化學機械拋光技術研究現狀及進展

董 偉

(廣東技術師范學院天河學院，廣東廣州510540)

化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP)是提供超大規模集成電路(VLSI)制造過程中全面平坦化的一種新技術，其概念最早是由美國的Monsanto于1965 年提出［1］。

該技術最初是用于獲取高質量的玻璃表面，如二戰中德國曾用此技術制造軍事顯微鏡等。1991年，美國IBM公司首次將化學機械拋光技術成功應用到64 MB動態隨機存取存儲器(DRAM)的生產中［2］，這標志著CMP廣泛應用的開始。之后各種邏輯和存儲器的生產以不同的發展規模走向CMP，促進了該技術各項研究和應用的發展。CMP將納米粒子的研磨作用與氧化劑的化學作用有機地結合起來，滿足了特征尺寸在0.35 μm以下的全局平面化要求。目前，化學機械拋光技術已成為幾乎公認為唯一的納米級全局平面化技術［3－4］。

1 機理研究

CMP技術的基本原理是:將拋光片工件(Wafer)以待加工表面朝下的方式在一定的壓力下壓向拋光墊，在拋光墊和工件中間存在拋光液(由納米級顆粒、化學氧化劑、液體等組成的混合液)流動的條件下，借助于拋光墊和拋光件的相對運動，在磨粒的機械磨削及氧化劑的化學腐蝕作用下來完成對工件表面的材料去除，并獲得光潔的表面［5－6］。一個完整的CMP工藝常包括拋光、清洗、檢測、工藝控制及廢物處理等過程。圖1是CMP示意圖。

針對化學機械拋光加工過程中的磨損機理和材料去除機制，國內外大量的學者進行了研究，歸納起來，主要有以下幾種建模方法:

(1)CMP接觸模型(如圖2所示)

此類模型通過接觸力學分析，考慮加工工件和拋光墊的幾何形狀與變形量，忽略拋光液流動效應以及其對拋光墊加工的影響。

Cook以力學的觀點來解析CMP拋光過程，內容包括了拋光顆粒的機械性質以及化學反應等［7］。Sivaram、Warnock等人也在此模型基礎上開展了一系列研究，雖然有一定的合理性，但并未完全揭示CMP過程中的磨損機理。

(2)流體理論模型

此類模型考慮純流體經過兩個光滑表面并分析剪切應力對材料去除率的影響，忽略拋光顆粒與粗糙表面的事實。主要有Runnels等人提出的模型［8］。

(3)潤滑理論模型

此類模型以純流體經光滑表面的雷諾方程式(Reynolds Equation)模擬研磨狀態，其中以Sundararejan［9］、趙志恒、張朝輝等人結合質量傳遞提出的二維模型最具代表性。

2 CMP設備

2.1 拋光機

拋光機基本組成如圖1，被加工晶片固定在夾具上，并通過施加一定的拋光載荷，晶片被壓在拋光墊上。拋光墊和夾具分別繞各自的軸旋轉，通過一個自動拋光液注入系統保證拋光墊濕潤程度均勻，隨著拋光墊旋轉，拋光液被帶入晶片和墊光墊之間的加工區域，完成整修化學機械拋光過程。

目前，CMP拋光機正在由單頭、雙頭拋光機向多頭拋光機發展，結構逐步由旋轉運動結構向軌道拋光方法和線性拋光方面發展。圖3為某型號拋光機。

2.2 拋光液

拋光液是CMP關鍵因素之一，其作用是在化學機械拋光過程中，與晶片發生化學反應，在其表面產生一層鈍化膜，然后由拋光液中的磨粒利用機械力將反應產物去除，從而達到光整加工晶片表面的作用。

拋光液一般由磨粒(Al2O3、SiO2、Ce2O3)、表面活性劑、穩定劑、氧化劑和分散劑等組成，拋光液的流速、粘度、溫度、組成、pH值都會對去除速度有影響［10］。拋光用的磨粒如表1所示。其微觀結構如圖4所示。

表1 拋光常用磨粒種類和成分

由于目前世界市場上商業化的拋光液完全處于保密狀態，所以拋光液的循環利用是現階段CMP研究的一個熱門方向。常用的方法有稀釋拋光液法、混合使用新舊拋光液法及循環使用法等［10］。

2.3 拋光墊

拋光墊是一種表面有很多毛囊孔的纖維板結構，在CMP過程中，有儲存、運輸拋光液、去除加工殘余物質、傳遞機械載荷及維持拋光環境等功能［11］。

用于CMP的拋光墊必須具有良好的化學穩定性(耐腐蝕性)、親水性以及機械力學特性。拋光墊通常可分為硬質和軟質(彈性、粘彈性)兩種。硬質拋光墊可較好地保證工件表面的平面度;軟質拋光墊可獲得加工變質層和表面粗糙度值都很小的拋光表面［12］。聚酯拋光墊用過一段時間后，會產生“釉化”現象，存儲、運輸磨料的能力降低，再加上冷膠合的影響，材料去除率和工件拋光表面質量下降。所以，必須對其進行修整。常用修整器有金剛石砂輪、金剛石筆、砂帶和金屬刷等［13］。

目前主要的研究是拋光墊的材料種類、材料性質(如硬度彈性和剪切模量、孔隙的大小和分布、粘彈性)、表面的結構(圖5)和狀態對拋光性能的影響。拋光墊表面通常被修整得足夠粗糙，為了有利于帶出磨屑而維持孔隙結構［14］。通常，拋光墊材料為聚亞安酯(Polyurethane)。圖6描述了其大致的制造過程。

改進拋光墊材料、提高其拋光性能、延長其使用壽命從而減小加工損耗是CMP拋光墊研究的主要內容及方向［15］。

3 CMP工藝參數

由于CMP是在生產實踐中誕生的一門精密加工技術，對人類來講，還是一門“黑箱”技術。影響CMP的工藝參數很多，學界總的歸納起來，主要包括輸入參數、輸出參數2種。“黑箱”中的中間變量人們還知之甚少，只能從輸出參數變化定性判斷。

3.1 輸入參數

CMP過程的輸入參數，在拋光液與拋光墊確定之后，主要表現為以下幾個方面:

3.1.1 溫度

由于CMP過程在某種程度上講是一個能量損耗的過程，溫度在加工過程中當然會上升，從而產生“團聚”現象。溫度變化主要會影響到反應速度，但是，如果加工表面溫度發生急劇變化，同樣也會影響到晶片的機械性能［16］。

H.J.Kimt等［17］發現溫度使拋光液的 pH 值改變，溫度升高，拋光液的pH值會降低，還發現它對拋光顆粒尺寸分布有較大的影響。

Wei Ye等［18］在此基礎上考慮到拋光墊的粗糙度影響，對CMP中溫度的上升進行了計算仿真。

3.1.2 壓力

壓力是作用于被晶界隔開的晶片上的載荷，如果表面粗糙或形貌有缺陷，接觸面積就比幾何面積少，因此壓力增大直至表面光滑，機械磨損速度與壓力成正比。實驗表明，壓力為5～6.5 kPa時的表面損傷較小［16］。

3.1.3 拋光墊速度和晶片速度

拋光墊速度是指拋光墊相對于晶片的相對平均速度，會影響晶片間反應物和化學產物的進入和離開。晶片速度會影響磨料穿過晶片的速度。如果拋光墊與晶片的旋轉速度相適應，則晶片上每一點的速度都是相同的。

3.2 輸出參數

3.2.1 去除率

去除率是指單位時間所去除的薄膜厚度，一般符合阿雷尼厄斯(Arrhenius)方程。設CMP加工過程中的拋光加工速度為nm［19］，則:

式中:R為氣體常數;T0為化學反應系統溫度，K;DT為加工中溫度上升值，0＜DT/T0＜1;E0為拋光液與被加工物的固有活性能量，kJ/mol;Ea為磨料微粒機械作用表面變形能量或干摩擦能量;n0為常數，在E0=Ea時，即機械作用時的加工速度。

由上式可知，拋光加工中溫度越高，磨料的機械作用越強，表面上活性能力越降低，加工效率越增大。

3.2.2 表面質量［20－21］

表面質量是用來表征連接部分屈服和穩定性的期望值的考量指標。粗糙的晶片表面更易于導致低強度和較高的損傷率，而粗糙的金屬表面更易于造成腐蝕和電遷移，所以要提高表面質量，減小表面粗糙度值。在CMP過程中，適當的平衡化學和機械因素可以減小粗糙度值，獲得較高的面形精度，以此來保證表面質量。表面輪廓儀可用于檢測平整度，AFM、STM可用于檢查表面粗糙度，如圖7所示。

3.2.3 表面損傷［20－21］

在CMP過程中，常出現的宏觀缺陷有砂道、劃痕和蝕坑等，如圖8所示。晶片的表面缺陷會降低元器件的穩定性。結構損傷包括刮傷、薄膜界面分層現象以及雜質進入薄膜。當機械磨削占主導作用時，晶片表面會出現損傷層，從氣固界面向材料內可分為凸凹層、裂紋層、原材，加工損傷層由凸凹層和裂紋層總厚度來確定。晶片對溫度具有敏感性，也易產生微疇反轉。

4 結語

目前，CMP技術已經發展成以化學機械拋光機為主體，集在線檢測、終點檢測、清洗和甩干等技術于一體的化學機械平坦化技術，是集成向微細化、多層化、平坦化工藝發展的產物。

與此同時，也涌現出了不少新技術，例如:固結磨料化學機械拋光技術、電化學機械平坦化技術、無磨料化學機械拋光技術、無拋光墊化學機械拋光技術、無應力拋光技術、接觸平坦化技術和等離子輔助化學蝕刻平坦化技術等［22］。

綜上所述，CMP技術可用于各種高性能和特殊用途的元器件制造，且應用領域日益擴展，已成為最為重要的超精細表面全局平面化技術之一，也是國際競爭的關鍵技術，其增長勢頭和發展前景非常可觀。深入研究和開發CMP技術，并形成擁有自主知識產權的材料和工藝，將促進我國精密制造產業的良性發展，提高我國在這一方面的國際地位，同時也將帶來巨大的經濟和社會效益。

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