介孔氧化硅磨料对铜层的抛光特性开题报告.doc

序号： 12430225常 州 大 学毕业设计（论文）开题报告（2012届）学 生 赵鑫 学 号 12430225学 院 材料科学与工程学院 专业班级 金材122班题 目 介孔氧化硅磨料对铜层的抛光特性 类 别 毕业设计 毕业论文 校内指导教师 陈杨 专业技术职务 副教授 校外指导老师 （宋体 四号 粗体）专业技术职务 （宋体 四号 粗体）材 料 目 录序号名 称数量备注1毕业设计（论文）任务书12文献综述（设计类）或开题报告（论文类）13外文翻译（封面、译文、原文）1二一六年三月 学号： 12430225题目：介孔氧化硅磨料对铜层的抛光特性一、前言1课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势国内外研究现状 国内外在CMP上应用最广泛的的磨料是SiO2磨料、CeO2磨料、Al2O3 磨料。这些传统的无机磨料在化学机械抛光中有各自的优缺点，许多学者对他们进行了大量的研究。根据抛光磨料的化学组分可将其分为三类：传统的无机磨料（二氧化硅、二氧化铈、三氧化铝、二氧化钛、氧化锆等）单一磨料；将不同种类、性质的磨料按一定比例制备成的混合磨料；具有两种或者两种以上的不同物质组成的复合磨料11。复合磨料大致可分为三类：表面接枝改性、晶格掺杂、核壳包覆。具有核壳结构的复合磨料根据核与壳材料的不同分为：无机/无机、无机/有机和有机/无机复合磨料12。随着抛光浆料的深入研究，纳米级颗粒的微观表面修饰得到进一步发展，具有核壳结构的复合磨料受到诸多学者的研究。传统的无机磨料具有它自身的优缺点，比如宋晓岚等13制备的SiO2抛光浆料的分散性好，机械磨损性能优良，后清洗处理比较容易；其硬度较大容易使被抛工件表面不平整，并且抛光浆料容易产生团聚。胡建东等14将六水合碳酸铈在1000煅烧120min，冷却得到氧化铈，实验证明其抛光速率高，材料去除率高，颗粒硬度小，但是实验合成的CeO2颗粒表面粗糙、形状不规则容易造成被抛工件表面划痕长且深。多孔材料是一种新型纳米材料，根据IUPAC的定义，介孔材料是指孔径在2-50nm的多孔材料。由于其结构的特殊性，决定了其具有许多与传统材料不同的物理性质和化学性质。这些特性主要归结为：（1）表面与界面效应;（2）尺寸效应；（3）量子尺寸效应；（4）宏观量子隧道效应。自从1992年Mobil公司的科学家们首次运用纳米结构自组装技术合成出具有均匀孔道和孔径大小可调的有序多孔SiO2以来，有序多孔材料已经成为最常见的多孔材料，被广泛地应用在吸附、催化、各类载体、离子交换和先进材料等众多领域，成为材料领域中研究的热点之一。M.Grun等15在Stober醇盐水解工艺的基础上，引入表面活性剂十六烷基三甲基溴化胺(C16TMABr)为模板剂，成功地制得了平均粒径为600nm，孔径为3.14nm，比表面积达1100m2/g，比孔体积达0.78ml/g的MCM-41型SiO2微球。HRTEM观察表明，所得SiO2微球中心孔呈六方密堆分布，由中心向外延伸，这种规律性消失。雷红等16水热合成工艺的基础上，引入十二烷基硫酸钠作为模板剂，成功地制得了平均粒径为203nm，孔径为8nm的介孔氧化铝磨料，对硬盘基片进行抛光，与传统 氧化铝磨料相比，其具有硬度低，良好的吸附性，以及更好的表面抛光性能。近年来，对多孔二氧化硅的研究已取得了长足的进步，但也存在许多需要探索的分支。纳米多孔氧化硅微球材料时一种新形态的多孔材料，它兼具纳米粉体和多孔材料的特性，具有巨大的应用空间17。在化学机械抛光方面，将多孔磨料与芯片表面接触过程中可能会产生一定的弹性变形，这对于抛光质量的改善具有重要影响。预期在化学机械抛光过程中，多孔磨料可以借助自身的介孔结构，改善其力学性能，更加温和地将抛光压力传递给抛光表面，这将有利于减少划痕和亚表层损伤，实现无损伤抛光的目标，并保证足够的材料去除率18。纳米多孔微球具有纳米球形颗粒，较大的比表面积，以及掺杂改性后所具有的化学活性等特性，这些特性与传统磨料相比，具有明显优势。课题研究意义 目前关于多孔磨料的研究仍处在制备和抛光性能的评价等阶段，对于多孔磨料的制备及自身的力学性能、机理，特别是以实心为核，多孔为壳的复合磨料的CMP材料模型机理均尚未明确，需要通过大量细致的工作深入研究。 本课题针对下一代超大规模集成电路制造对CMP技术的要求，从多孔颗粒的制备入手，设计并可控合成具有均匀包覆非刚性多孔/实心核壳结构的复合微球，通过控制不同形貌结构的内核结构，孔径以及壳层厚度，制备出不同形貌的复合微球，试图通过研究不同粒径、形貌的内核及多孔壳层厚度、结构而产生不同大小的弹性形变，实现对多孔复合微球微观结构的调控，进而对复合微球的弹性模量和表面显微硬度等力学特性进行控制，从而为揭示多孔磨料的机理打下基础。通过建立AFM针尖与微球样品表面之间的接触模型，将AFM力曲线转化为典型卸载过程中的载荷-位移曲线，根据得到的载荷-位移曲线的卸载部分进行拟合，通过赫兹理论定量地计算出材料的等效弹性模量。在原子力显微镜接触模式下的横向力扫描测定复合微球与抛光表面之间的粘附力，考察多孔微球的内核粒径、形貌和/多孔壳厚度/孔结构对弹性模量的影响规律力 发展趋势CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光液、抛光垫、后CMP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3-5，其中抛光液和抛光垫为消耗品一个完整的CMP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CMP工艺的3大关键要素，目前均依赖进口，其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平。抛光液是CMP的关键要素之一，抛光液的性能直接影响抛光后表面的质量。抛光液一般由超细固体粒子研磨剂(如纳米SiO2、A12O3粒子等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成，固体粒子提供研磨作用，化学氧化剂提供腐蚀溶解作用6-8。抛光液的化学成分及浓度、磨粒的种类、大小、形状及浓度、抛光液的粘度、pH值、流速、流动途径对去除速度都有影响。磨料作为抛光介质在CMP过程中发挥及其重要的作用。磨料的形貌、粒径和粒度分布便成为影响抛光表面质量的关键因素。现在国内外应用最广泛的传统单磨料是SiO2磨料、CeO2磨料、Al2O3磨料、ZrO2磨料、TiO2磨料等。虽然传统磨料粒径已经降至10nm，但是因其硬度较高，易在被抛光物体表面造成不平整，且在抛光浆料中易产生凝胶现象，对抛光速度的再现性有不良影响，同时会使被抛光物体表面产生刮伤9，所以还是无法提高抛光质量和材料去除率，因此必须寻找新的突破口。与传统磨料相比，有序介孔磨料具有高比表面积、孔容大、孔径大且可调以及容易对其骨架和表面进行掺杂改性等特点。由于其有序的介孔结构，使其具有弹簧状结构，刚性有所下降， 能够减少二氧化硅介质层表面划痕。同时，磨粒的孔道结构能够及时清除抛光后的碎片，防止抛光后的碎片造成二次污染，也极大的增加了抛光速率。 通过对磨料孔道的改性，磨粒的物理和化学性质会发生变化，并对其界面性质进行调控，包括亲水性、疏水性、氧化性以及化学反应性等，从而改善抛光性能。多孔材料的研究已成为国内外研究热点，国内虽有做多孔材料用于抛光，但粉体球形度差，易团聚，不能满足对硅晶片或光学玻璃超精密抛光的要求，且对多孔核壳结构在CMP方面研究较少10。本课题将多孔/实心核壳结构纳米微球与化学机械抛光巧妙地结合在一起，系统地研究多孔磨粒与其力学性能之间的关系，为深化和完善现有的CMP机理和模型打下基础。二 实验摘要 分别以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和烷基胺为模板剂，在碱性介质条件下合成SiO2多孔微球。采用Stber法制备不同粒径的单分散SiO2实心微球，并用模板法进一步制备以实心SiO2微球为内核，多孔二氧化硅为壳的核壳复合微球。通过调整工艺参数，控制粒径大小，介孔结构，以及壳层厚度和形貌。利用扫描电镜，透射电镜，氮气吸脱附及孔分布测试，热失重分析等对复合微球进行表征。借助原子力显微镜（AFM）测定聚合物微球和复合微球的力-位移曲线，建立AFM针尖与纳米微球样品表面之间的接触模型，通过赫兹理论计算其弹性模量；在AFM接触模式下的横向力扫描测定复合微球与抛光表面之间的粘附力。研究具有不同微观结构的介孔及复合微球的微观结构对弹性模量的影响规律。探究微球结构和其力学性能之间的内在关系，为探索无机多孔复合磨料的化学机械抛光(CMP)机理和模型打下基础。三 研究内容，研究目标，拟解决的关键问题以及方法一、多孔及复合微球的制备1、采用软模板法制备具有不同孔结构的单分散性多孔SiO2微球，并达到粒径可控(100-600nm)。以CTAB为模板剂，TESOS为硅源，在碱性介质下分散在醇水溶液中，搅拌反应2小时，离心干燥，将粉体在马弗炉中550焙烧，制成介孔SiO2微球。粒径在150nm左右，可以看到明显的径向分布的孔道结构。多孔微球的SEM图和TEM图2、 运用Stber法制备具有不同粒径内核的单分散实心SiO2微球，并通过静电吸附和软模板法制备以实心SiO2为核，以多孔SiO2为壳的复合微球。并探究不同微观结构的多孔复合微球的可控合成方法。 复合微球的SEM图和TEM图二、多孔复合微球的力学性能研究1、借助AFM测量纳米介孔微球及复合磨料的力-位移曲线，计算其弹性模量。在接触模式下，利用AFM测量颗粒-基底力曲线以获取表面粘附力大小。探究多孔复合微球的实心内核粒径/特殊形貌和/或多孔壳厚度/结构和材料力学性能之间的内在关系，建立物理模型，为深化和完善现有的CMP机理和模型打下基础。2、尝试对AFM的针尖进行修饰，测得颗粒-基底力曲线以获取表面粘附力，模拟针尖与材料表面的划痕，解析材料去除率在CMP中的机理，建立了颗粒从基底表面去除的理论基础，进而为化学机械抛光清洗工艺设计提供重要参考。3、 以镀铜硅片作为抛光对象，在常规抛光工艺条件下，考察磨料粒径对抛光特性的基本一些规律。利用AFM、FESEM和三维轮廓等手段对抛光表面形貌分析。四、多孔微球的抛光性能研究1、设计对比实验，在相同的抛光条件下考察多孔复合磨料与纯SiO2磨料对镀铜硅片在抛光性能上的差异；不同结构的磨料对材料去除率和工件质量的影响规律，其中工件质量包括微观表面粗糙度、表面划痕的深度和长度、表面缺陷的种类。 2、研究不同粒径、孔结构以及壳厚的复合微球对硅片抛光表面质量和去除率的影响规律。抛光后用原子力显微镜对硅片表面进行扫描观测，观察硅片抛光前后表面形貌和粗糙度的变化，并作出相应的评价和分析。四、阶段性工作计划与预期研究成果周 次工 作 内 容检 查 方 式1-2查阅国内外文献资料，完成调研工作。做文献报告。3阅读与翻译外文资料提交不少于2.5万字的外文翻译4撰写开题报告，确定实验方案开题报告5-15论文实验工作、数据分析与处理定期检查实验结果16-18撰写毕业论文，答辩答辩参考文献1 雷红，张朝辉化学机械抛光技术的研究进展J上海大学学报：自然科学版，2003, 9（6）：494-502 2 雷红，雒建斌，马俊杰化学机械抛光(CMP) 技术的发展、应用及存在的问题J 润滑与密封， 2002, 12(4): 73-76.3 胡建东，李永绣，周雪珍.铜在含碘酸钾的CeO2浆料中CMP的抛光速率及影响因素的研究J. 有色金属(冶炼部分)，2007,4：53-55.4 F. Caruso, H. Lichtenfel, M. Mohwald, et al. Electrostatic self-assembly of silica nanoparticle-polyelectrolyte multilayers on polystyrene latex particles J. Journal of the American Chemical Society, 1998, 120(33): 8523-8524.5 F. Caruso, R. A. Caruso, H. M. Hwald. Nanoengineering of inorganic and hybrid hollow spheres by colloidal templating J. Science, 1998, 282(5391): 1111-1114.6 段明，胡星琪核-壳乳液聚合及其在涂料中的应用J西南石油学院学报，2002, 24(4): 24(4): 59-62.7 陈志刚，陈杨，隆仁伟包覆型CeO2/SiO2和CeO2/聚苯乙烯复合磨料的制备及其化 学机械抛光性能J硅酸盐学报，2009, 37(11): 22-258 S. Armini, C. M. Whelan, M. Moinpour, et al. Composite polymer core-silica shell abrasives: the effect of polishing time and slurry solid content on oxide CMP J. Electrochemical and Solid-State Letters, 2007, 10(9): 243-247.9 S. Armini, C. M. Whelan, M. Moinpour, et al. Composite polymer core- silica shell abrasives: the effect of the shape of the silica particles on oxide CM