藍寶石襯底CMP中溫度控制對速率的影響

牛新環(huán)，黃雅歡，王嘉欣，王建超

（河北工業(yè)大學 電子信息工程學院，天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300130）

0 引言

隨藍寶石襯底材料需求量的日益增加及表面質(zhì)量要求的日益提高，對藍寶石CMP機理及技術(shù)的研究就尤為重要.近幾年來，以提高藍寶石襯底材料的CMP質(zhì)量為目的的研究已成為世界科技界研究的熱點之一[1-4].

Kim H J[5]和H L等[6]研究了化學機械拋光中摩擦力和熱現(xiàn)象對去除速率的作用機理.前者分析了去除速率隨溫度變化的關(guān)系，指出溫度主要通過化學作用影響去除速率，材料去除速率在拋光過程中是不斷變化的.后者發(fā)現(xiàn)了藍寶石表面在化學反應中會生成反應層，拋光正壓力決定摩擦力.

牛新環(huán)[7]和劉玉嶺等[8]研究了溫度對藍寶石CMP粗糙度和去除速率的影響.結(jié)果表明，拋光溫度升高時，去除速率相應提高，質(zhì)量傳遞和溫度是正相關(guān)的關(guān)系.

本文研究在藍寶石CMP過程前期溫度變化對拋光結(jié)果的影響，探索溫度上升過程與去除速率和速率均勻性的關(guān)系.

1 作用機理

對藍寶石襯底拋光時，利用拋光液中的化學物質(zhì)與襯底片發(fā)生化學反應，在拋光片表面生成硬度比基體小的水合層，基體材料及其水合物與堿反應生成可溶的AlO2，同時利用機械力作用于拋光片表面，去除反應產(chǎn)物，達到拋光效果.在藍寶石拋光過程中有如下反應[9].

影響藍寶石襯底最終拋光質(zhì)量的因素很多，如拋光溫度、壓力、相對轉(zhuǎn)速、拋光液的化學成分、pH值、磨料顆粒尺寸、拋光液供給速度等等，由于藍寶石襯底拋光過程中是以化學作用為主要過程，所以溫度變化對拋光效果影響尤為重要.

2 實驗

實驗采用2英寸的藍寶石晶片，晶向c[0001].拋光液為河北工業(yè)大學微電子研究所研制的堿性藍寶石拋光液，pH值10.82，粒徑63.1 nm，并加入適當表面活性劑和助劑.實驗設(shè)備為X62815-1型單面拋光機，拋光墊為天津海倫晶片科技有限公司生產(chǎn)的CP-P830PAD，粗糙度檢測采用Agilent5600LSAFM，厚度測量采用HEIDENHAIN ND280厚度測試儀.

工藝采用先輕拋、后重拋、再水拋的方法，壓力設(shè)定輕拋時為0 MPa，時間1.5m in，重拋時為0.1MPa，轉(zhuǎn)速60RPM，流量70～80m L/m in，時間60m in.每個拋光盤上有8個晶片.

拋光過程中溫度是影響化學反應速率的主要因素之一，為確定實驗后期拋光穩(wěn)定時的溫度范圍，根據(jù)范特霍夫規(guī)則：K+10K/K 2～4，估算出相對于起始溫度，拋光過程溫度每提高10K，拋光速率提高2到4倍，結(jié)合實驗經(jīng)驗，選取拋光過程中溫度升高至35℃為穩(wěn)定狀態(tài)，并設(shè)溫度升高至35℃的時間長度為控制變量，前期通過短時間內(nèi)減小拋光液流量提高拋光溫度，之后通過吹風冷卻使拋光溫度維持在35～38℃，設(shè)定6組實驗，變量取值分別為10m in、15m in、20m in、25m in、30m in、35m in，如表1所示.

表1 拋光溫度上升至35℃所需時間Tab.1 Time of polishing temperature up to 35℃

3 結(jié)果分析

圖1為拋光速率隨著設(shè)定時間變化的關(guān)系.在設(shè)定時間為10 m in時，測得拋光速率為5.03 m/h，在設(shè)定時間為35min時，拋光速率為1.94 m/h.在考慮溫度與反應速率的關(guān)系時，最常用的是Arrhenius方程:

式中： 是反應速率； 是一個與反應物分子相互碰撞有關(guān)的常數(shù)； 是與材料性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)； 是絕對溫度； 是反應的活化能.

可以看出，式(5)中反應速率與溫度成指數(shù)關(guān)系，溫度的上升會加快反應速率.在藍寶石晶片拋光過程中，前期采用小流量快啟動的方式，通過減少拋光液流量，增大拋光過程中晶片與拋光墊間的摩擦力，增大摩擦生熱，盡早的使溫度提升到一個較高水平，可以提高藍寶石的有效拋光時間，增加拋光速率.同時由于拋光后期減少溫度波動，避免了過高溫度出現(xiàn)，拋光蠟的穩(wěn)定性得到提升，減少了晶片松動導致的拋光不均勻和碎片現(xiàn)象.

圖2為片內(nèi)非均勻性隨設(shè)定時間變化的規(guī)律.

圖1 升溫時間與去除速率的關(guān)系Fig.1 Effectof temperature rising timeon remol rate

圖2 升溫時間與速率均勻性的關(guān)系Fig.2 Effectof temperature rising timeon removl rateun-uniform ity

片內(nèi)非均勻性的計算公式[10]：

式中： 為 去除速率非均勻性； 為各測試點去除速率均方根，為各測試點去除速率的均值，

由圖2可知，在設(shè)定時間為10m in時，速率非均勻性為8.06%，在設(shè)定時間為15m in時，速率非均勻性為4.73%，在設(shè)定時間為35 m in時，速率非均勻性為22.01%，可以看出，當溫度上升時間過長時，速率非均勻性值較大，隨著溫度上升時間減小，速率非均勻性減小，當溫度上升過快時，速率非均勻性變大.

將式 (5)取對數(shù)得

微分式

將式 (8)從1到2積分

活化能 在實驗溫度范圍內(nèi)可視為常數(shù)，從式 (9)中可以看出，在 較小時比在 較大時提升相同的溫度，對反應速率變化率影響更大，對拋光過程來說，晶圓拋光速率的快速變化，會導致晶片各處拋光速率不均勻現(xiàn)象加重，熱量傳遞受影響.

在溫度上升過程中，由于熱量傳遞不均衡，不同位置處溫度不同，溫度高的地方拋光速率快，溫度低的地方拋光速率慢，溫度差存在的時間越久，拋光厚度差越大，拋光速率非均勻性值越大.當溫度維持在一較高范圍時，溫度變化小，各處溫度差值小，拋光速率非均勻性值較小.

圖3為設(shè)定時間為15m in時拋光前后藍寶石襯底表面粗糙度的原子力顯微鏡圖像，從圖中可以看出，拋光后藍寶石表面無劃痕，粗糙度為0.174 nm.

圖3 藍寶石襯底拋光前后粗糙度測試結(jié)果Fig.3 Sapphire surface roughnesspre-CMPand post-CMP

4 結(jié)論

綜上所述，在藍寶石拋光過程中，拋光前期應該采取小流量快速啟動的方式，在短時間內(nèi)提高拋光溫度，減少低溫區(qū)拋光時間，在溫度達到35～38℃左右時，保持溫度，可以得到較高的去除速率和較好的去除速率均勻性.在工作壓力為0.1MPa，轉(zhuǎn)速60 r/m in，流量70～80m L/m in時，拋光開始15min后使溫度提升到35℃，拋光速率為4.07 m/h，片內(nèi)速率非均勻性為4.73%，粗糙度為0.174nm，滿足工業(yè)生產(chǎn)要求.

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