化學機械拋光機理研究

郭世璋

（邯鄲職業技術學院，邯鄲 056001）

1 實驗方案

拋光實驗采用沈陽科晶公司生產的拋光機，可調轉速范圍為1～120r/min。拋光液采用沈陽科晶公司生產的50nm顆粒的SiO2酸性拋光液。拋光對象為45#鋼和不銹鋼圓片各1片。

圖1 CMP拋光實驗方案示意圖

顆粒的收集采用圖1所示實驗裝置，實驗時，啟動潛水泵1將拋光液經過磁環3過濾之后送至拋光盤上的拋光墊7和工件5之間，帶有拋光產物的回流的拋光液經過磁環10進行磨粒收集后回到原處。磁環3主要作用時過濾潛水泵1可能磨損產生的鐵磁性顆粒，防止與拋光產物中的鐵磁性顆粒相混淆，造成實驗結果的失真。磁環10的作用是收集拋光產物中的鐵磁性磨粒。因為拋光液本身帶有顆粒，為了將拋光液自帶顆粒和拋光產物磨粒分開，磁環是個很好的選擇工具。

收集到顆粒之后，將磨粒用丙酮清洗至燒杯中，然后倒入旋轉式鐵譜分析儀中進行制譜，制譜之后晾干放到顯微鏡下面觀察磨粒的形狀，進行分析。

方案中同時關注拋光前后工件表面形貌的變化，這在Wkyko形貌分析儀上進行。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

實驗結果與分析包括拋光前后工件表面形貌的變化對比分析與收集的產物磨粒的鐵譜分析。

由于本次實驗后45#鋼表面迅速變黃變暗，說明表面已經嚴重被氧化腐蝕，其表面質量的測量結果不再可信，同樣的道理，它的磨粒也因為相同的材料而被腐蝕，鐵譜分析失真。

所以本次實驗只對不銹鋼圓片進行表面形貌測量，對比分析和鐵譜分析。不銹鋼圓片拋光前后的二維表面形貌分別如圖2和圖3所示。從圖中可以看出拋光之后，表面質量大大提高。從直觀的圖像上看，拋光前到處是劃痕和凹坑，拋光之后劃痕消失了，剩下淺淺的零星的幾個凹坑。從具體的軟件分析數據看，Ra從358.65nm下降到了46.51nm，Rq從490nm下降到57.2nm，Rt和Rz也從幾個微米下降到了半個微米左右。

圖2 拋光前的表面形貌

圖3 拋光后的表面形貌

本次試驗結果中的凹坑應該是拋光之前沒有完全消失的特深的坑而不是實驗過程當中產生的。如果是拋光過程中，坑的分布應該比較均勻。因為從前面分析知道，材料不斷被磨平的過程，如果是之后產生的凹坑，也是首先經過完全平面階段再產生凹坑，這時候，由于拋光條件的均勻性，凹坑的分布應該是均勻的。

圖中凹坑沒有完全消失，一方面是因為不銹鋼材料本身比較難去除，另一方面是初始表面質量太差，拋光時間夠長到足以磨平掉所有的凹坑。

在實驗中確實收到了鐵磁性拋光材料的磨粒，圖4系列是顯微鏡下譜片上的磨粒形狀照片。從圖中可以看出，磨粒大小不等、形狀各異，又豬肝形，薄片形，條形，球形等，這些磨粒一個很大的共同特點是具有較大的面積周長比，甚至具有很好的圓度。這與計算采用的幾何模型形狀較為吻合。

圖4 拋光過程中產生磨粒的形態

收集到了鐵磁性磨粒本身說明CMP過程材料去除不完全是化學腐蝕作用，因為化學腐蝕的產物為易溶物或者非鐵磁性磨粒。同時由前面的計算可知，流體摩擦剪切力為幾十兆帕，而一般的硅材料的剪切模量為GPa數量級，所以流體摩擦剪切不能直接去除掉材料，材料去除是三體磨損與化學作用相結合或者摩擦剪切與化學作用相結合，然而實驗結果沒有觀察到劃痕，材料去除可能是摩擦剪切與化學作用的綜合作用。

2.2 分析討論

本文的分析結果表明，CMP過程材料的去除是流體潤滑的流體剪切作用和化學反應的綜合結果。拋光液中的某些成分（酸、堿或者其他氧化劑）與被拋光表面材料發生了化學反應，生成很薄的剪切強度很低的化學反應膜，反應膜在潤滑過程中流體產生的剪切力作用下被去處，從而露出新的表面，接著又繼續反應生成新的反應膜，如此周而復始的進行，使表面逐漸被拋光修平，實現拋光的目的。

CMP過程中材料的去除與流體摩擦力的大小和化學反應的結果緊密相關。從前面的數值計算分析中，流體潤滑最大剪應力增大另外一個重要的因素包括：拋光液中分散劑等有機高分子添加劑引起拋光液的粘度增加。化學反應過程中形成的顆粒狀或者多孔的反應膜具有比較高的比表面積，可以起到催化劑的作用，加速化學反應的進行。

材料去除的過程可以簡化理解如圖5所示。由理論計算得知，膜厚小的地方剪應力大、膜厚大的地方剪應力小而且剪應力最大值隨膜厚呈指數衰減。假設能剪切材料時中心膜厚為h，當拋光墊中的顆粒第一次經過粗糙峰表面時，粗糙峰下降h1，工件表面變得相對平坦一些，拋光墊整體往下運動?h1，然后顆粒第二次經過粗糙峰，繼續剪切粗糙峰，粗糙峰下降h2，墊下降……，如此循環直到將所有的粗糙峰材料去除掉。因為工件表面粗糙度為1個n左右的光滑表面，這個尺度與顆粒半徑相比（幾十納米至微米級顆粒）是很小的，顆粒每次經過粗糙峰剪切的粗糙峰縱向尺寸也很小，切下來的材料應該具有較大的面積周長比。因此，從示意圖中，工件達表面平坦過程并沒有劃痕產生的可能。

圖5 材料去除過程示意圖

3 結論

實驗研究了CMP過程，得出了流體潤滑摩擦剪切在化學腐蝕軟化作用輔助下去除材料的機理，解釋工件被拋光表面全局平坦化而沒有劃痕的現象。

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