研究才有可能建立正确的c m p 材料去除模型。 1 2 3 试验研究 c m p 的原理就是把待抛光的晶圆( 即芯片) 正面向下压到橡胶材料制作的抛光盘上， 抛光盘与晶圆以同样的速度同向旋转，以保证晶圆上各点相对于抛光盘的滑动速度完全 一致。在两者之问通有连续流动的抛光液，抛光液中包含有可与晶圆表面材料发生化学 作用的成分和纳米量级的陶瓷抛光材料。c m p 原理示意图如图1 所示。 ： ! 图1c 卿抛光原理示意图 目前国内的试验研究主要是集中在c m p 影响参数的研究上h ”1 ”，所得出的试验结 果，对于c m p 抛光速率的影响往往只能够在定的范围内给出定性的结果；对于c m p 4 过程中材料的去除机理也仅仅是给出初步的探讨，也没有建立相应得去除模型；而对于 影响c m p 抛光速率参数的定量分析几乎都不能给出 国外对于c m p 模型试验的研究有着比较广泛的探讨，一部分研究是运用x 射线光 电子能谱( x p s ) 、原子力显微镜( a f m ) 、扫描隧道显微镜( s t m ) 等先进表面分析技术， 对c m p 过程中前后芯片表面形貌的变化及其表面材料组成的变化进行了比较分析1 ” 根据这些试验结果给出的结论，只是给出了对于c m p 抛光过程中影响参数定性的考虑 以及导致该结果产生的可能原因，但是仍然没有给出相应对于影响参数的改变对于c m p 抛光速率定量的影响，具体的材料的去除机理和相应数学模型同样没有给出。另一部分 学者则是通过以a im 探针来初步模拟了抛光液中的单个磨粒对于芯片表面的相互作用 与微观磨损，通过相应的模拟试验结果与宏观的c m p 中单个颗粒的磨损进行对比分析， 来试图阐明其存在误差的可能原因，然而可惜的是，相应的去除机理与数学模型仍然没 有给出。b e r d y y e v a 等人在c u 的a f m 模拟试验中所得出的结论与宏观的结果相差了 1 2 个数量级，但由于其在考虑a f m 的去除速率时没有考虑到c m p 过程是抛光液中化 学成分的氧化与磨粒机械去除的连续过程，以及在其计算去除速率时没有考虑到探针在 平面的移动时间等因素，这些都可能是造成与宏观磨损量相差1 “2 个数量级的原因； x i y o s h i “”等人则在关于s i 的a f m 模拟试验中采用了p r e s t o n 经验模型来与c m p 宏观 的磨损量进行了比较，除了在经验系数k 的值比较接近外，在去除速率与磨损量方面相 差甚远，这可以归咎于其选择的c m p 去除模型的缺陷以及其在计算时假定了所有的载 荷加载在抛光盘与芯片之间，当然，其选用的探针的材料与抛光液中的磨粒的半径以及 硬度的差异亦可能是造成其差异的原因之一 几乎所有的c m p 去除机理的研究首先是研究抛光材料或抛光工艺参数的变化对抛 光速率的影响”，然后从中推测出物理或者数学模型，最后再将模型应用于有限的实验 中来验证。迄今为止仍没有能完整描述c m p 材料去除机理的模型，这与不能从大量抛 光因素中准确提炼出关联机理的信息密切相关。因此，有必要首先对于抛光过程中一些 本质问题进行研究，然后在此基础上展开对抛光机理的探讨。在芯片的c m p 过程中， 抛光液中一般含有大量的纳米磨粒，而磨粒与芯片间的相互作用与微观磨损很可能就是 c m p 中芯片表面材料去除的主要机理，抛光液中的化学成分则促进了芯片表面材料的 去除。因此，选择相应的试验设备来模拟磨粒在c m p 抛光过程中单颗磨粒对于芯片表 面的相互作用与微观磨损便成了研究c m p 去除机理必不可少的准备工作之一 1 3 本论文研究的主要内容 1 ) 在经典摩擦磨损理论以及各c m p 磨损机理理论分析的基础上，通过薄膜厚度试 验与c m p 理论模型预测值的对比分析，寻求c m p 过程中单颗磨粒去除的机理，并构建 单颗磨粒的新型去除模型； 2 ) 采用纳米压痕仪来研究磨粒在加载载荷作用下对硅片表面的压痕深度以及表面 物理性能参数影响，并以c m p 通常工艺下的单颗磨粒压入深度的理论计算值与压痕试 验值对比探讨，从而证明新建模型的合理性； 江南大学硕士学位论文 3 ) 采用a f m 探针迸行纳米磨粒的模拟试验研究，以一定曲率半径的探针来模拟 c m p 中单个磨粒对芯片表面的相互作用和微观磨损，通过调节相应探针的扫描速率、 设定值的大小，试验研究不同扫描速度以及加载载荷作用下对磨损速率的影响，修正所 建模型； 4 ) 研究c m p 过程中抛光垫与芯片的微观接触特性、磨粒特性以及抛光液的化学反 应特性对去除率的影响，建立相应数学模型，结合所建单颗磨粒去除模型，得出c m p 宏观去除模型，并以相应c m p 宏观试验进行验证。 6 本章参考文献 1 l h h np0 t h e3 0 0m mw a f e r ac o s ta n dt e c h n o l o g yc h a l l e n g e m i c r o e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g 。2 0 0 1 ，5 6 ：3 1 3 2 雷红，雒建斌，马俊杰。化学机械抛光( c m p ) 技术的发展，应用及存在问题 j 】 润滑与密封，2 0 0 2 ，4 3 王新，刘玉岭，u l s i 铜互连线c 肝抛光液的研制，半导体学报，v o l 2 3 ，n o 9 ，2 0 0 2 4 何捍卫，胡岳华，黄可龙。铜在氨水铁氰化钾c m p 抛光液中抛光速率及其影响因素 的研究，电化学，v o l 8 ，2 0 0 2 5 狄卫国，杨明，刘玉岭。超大规模集成电路制备中硅衬底抛光液研究，石家庄铁道学 院学报，v o l 1 6 ，n o 4 6 徐进，雒建斌含纳米粒子溶液对单晶硅表面的冲蚀磨损损伤实验研究摩擦学学报， v 0 1 2 6 ，n o 1 ：7 - i i 【7 张朝辉，雒建斌，温诗铸化学机械抛光中纳米颗粒的作用分析物理学报，v 0 1 5 4 。 5 ：2 1 2 3 - 2 1 2 7 8 s r r u n n e l s 。f e a t u r e s c a l ef l u i d b a s e de r o s i o nm o d e l i n gf o rc 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 ，j o u r n a lo fe l e c t r oc h e m i c a ls o c i e t y ，v o l1 4 1 ，n o 7 ， p p 1 9 0 0 1 9 0 4 ，1 9 9 4 9 i s r r u n n e l sa n dl m e y m a n ，t r i b o l o g ya n a l y s i so fc 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 ，j o u r n a l o fe l e c t r o c h e m i c a l s o c i e t y ，v 0 1 1 4 1 ，n o 6 ，p p - 1 6 9 8 1 7 0 1 ，1 9 9 4 1 0 j l a r s e n - b a s ea n dh l i a n g ，p r o b a b l er o l eo fa b r a s i o ni 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 gt u n g s t e n w e a r 2 3 3 2 3 5 ( 1 9 9 9 ) 6 4 7 6 5 4 1 1 l e v e r tj a ，m e s s f m ，s a l a n t r f ，e t a l m e c h a n i s mo fc h e m i c a lm e c h a n i c a l p o l i s h i n go fs i 0 2d i e l e c t r i c o nc i r c u i ti n t e g r a t e d j t r i b o l o g y t r a n s a c t i o n s ， 1 9 9 8 ，4 1 ( 4 ) ：5 7 9 - 5 9 9 1 2 y u ，t k y u ，c c ，a n do r l o w s k i ，m ，as t a t i s t i c a lp l o i s h i n gp a dm o d e lf o r 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 ，t e c h d i g e s t ，i n t e l e c t r o n d e v i c e s m e e t i n g w a s h i n g t o n ，d c ，d e c 5 - 8 1 3 s h ifg 。z h a ob 。m o d e l i n go fc h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n gw i t hs o f t p a d s j h p p l i e dp h y s i c sa ，1 9 9 8 ，6 7 ：2 4 9 - 2 5 2 【1 4 b i e l m a n n 址e f f e c to fp a r t i c l es i z ed u r i n gt u n g s t e 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 j e l e c t r o c h e m i c a la n ds o l i d - s t a t el e t t e r s ，1 9 9 9 ，2 ( 8 ) ：4 0 1 4 0 3 1 5 z h a oy - c h a n gl ，k i msh am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rc 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 b a s e do nf o r m a t i o na n dr e m o v a lo fw e a k l yb o n e dm o l e c u l a r s p e c i e s j 】w e a r ，2 0 0 3 ，2 5 4 ：3 3 2 3 3 9 1 6 陈杨，陈建清，陈志刚，范真纳米磨料对硅晶片的超精密抛光研究摩擦学学报 7 江南大学硕士学位论文 v o l 2 4 ，n o 4 1 7 雷红，雒建斌，潘国顺纳米s i 0 2 粒子抛光液的制备及其抛光性能润滑与密封m a y 2 0 0 4 ，n o 3 ( s e r i a ln o 1 6 3 ) 1 8 g r y a n g ，yp z h a o ，y z h u ，t p a u lc h o w ，r o n a l dj g u t m a n n ，x p sa n da f m s t u d yo fc h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n go fs i l i c o nn i t r i d e ，t h i ns o l i d f i l m s3 3 3 ( 1 9 9 8 ) 2 1 9 2 2 3 1 9 d a v i dj s t e i na n dj o s e p hl c e c c h i ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，l a t e r a lf o r c e m i c r o s c o p y a n dt r a n s i m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p yi n v e s t i g a t i o n sa n da d h e s i o n f a r c em e a s u r e m e n t sf o re l u c i d a t i o no ft u n g s t e nr e m o v a lm e c h a n i s m s ”j o u r n a l o fm a t e r i a lr e s e a r c hv o l 1 4 n o 9 2 0 i t k b e r d y y e v a ，s b e m e r y ，a n di y u s o l o l o v ，i ns i t ua f ms t u d yo fs u r f a c e l a y e rr e m o v a ld u r i n gc o p p e r0 4 p ，e l e c t r o c h e m i c a la n ds o l i d - s t a t el e t t e r s ，6 ( 7 ) g 9 1 - g 9 4 ( 2 0 0 3 ) 2 1 徐进，雒建斌，路新春等超精密表面刨光材料去除机理研究进展科学通报， v 0 1 4 9 n o 1 ：1 - 6 8 第二章单颗磨粒的去除机理与数学模型 第二章单颗磨粒的去除机理与数学模型 无论心佃技术是应用在集成电路中的硅衬底、介电层、金属层，还是应用在计算机 磁头磁盘上，尽管它们的抛光机理还未得到清楚的认识，可是，在没有氧化剂条件或 没有研磨颗粒条件下的抛光液中进行试验都表明不可能得到要求的抛光去除率，从而 说明纳米磨粒对材料表面的机械作用以及抛光液的氧化作用在全局平面化中的重要性。 然而，到目前为止，绝大多数理论模型中磨粒对材料表面的机械作用，都是基于传 统的摩擦磨损理论所建立。而依据目前的试验结果表明，经典的摩擦磨损模型已经不适 用于c m p 过程中磨粒对材料表面的去除机理。因此，建立新型的适应微观试验数据的单 颗磨粒对材料的去除机理与吸附模型，已经成为建立c m p 模型相当重要的前提条件。 2 1 材料表面去除机理 2 1 1 经典摩擦磨损机理 磨损是一种十分复杂的微观动态过程，所以磨损的分类方法世茸很多，按机理来分， 一般可以分为：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损 和冲击磨损。前四种的磨损机理是各不相同的，但后三种磨损机理常与前四种有类似之 处，但也有其自身的特点；如冲蚀磨损有与磨料磨损类似之处，但也有其自身特点；微 动磨损常包含黏着、磨料、腐蚀及疲劳等四种或者是由其中的三种综合而成。这也就是 说，在实际的工况下，材料的磨损往往不只是一种机理在起作用，而是几种机理同时存 在，例如，磨料磨损往往伴随着黏着磨损，只不过是在不同条件下时，某一种机理起主 要作用而己。而当条件发生变化时，磨损也会以一种机理为主转变成另一种机理为主。 磨损机理和磨损表面的损坏方式有一定的关系，一种磨损机理在不同条件下会造成 不同的损坏方式，而一种损坏方式又可能是由不同机理所造成的。 磨损是一种表面破坏现象，因此通过磨损表面形貌和磨屑分析来确定磨损机理是一 种常用的方式。 2 1 2c m p 中应力接触模型 c m p 过程中的机械作用通常在两种典型的接触模式“。1 下存在，即流体动力学模 型和固体固体接触模型当抛光表面承受压力较小、相对速度较大时，在抛光垫与抛光 片表面间形成一层薄流体膜，抛光液中固体颗粒大小( 纳米尺度) 比流体膜厚度( 微米尺 度) 小得多，大部分颗粒对材料去除没有贡献，材料去除主要由悬浮在抛光液中颗粒的 三体研磨和抛光液的化学腐蚀作用。当压力较大、相对速度较小时，被抛光表面片与抛 光垫表面相互接触，两体和三体磨损同时存在如下图3 所示，在两体磨损中，嵌入抛 光垫表面的颗粒的犁削效应实现材料去除，在抛光垫与抛光表面未接触区的凹陷处的颗 粒不会嵌入抛光垫，它不起作用或者发生三体磨损，相对于在抛光片抛光垫接触区发 生的两体磨损而言，三体磨损的材料去除量可以忽略。 9 江南大学硕士学位论文 霉接娩嚣毓瓣，袭秘 图2 1 抛光表面与抛光垫接触示意图 在抛光过程中，工件表面的应力来自两方面：一是夹具提供的下压力，一是抛光垫 与工件相对运动产生的剪切应力。则根据应力分布的研究模型可归纳为基于机接触作用 和基于流体作用两大类型。 2 1 2 1 机械接触下的应力模型 考虑机械作用的模型通常将抛光垫理想化，假设为弹性体，用微接触理论来分析。 图2 2 抛光垫与芯片的理想接触示意图 g r e e n w o o d w i i l i a m s o n 微接触作用模型“1 把软质抛光垫看作线性弹性体，抛光垫表 面由大量分布在不同高度的凸起部分( 曲率半径相等) 构成，工件与抛光垫表面的接触 视为光滑平面与凸起部分的微接触，抛光垫在压力作用下产生压缩变形，如上图所示， 基于赫兹微接触理论得到作用在为凸起部分平均面上的应力如下： 吲功= 笺瓷胁俐辄 其中：e 为弹性磨量：v 为泊松比：r 为接触的半球体半径；h 为参考平面间的有 效间距；，、叠，( z ) 分别代表凸起部分密度( 个数除以总面积) 和凸起部分高度的分布 函数。 上述模型把抛光垫高度理想化：抛光垫微凸起部分看作半球且无气孔，凸起部分高 度服从高斯分布。模型没有考虑到工件与抛光垫间的摩擦，只适合小变形的情况。但在 典型抛光条件下，由于抛光垫的多孔性和表面粗糙度峰的存在，抛光垫表面不可能是恒 定的曲率半径；而且抛光中抛光垫表面一部分凸起变形严重，一部分变形小甚至与工件 第二章单颗磨粒的去除机理与数学模型 没有接触，在模型中根本没有反映。因此在g - w 模型的基础上发展出考虑流体膜压力 的作用模型。 r u n n e l s 提出了关于抛光垫在晶片边缘的倾斜引起的压力分布变化的模型旧 p r e s t o n 方程可变形为： m r r = 盯b r u n n e l s 提出用向量0 代替u ，0 是晶片表面水平方向的切应力的向量值，p 为垂直 晶片水平方向的压力。它将压力从系数肿分离出来在方程中单独列出。新的方程更清 楚地表明压力对抛光速率具有很大的影响。该模型很好地用定性分析来说明压力对抛光 速率的影响。 有几个假设被提出： 1 ) 晶片与抛光垫之问的移动压力被忽略 2 ) 抛光垫假设是弹性的 3 ) 抛光液的流动被忽略 通过h o o k e 定律可知，抛光垫的倾斜与压力有关。r u n n e l s 对晶片的边缘和抛光垫弯 曲的区域作了压力分配分析，并获得了这些机械因素对去除速率的定性影响。但是该模 型只适用于轴对称的平坦的晶片，并且没有给出任何晶片内部的信息，底盘和抛光垫 弹性的不同也被忽略。另外，由于抛光液的流动和速率在此模型中被忽略，因而它只适 用于计算极端的情况如晶片和抛光垫之间没有滑动的情况 2 1 2 2 考虑流体膜作用下的模型 因为抛光液的存在，工件与抛光垫之间的相对运动会在两者间形成一定厚度的流体 膜，运动的流体膜能对工件产生动态压力，而动态压力因为流体膜的厚度及形状不同而 呈现不均匀分布。 c h o 等人考虑c m p 权程流体膜的作用，得到了如下半导体芯片抛光过程的压力分 布方程【4 】 昙罚+ ! 删a e ( eo _ _ v ) = 6 l i d s i n 0 c o p 警+ 6 u ( ，+ d c o s p ) 哆一他 鲁 其中：h 、p 、分别为抛光液厚度、压力、动态粘度 分析发现：流体膜的压力和接触剪应力在工件的中心和边缘有着显著的不同。剪切 应力在中心最小在边缘较大，而压力在中心较大在边缘较小，压力要比剪应力大得多 抛光的均匀程度则主要受下压力和工件、抛光垫转速的影响。该模型假定抛光垫是平滑 的，抛光液是只有水的牛顿液体，所得出的结果只适用于定性预测。经实验证明，该仿 真模型只适用于半渗透的抛光垫，如聚氨酯，而不适用于聚酯类的高渗透抛光垫。在 r u n n e l s 嘲等人模型中，认为芯片表面材料的去除是由于抛光液的剪切冲蚀造成的，并应 用静态不可压缩n a v i e r - s t o k c s 流体动力学方程建立了芯片表面抛光液流动方程，但实验 结果表明该流体去除模型根本不能提供出芯片材料表面磨损所需的能量，则表面抛光液 江南大学硕士学位论文 的剪切冲蚀不是芯片表面材料去除的主要机理。 若考虑c m p 过程存在摩擦的作用，工件将产生倾斜，倾斜角度将影响流体压力的 分布。l b o r n c k i 等人假设流体压力沿工件是线性分布的，给出了工件倾斜情况下表面 的压力方程旧： p ( x ) ：华( 6 一r + t a n ：华 一r + a x ) n疗 其中：h 为抛光垫厚度o r 为工件半径； a 为工件倾斜角； 6 为工件位移； m 为与材料有关的常数m = e v ( 1 + v ) ( 1 - 2 ，) 该模型认为：压力与工件半径、位移、倾斜角、抛光垫厚度等有关。将上述方程代 入平衡方程经过积分得到口。代入典型的抛光条件，计算得到工件倾斜角非常小，在数 值分析上几乎不影响加工效果，因此通常不考虑工件倾斜角的影响。 2 1 3 芯片表面材科去除摸型 c m p 过程中材料的去除是机械去除和化学氧化共同作用的结果。抛光液