300mm硅片双面抛光过程数学模拟及分析.pdf

收稿日期 2007 09 27 定稿日期 2007 12 03 基金项目 国家高技术研究发展 863 计划 十五重大专项 基金资助项目 2002AA3Z1110 300 mm 硅片双面抛光过程数学模拟及分析 库黎明 闫志瑞 索思卓 常 青 周旗钢 北京有色金属研究总院 有研半导体材料股份有限公司 北京 100088 摘 要 建立了双面抛光过程中硅片表面上的一点相对于抛光布的运动模型 利用数学软件 模 拟出不同速度下的运动轨迹 轨迹和实验结果表明 在其他双面抛光工艺不变的情况下 改变抛光 机四个部分的转速 对硅片表面的平整度有很大的影响 特别是边缘部分的局部平整度 优化四个 转速 可以显著改善 300 mm 硅片表面的平整度和局部平整度 关键词 300 mm 硅片 双面抛光 数学模拟 轨迹 平整度 中图分类号 T N304 1 2 文献标识码 A文章编号 1004 3365 2008 03 0373 04 Mathematical Modeling and Analysis of Double sided Polishing Process for 300 mm Silicon Wafers KU Liming YAN Zhirui SUO Sizhuo CHANG Qing ZHOU Qigang General Research Institute f or N onf errous Metals GRIN M Semiconductor Materials Co Ltd Beijing 100080 P R China Abstract A motion model based on the analysis of mathematical modeling was established to study motion path in double sided polishing process for 300 mm silicon wafers Results showed that rotation speeds had significant im pact on the geometry especially on the site flatness SFQR The findings are helpful in optimizing parameters for double sided polishing of 300 mm silicon wafers Key words 300 mm silicon wafer Double sided polishing Mathematical modeling Path curve Flatness EEACC 2520 2530 1 引 言 微电子器件特征尺寸的不断减小 对硅材料的 完整性 均匀性 表面质量等提出了越来越苛刻的要 求 同时 为了满足器件厂家提高生产率 降低制造 成本的需要 超大规模集成电路用硅材料正朝着大 尺寸方向发展 根据国际半导体技术发展蓝图 硅 片尺寸已经由 150 mm 和 200 mm 转到 300 mm 1 因此 制造大尺寸硅片的工艺问题已成为半导体硅 材料领域的研究热点 为了解决硅片抛光过程中因尺寸的增大而带来 的平整度问题 采用双面抛光代替单面抛光 以获得 集成电路用大尺寸硅抛光片 双面抛光过程中 硅 片的运动状态完全不同于单面抛光 硅片不用固定 在陶瓷板上 而是被安放在游轮片内 在中心齿轮和 边缘齿轮的带动下自转和以大盘为中心公转 由于 硅片像三明治一样 悬浮 在上下大盘之间 自由度 增加 抛光工艺变得更加复杂 2 大尺寸硅片表面 对抛光工艺参数的变化非常敏感 因此 对硅片的运 动轨迹进行分析 对于优化双面抛光工艺是非常重 要的 3 4 本文建立了双面抛光过程中硅片表面上的一点 相对于抛光布的运动模型 利用数学软件 模拟出不 同组速度下的运动轨迹 通过对双面抛光工艺中的 转速进行分析 达到改善硅片表面平整度的目的 2 双面抛光运动模型的建立 图 1 示出双面抛光的平面极坐标系 XsOsYs的 原点设在抛光垫的中心 坐标系随着抛光垫的旋转 第 38 卷第 3 期 2008 年 6月 微 电 子 学 Microelectronics Vol 38 No 3 Jun 2008 运动而旋转 XcOcYc坐标系原点设在游轮片的中 心 游轮片在内外齿轮的共同作用下 绕 Os点公转 并且自身也绕 Oc做自转运动 设游轮片的公转速 度为 h 则给整个系统加上 h后 相当于游轮片 只做角速度为 c的定点自转运动 设 P 点为安放 在游轮片里的硅片上的某一点 则 P 点相 对于 XcOcYc的坐标可表示为 R cos R sin 1 其中 R OcP POcXc 图 1 双面化学机械抛光设备运动关系坐标图 Fig 1 Three coordinate systems proposed for the doub le sided polishing machine P 点相对于 XsOsYs的坐标表示为 L R cos R sin 2 L 为 P 点到大盘中心 Os的距离 当经过时间 t 后 坐标系 XsOsYs旋转到 X sO sY s 则 P 点相对于 X sO sY s的坐标表示为 cos sin sin cos L R cos R sin 3 其中 p h t 0 ct 代入 3 式 得到 P 点相对于抛光垫的运动轨迹方程为 x R cos c p h t 0 L cos p h t y R sin c p h t 0 L sin p h t 4 4 式中 对于某一抛光设备 L 为固定的常数 而 0只影响运动轨迹的初相位置 并不影响运动轨 迹的分布 可以令 0 0 p为大盘的转速 硅片上 某固定点 P 相对于抛光垫的运动轨迹主要受 p h 和 c三者的影响 而 h c又是由内齿轮转速 s和 外齿轮转速 r决定的 根据齿轮传动运动关系可 知 c h s r四者之间速度的关系为 5 h Zs s Zr r Zs Zr 5 c h s Zs Zw 2ZrZs r s Zr Zs Zr Zs 6 对 P 点相对于大盘的轨迹方程对时间 t 进行积 分 并令 1 c p h 2 p h 可以得到速 度 v x y 轨迹方程 v x x R 1sin 1t L 2sin 2t v y y R 1cos 1t L 2cos 2t 7 那么 速率的绝对值为 v t v2 x v2 y R2 2 1 L2 2 2 2RL sin 1t sin 2t 2RL cos 1t cos 2t 8 同理 对 P 点相对于大盘的速度方程对时间 t 进行积分 可以得到加速度 a x y 轨迹方程和加 速度的绝对值 a x v x R 21cos 1t L 22cos 2t a y v y R 2 1sin 1t L 22sin 2t 9 a t a 2 x a2 y R2 4 1 L2 4 2 2RL 2 1 2 2cos 1t cos 2t 2RL 2 1 2 2sin 1t sin 2t 10 由此可以得到曲线随时间变化的曲率 k t x t y t x t y t x 2 t y 2 t 3 2 v x a y a x v y v 2 x v2 y 3 2 R2 2 1 L2 3 2 RL 1 2 1 2 cos 1 2 t R2 2 1 L2 2 2 2RL 1 2cos 1 2 t 3 2 11 3 模 拟 硅片在抛光布上的运动轨迹密度分布能够反映 硅片的材料去除状态 因而能反映出硅片加工后的 表面质量 以 SpeedFam 20B 5P 4D 双面抛光机为 例 大盘转速为 0 45 rpm 太阳齿轮和中心齿轮的 转速范围是 0 25 rpm 硅片相对于上下抛光垫的 运动轨迹最终由 s r和 p三者决定 只要改变其 中之一的转速 轨迹都将发生变化 在本文中 固定 374库黎明等 300 mm 硅片双面抛光过程数学模拟及分析2008 年 s和 r的大小 只改变 p的大小 讨论不同转速对 运动轨迹的影响 本文讨论三组速度 A B C 的模 拟和实验 图 2 a b c 分别是 A B C 组速度下第 4 秒和第 100 秒的模拟结果 从图中可以看出 A 组 中 P 点周期性运动轨迹形成一个很窄的带 密度分 布非常不均匀 B 组较 A 组轨迹曲线分布均匀 但 相对大盘还是形成封闭的带 C 组对转速进行优化 轨迹曲线均匀 周期性地分布在大盘上 通过对轨迹曲线的曲率进行模拟 得到图 3 的 曲线 硅片上 P 点运动轨迹曲线的曲率表示曲线 的弯曲程度 好的工艺参数应当使轨迹曲线的曲率 在小范围内平滑地变化 图 3 a 是 A 组速度下的 运动曲线一个周期内的曲率 在波峰处有一个小波 谷 此波谷的存在不利于硅片均匀地运动 图 3 b 是 C 组速度下的模拟结果 曲率的变化相对来说比 较平滑 消除了波峰处曲率的波动 4 实 验 本实验使用的硅片是直拉法生产的 P 型 100 300 mm 硅片 电阻率 15 25 cm 厚度约 800 m 抛光液中 SiO2胶体颗粒粒径约 50 nm 在抛 光过程中对抛光液进行搅拌 使其 pH 值和颗粒浓 度稳定 抛完后立即对硅片进行清洗和干燥 并用 ADE AFS3220 表面几何参数检测仪对硅片表面进 行检测 本实验在其他抛光条件不变的情况下采用 A B C 三组转速对硅片进行抛光 考察不同运动轨 迹对硅片表面几何参数的影响 图 4 a b c 分别是 A B C 组轨迹对应的 抛光后硅片表面平整度结果 每个小方块内的数值 表示硅片表面上 25 mm 32 mm 范围内的局部平 整度 SFQR A 组速 度抛 光后 总 厚度 变化 GBIR 为 1 194 m SFQR 为0 203 m 硅片边缘 部分有 7 个方块局部平整度大于 0 1 m 见灰色部 分 这些 SFQR 大于0 1 m 的部分处于边缘 1 5 mm 内 B 组速度抛光后 GBIR 和 SFQR 数值有 很大的改进 分别为 0 614 m 和0 156 m 但是 边缘还是有很多局部平整度大于 0 1 m 的部分 边缘部分局部平整度偏高将导致硅片表面几何形状 变差 通过对 A 组和 B 组转速的优化 在 C 组速度 抛光后 GBIR 和 SFQR 分别为 0 464 m 和 0 112 m SFQR 得到极大的改善 硅片表面所有部分局 部平整度均在 0 1 m 以下 边缘平整度问题得到 解决 A B C 组速 度对硅片表面中 间部分的 第 3 期库黎明等 300 mm 硅片双面抛光过程数学模拟及分析375 SFQR 几乎没有影响 通过对不同组速度的模拟和实验可以看出 硅 片上任一点相对于大盘的运动曲线的分布影响硅片 表面的几何参数 优化抛光速度 使轨迹曲线分布均 匀 能有效地改善硅片的平整度 特别是边缘局部平 整度 随着集成电路线宽的不断减小 光刻过程正 向硅片边缘推移 因而光刻的焦深问题对 300 mm 硅片靠近边缘部分的平整度要求越来越高 5 5 结 论 建立了双面抛光过程中硅片表面上的一点相对 于抛光布的运动模型 通过数学软件 模拟出不同速 度下的运动轨迹 结果表明 硅片的几何参数对转 速非常敏感 在不同的转速下 轨迹曲线分布不同 优化轨迹 就是要使硅片上每一点在抛光布上均匀 地运动 不同轨迹下的转速实验结果表明 转速对 硅片平整度具有非常重要的影响 特别是表面边缘 部分的局部平整度 在轨迹曲线分布均匀的情况下 进行抛光 能得到较好平整度的硅片表面 因此 优 化硅片的运动轨迹 可以很好地改善硅片表面的平 整度和局部平整度 参 考 文 献 1 International T echnology Roadmap for Semiconductors ITRS Z 2003 U pdate 2 库黎明 李耀东 周旗钢 等 双面抛光工艺中压力对 300 mm 硅片表面形貌的影响 J 稀有金属 2006 30 2 134 3 TSO PL WANG Y Y TSAI M J A study of carrier motion on a dua l face CM P machine J J M aterials Processing Technology 2001 116 194 4 WENSKI G ALTM ANN T WINKLER W et al Double side polishing a technology mandatory for 300 mm wafer manufacturing J J M ater Sci in