核殼結(jié)構(gòu)PS/CeO2復(fù)合微球的制備及其在化學(xué)機(jī)械拋光中的應(yīng)用

陳 楊陸錦霞陳志剛

(常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，常州 213164)

(蘇州科技學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，蘇州 215011)

核殼結(jié)構(gòu)PS/CeO2復(fù)合微球的制備及其在化學(xué)機(jī)械拋光中的應(yīng)用

陳 楊1陸錦霞1陳志剛＊,2

(常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，常州 213164)

(蘇州科技學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，蘇州 215011)

以原位化學(xué)沉淀的方法制備了不同粒徑、包覆結(jié)構(gòu)PS(核)/CeO2(殼)復(fù)合微球，利用X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、選區(qū)電子衍射、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、能譜分析儀、Fourier轉(zhuǎn)換紅外光譜儀、熱失重分析儀和ζ電位測定儀等手段對(duì)所制備樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。將所制備的復(fù)合微球用做磨料，考察其對(duì)二氧化硅介質(zhì)層的拋光性能，用原子力顯微鏡觀察和測量拋光表面的微觀形貌、輪廓曲線和粗糙度。結(jié)果表明，所制備的PS/CeO2復(fù)合微球具有核殼包覆結(jié)構(gòu)，粒徑分別約為140，180和220 nm，PS內(nèi)核被粒徑約為5 nm的CeO2顆粒均勻包覆。AFM結(jié)果顯示，復(fù)合磨料的粒徑越小，拋光后表面粗糙度越低；且酸性(pH=3)比堿性(pH=10)拋光漿料具有更好的拋光效果。

PS/CeO2復(fù)合微球；核殼結(jié)構(gòu)；磨料；化學(xué)機(jī)械拋光

0 引 言

包覆型有機(jī)物(核)/無機(jī)物(殼)復(fù)合微球材料[1-7]兼有無機(jī)材料和有機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出優(yōu)越的物理化學(xué)性能。對(duì)復(fù)合微球的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以充分利用有機(jī)物內(nèi)核和殼層無機(jī)物的特性，使之在力學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)等方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，并通過兩者之間的耦合作用產(chǎn)生出新性能，已成為材料學(xué)科一個(gè)研究熱點(diǎn)。

化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)作為一種基于化學(xué)和機(jī)械復(fù)合作用的超精密加工技術(shù)，其中磨料的種類和性質(zhì)對(duì)拋光質(zhì)量具有極大地影響[8]。近年來，研究人員開始將這種“內(nèi)柔外硬”、具有特殊結(jié)構(gòu)和特殊力學(xué)特性的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合微球做為磨料應(yīng)用于CMP技術(shù)，旨在獲得光潔、平坦及無缺陷的拋光表面。CeO2具有高化學(xué)活性以及合適的硬度，特別是對(duì)超大規(guī)模集成電路制造中二氧化硅介質(zhì)層的化學(xué)機(jī)械拋光具有其他磨料所無法比擬的優(yōu)勢[9]，因此進(jìn)一步開發(fā)和研究CeO2復(fù)合磨料具有重要的意義。

Coutinho等[10]制備了以 N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)為核，表面包覆納米CeO2顆粒的球形復(fù)合磨料，其粒徑在800 nm左右，應(yīng)用于氧化物化學(xué)機(jī)械拋光，拋光表面無明顯劃痕，拋光速率達(dá)到近100 nm·min-1，認(rèn)為由于復(fù)合磨料中聚合物內(nèi)核自身的變形使得拋光表面劃痕數(shù)量減少。比利時(shí)Katholieke大學(xué)的Armini[11-15]和美國Intel公司合作，以聚甲基丙烯酸酯(PMMA)微球?yàn)閮?nèi)核，采用兩種方法制備了包覆均勻的球形PMMA/SiO2復(fù)合磨料，其中PMMA內(nèi)核的粒徑分別為300和600 nm，殼層中氧化硅的粒徑分別為15、30和90 nm。一種制備辦法是通過硅烷偶聯(lián)劑對(duì)PMMA微球進(jìn)行表面處理，使其與納米SiO2粒子表面形成化學(xué)鍵結(jié)合；另一種制備辦法是通過調(diào)整溶液pH值，使得PMMA內(nèi)核與納米SiO2粒子之間產(chǎn)生靜電吸附作用。將所制備的PMMA/SiO2復(fù)合磨料用于氧化物和銅的化學(xué)機(jī)械拋光，獲得了良好的拋光效果，并將此歸因于復(fù)合磨料的內(nèi)柔外硬的特性，以及所具有的彈簧狀(spinglike)結(jié)構(gòu)。有趣的是，Armini在研究中發(fā)現(xiàn)，較大粒徑的復(fù)合磨料反而表現(xiàn)出更好的拋光特性，所獲得的拋光表面反而具有更少的表面缺陷，但沒有深入探討其原因。當(dāng)Armini等[16]再采用類似辦法制備PMMA/CeO2復(fù)合磨料時(shí)效果并不理想，納米CeO2顆粒在PMMA內(nèi)核表面包覆很不均勻，盡管如此該復(fù)合磨料仍然表現(xiàn)出了良好的拋光效果。

為了進(jìn)一步研究PS/CeO2復(fù)合磨料，本工作以不同粒徑的聚苯乙烯(PS)微球?yàn)閮?nèi)核，使用原位化學(xué)沉淀的方法簡單、有效的制備了不同粒徑的PS/CeO2復(fù)合微球。將所制備的復(fù)合微球配制成拋光漿料，用于硅晶片熱氧化層的化學(xué)機(jī)械拋光，用原子力顯微鏡(AFM)觀察拋光表面的二維和三維形貌，測量表面粗糙度及微觀輪廓，考察了復(fù)合磨料的粒徑以及拋光漿料的pH值對(duì)拋光性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

自制的PS微球乳膠液(P1～P3，其中PS微球的粒徑分別約在120、160和200 nm，其FESEM照片如圖1所示)、六水硝酸亞鈰、六亞甲基四胺(HMT)、氨水、鹽酸和十二烷基苯磺酸鈉等均購自上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，未作任何處理直接使用。

1.2 PS/CeO2復(fù)合微球的制備

分別量取4 mL的PS乳膠液(P1～P3)加入到200mL蒸餾水中，超聲分散10min后加入0.5045 g Ce(NO3)3·6H2O和過量的沉淀劑HMT，控制反應(yīng)體系中Ce(NO3)3與HMT的物質(zhì)的量之比為1∶5。將配制的反應(yīng)液在電磁攪拌的條件下于75℃反應(yīng)2 h，將沉淀物離心分離、洗滌，再置于80℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干，經(jīng)研磨后即可得到PS/CeO2復(fù)合微球，所得樣品依次標(biāo)記為S1～S3。

1.3 樣品的表征

用日本理學(xué)D/max 2500 PC型X-衍射儀分析樣品的物相結(jié)構(gòu)；用荷蘭Philips公司產(chǎn)Tecnai-12型透射電鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)，并通過選區(qū)電子衍射分析晶型；用日本Hitachi公司產(chǎn)S-4800Ⅱ型場發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的粒徑大小、表面形貌和團(tuán)聚情況，并用所配帶的美國EDAX公司能譜分析儀分析樣品表面化學(xué)組成；用美國Thermo Nicolet公司產(chǎn)Avatar 370型Fourier轉(zhuǎn)換紅外光譜儀對(duì)樣品的紅外吸收進(jìn)行測試；用美國TA公司SDT Q600TA型熱重示差掃描量熱儀測定樣品的熱性能；用英國Malvern公司產(chǎn)Nano ZS型ζ電位儀測定樣品的ζ電位。

1.4 拋光試驗(yàn)

稱取一定量的PS/CeO2復(fù)合微球配制成拋光漿料，用氨水和鹽酸作為pH值調(diào)節(jié)劑，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑，在表1所示的拋光工藝條件下，使用丹麥Struers公司TegraForce-1/TrgraPol-15型精密拋光機(jī)對(duì)硅熱氧化片(購自常州華誠常半微電子有限公司)進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。用原子力顯微鏡(NanoscopeⅢa，Mutimode SPM，美國DI公司，縱向分辨率為0.1 nm，橫向分辨率為0.01 nm)觀察拋光后表面的微觀形貌，測量表面粗糙度和輪廓曲線。

表1 拋光工藝參數(shù)Table 1 Parameters of polishing process

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的FTIR分析

圖2給出了PS微球和所制備PS/CeO2復(fù)合微球樣品的FTIR圖譜。從PS/CeO2復(fù)合微球樣品的FTIR圖譜中可以看出聚苯乙烯紅外譜圖中所有的特征吸收峰，這說明樣品中存在聚苯乙烯。此外，復(fù)合微球樣品的FTIR圖譜中在690 cm-1附近出現(xiàn)了Ce-O-Ce的振動(dòng)峰[17]，在430 cm-1附近出現(xiàn)了Ce-O鍵的伸縮振動(dòng)峰[18]，這說明樣品中存在CeO2，由此說明形成了PS/CeO2復(fù)合材料。

2.2 樣品的XRD分析

圖2 PS微球和PS/CeO2復(fù)合微球樣品的紅外圖譜Fig.2 FTIR spectra of PS microsphere and PS/CeO2composite microsphere samples

圖3 PS微球和PS/CeO2復(fù)合微球樣品的XRD圖Fig.3 XRD patterns of the PS microsphere and PS/CeO2composite microsphere samples

圖3為PS微球和所制備PS/CeO2復(fù)合微球的XRD圖。如圖所示，PS微球的X射線衍射強(qiáng)度2θ在20°左右出現(xiàn)一個(gè)彌散、寬化的衍射峰，屬于PS的非晶特征衍射峰。而復(fù)合微球樣品的XRD圖在28.8°、33.1°、48.1°和 56.8°出現(xiàn)了衍射峰，對(duì)照 CeO2的標(biāo)準(zhǔn)卡(JCPDS card,No.34-0394)可知其歸屬于立方相螢石結(jié)構(gòu) CeO2的(111)、(200)、(220)和(311)晶面，而且衍射峰峰形尖銳對(duì)稱、強(qiáng)度高且沒有雜質(zhì)峰，這說明樣品中存在晶體結(jié)構(gòu)完整、結(jié)晶度高的立方螢石結(jié)構(gòu)CeO2。同時(shí)復(fù)合微球樣品的XRD圖中PS的非晶特征峰依然存在，這表明樣品中聚苯乙烯內(nèi)核主要是由非晶態(tài)構(gòu)成，但其強(qiáng)度明顯減弱，這可能是由于CeO2包覆在PS內(nèi)核表面所造成的。

2.3 樣品的TEM觀察

為進(jìn)一步研究復(fù)合微球的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)樣品S1～S3進(jìn)行TEM和SAED分析，結(jié)果如圖4所示。從圖可以看出，樣品S1～S3均呈規(guī)則球形，平均粒徑依次約在140、180和220 nm，樣品中心部分與表層形貌明顯不同，存在明顯的襯度差，中心部分物質(zhì)分布均勻，而表層則被粒徑約為5 nm的CeO2顆粒緊密包覆，表明樣品具有核殼型包覆結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步觀察可知，CeO2納米顆粒在PS微球表面包覆均勻，但并沒有完全將PS內(nèi)核表面覆蓋。從與樣品對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射(SAED)圖譜中可以看出，衍射環(huán)很清晰，說明包覆在PS內(nèi)核表面的CeO2為多晶結(jié)構(gòu)。

圖4 PS/CeO2復(fù)合微球樣品的FESEM照片和EDS圖譜Fig.4 FESEM images and EDS spectrum of the PS/CeO2composite microsphere samples

2.4 樣品的FESEM和EDS分析

圖5給出了復(fù)合微球樣品S1～S3的FESEM照片及樣品S1的EDS圖譜。由圖可知，所制備復(fù)合微球樣品均呈規(guī)則球形，表面略顯粗糙。從樣品S1的EDS譜圖上可以看出，樣品表面存在Ce元素和O元素，而且C元素的峰較強(qiáng)。這可能的原因有二：一是由于復(fù)合微球樣品表面的CeO2包覆層較薄，電子束穿過包覆層后作用到了聚苯乙烯內(nèi)核上，激發(fā)出C元素所致；二是可能是由于復(fù)合微球樣品表面的納米CeO2顆粒沒有完全將PS內(nèi)核包覆，電子束直接作用到PS內(nèi)核表面所致。

圖5 PS/CeO2復(fù)合微球樣品的FESEM照片和EDS圖譜Fig.5 FESEM images and EDS spectrum of the PS/CeO2composite microsphere samples

2.5 樣品的TG分析

圖6是PS微球和PS/CeO2復(fù)合微球樣品的TGA曲線。由圖可見，復(fù)合微球樣品在～300℃范圍內(nèi)開始出現(xiàn)輕微的失重，這主要是由于樣品表面物理吸附水的去除所引起的；樣品的主要質(zhì)量損失處于300～450℃范圍內(nèi)，這主要是由于聚苯乙烯鏈段斷裂，即復(fù)合顆粒中的內(nèi)核的分解所造成的。當(dāng)加熱溫度升高到500℃以后，復(fù)合微球中PS內(nèi)核完全分解，而CeO2納米顆粒則殘余下來，這樣可由復(fù)合微球的失重曲線求得樣品S1～S3中CeO2的包覆量分別約為 53.23wt%、40.61wt%和 24.14wt%(首先將干燥至恒重的納米CeO2用熱分析儀測得其表面失重約為6.62wt%，計(jì)算時(shí)已扣除了CeO2本身的表面失重)。

圖6 PS微球和PS/CeO2復(fù)合微球樣品的TGA曲線Fig.6 TGA curves of the PS microsphere and PS/CeO2composite microsphere samples

2.6 樣品表面ζ電位的測定

圖7給出了PS微球、PS/CeO2復(fù)合微球 (樣品S3)及純CeO2的ζ電位隨pH值的關(guān)系曲線。PS/CeO2復(fù)合微球以及純CeO2的ζ電位隨pH值的關(guān)系曲線呈S型，其等電點(diǎn)分別在5.9和6.8附近，可以看出復(fù)合微球的等電點(diǎn)明顯的偏向純CeO2，這表明PS微球內(nèi)核由于CeO2顆粒的包覆使其表面電性發(fā)生改變。此外也能說明，復(fù)合微球表面CeO2顆粒的包覆并不是完全致密的，或者說復(fù)合微球的PS內(nèi)核仍然對(duì)ζ電位產(chǎn)生影響。而加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)后，復(fù)合微球在測試的pH值范圍內(nèi)帶負(fù)電荷，且其ζ電位的絕對(duì)值增加，這表明SDBS可以較為有效的提高PS/CeO2復(fù)合微球在水相介質(zhì)中分散穩(wěn)定性，故在拋光試驗(yàn)中選擇SDBS做為拋光漿料的分散劑。

圖7 PS，CeO2和PS/CeO2復(fù)合微球的ζ電位與pH值的關(guān)系曲線Fig.7 ζ potentials of PS,CeO2and PS/CeO2composite microsphere as a function of the pH value

2.7 拋光表面AFM觀察

考察了不同粒徑的PS/CeO2復(fù)合磨料分別在酸性(pH=3)和堿性(pH=10)拋光漿料中的拋光效果，其結(jié)果如表2所示。

可以看出，在本實(shí)驗(yàn)拋光工藝參數(shù)條件下，相對(duì)于堿性拋光漿料，使用酸性漿料拋光后表面可以獲得更低的粗糙度值；而且隨著復(fù)合磨料粒徑的減小，拋光表面的粗糙度也隨之降低，且表面輪廓曲線也更趨于平緩。圖8分別給出了復(fù)合磨料S1(粒徑約140 nm)在酸性和復(fù)合磨料S3(粒徑約220 nm)在堿性條件下，拋光后表面的AFM二維形貌和三維立體形貌(其中垂直方向單位高度均為10 nm)，以及表面微觀輪廓曲線 (均選擇兩個(gè)對(duì)角線做為測量位置)。從AFM二維形貌可以看出，經(jīng)PS/CeO2復(fù)合磨料拋光后二氧化硅介質(zhì)層表面平整，無明顯劃痕，表明所制備的PS/CeO2復(fù)合磨料對(duì)二氧化硅介質(zhì)層有良好的拋光效果。其中使用復(fù)合磨料S1在酸性條件下，晶片拋光表面在5×5 μm范圍內(nèi)粗糙度RA值(平均值)和RRMS值(均方根值)分別為0.167和0.214 nm。

表2 復(fù)合磨料拋光后晶片表面粗糙度值Table 2 Roughness value of wafer surface polished by composite abrasive

圖8 復(fù)合磨料拋光后表面的AFM二維、三維形貌和微觀輪廓圖Fig.8 AFM topographies and profilograms of the oxide wafersurfaceafterpolishedbycomposite abrasives

可以推測，由于復(fù)合磨料中聚合物內(nèi)核的作用，使其表現(xiàn)出固有的彈性，又由于表面CeO2納米顆粒的包覆，又使得復(fù)合磨料具有可觀的表面硬度，從而使得這種核殼結(jié)構(gòu)的有機(jī)物(核)/無機(jī)物(殼)的復(fù)合磨料具有獨(dú)特的 “內(nèi)柔外硬”的力學(xué)性質(zhì)。比利時(shí)Katholieke大學(xué)的Armini等[19]研究表明，核殼結(jié)構(gòu)的PMMA/SiO2復(fù)合磨料(PMMA內(nèi)核約為370 nm，SiO2殼層厚度約為30 nm)在液相環(huán)境中所測得的彈性模量為(2.9±0.6)GPa，并由此認(rèn)為復(fù)合磨料在與芯片表面接觸過程中可能會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形。作者認(rèn)為，本實(shí)驗(yàn)所制備的PS/CeO2復(fù)合磨料也具有類似的力學(xué)特性，基于以上分析給出了晶片、復(fù)合磨料和拋光墊之間的接觸模型，如圖9所示。

假設(shè)復(fù)合磨料在接觸力F的作用下所產(chǎn)生的彈性性變形量為δ(即球形復(fù)合磨料在垂直軸向上的直徑變化)，由彈性力學(xué)［20］可知，彈性變形量δ與球形磨料的直徑D和彈性模量E均呈非線性遞減關(guān)系。由于復(fù)合磨料自身的彈性變形，增大了磨料與晶片表面的接觸面積，可以將拋光壓力更加溫和地傳遞給拋光表面，使得接觸應(yīng)力降低，使得單個(gè)磨料的在晶片表面的壓入深度d減少，因此不僅拋光表面粗糙度得以降低，而且還有利于減少劃痕和亞表層損傷。考慮到拋光墊表面所存在的凹凸峰，該復(fù)合磨料所特有的“彈簧狀”狀結(jié)構(gòu)還有利于調(diào)節(jié)磨料粒子與晶片之間的接觸狀態(tài)，有利于提高拋光表面的平整度，獲得高質(zhì)量的拋光效果。

目前關(guān)于復(fù)合磨料的研究還主要處在制備、表征以及拋光性能的評(píng)價(jià)等方面，而關(guān)于復(fù)合磨料自身力學(xué)特性(彈性模量和表面硬度等)的研究尚不深入，其具體的拋光機(jī)理有待通過試驗(yàn)研究與模擬仿真相結(jié)合的方法進(jìn)一步討論。

圖9 晶片/復(fù)合磨料/拋光墊三者之間的接觸模型Fig.9 Schematic of the wafer/composite abrasive/pad micro-contact

3 結(jié) 論

本文以自制的PS微球?yàn)閮?nèi)核，采用原位化學(xué)沉淀的方法制備了不同粒徑的核殼包覆結(jié)構(gòu)PS/CeO2復(fù)合磨料。所制備的復(fù)合磨料呈規(guī)則球形，平均粒徑分別約為140、180和220 nm，PS內(nèi)核被粒徑約為5 nm的CeO2顆粒均勻包覆。該復(fù)合磨料對(duì)二氧化硅介質(zhì)層具有良好的拋光效果，在本實(shí)驗(yàn)條件下均獲得了具有亞納米量級(jí)粗糙度的拋光表面。AFM結(jié)果顯示，復(fù)合磨料的粒徑越小，拋光后二氧化硅介質(zhì)層表面粗糙度越低；且酸性(pH=3)比堿性(pH=10)拋光漿料具有更好的拋光效果。在酸性條件下使用復(fù)合磨料S1(約140 nm)拋光后晶片表面具有最低的粗糙度值，5×5 μm范圍內(nèi)粗糙度RA值和RRMS值分別為0.167和0.214 nm。

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Preparation of Composite Polystyrene-Core CeO2-Shell Microspheres and Their Application in the Oxide Chemical Mechanical Polishing

CHEN Yang1LU Jin-Xia1CHEN Zhi-Gang＊,2
(1School of Materials Science and Engineering,Changzhou University,Changzhou,Jiangsu 213164,China)
(2Department of Chemistry and Bioengineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou,Jiangsu 215011,China)

Composite polystyrene-core CeO2-shell(PS/CeO2)microspheres with different particle size had been synthesized by in-situ chemical precipitation technique.The as-synthesized PS/CeO2composite microspheres samples were characterized by techniques of X-ray diffraction(XRD),transmission electron microscope(TEM),selected area electron diffraction patterns(SAED),field emission scanning electron microscope(FESEM),electron energy dispersive spectroscope(EDS)、fourier transform infrared spectrum(FTIR),thermogravimetric analysis(TGA)and ζ potential analyzer.Effects of particle size and slurrys pH value on the oxide chemical mechanical polishing performance of PS/CeO2composite abrasives were characterized by atomic force microscope(AFM).The results indicated that PS/CeO2composite abrasives with core-shell morphology are obtained successfully,and the particle size of as-prepared PS/CeO2composite microspheres is about 140,180 and 220 nm,respectively,and the PS microsphere is uniformly coated by CeO2nanoparticle (particle size of ～5 nm).After CMP,the surface roughness of SiO2dielectric layer is decreased in particle size of composite abrasives,and the polishing performance using acid slurry(pH=3)is better than that of alkaline slurry(pH=10).

PS/CeO2composite microspheres;core-shell morphology;abrasives;chemical mechanical polishing

TB383；O614.33+2

A

1001-4861(2011)01-0066-07

2010-07-20。收修改稿日期：2010-08-15。

江蘇省工業(yè)支撐計(jì)劃項(xiàng)目(No.BE2008037)，常州市工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(No.CE2007068、CE2008083)，常州大學(xué)青年人才基金(No.JQ201005)資助。

＊通訊聯(lián)系人。E-mail：cy.jpu@126.com