CMP拋光界面溫度的在線檢測(cè)*

袁文強(qiáng)，魏　昕，謝小柱，胡　偉

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州　510006)

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CMP拋光界面溫度的在線檢測(cè)*

袁文強(qiáng)，魏昕，謝小柱，胡偉

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州510006)

介紹了化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中監(jiān)控拋光界面溫度的重要性?？偨Y(jié)了其他學(xué)者對(duì)拋光界面溫度的檢測(cè)方法，并分析每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種拋光界面溫度在線檢測(cè)裝置，介紹了它的結(jié)構(gòu)和組成該裝置的各元件型號(hào)及性能。進(jìn)行了不同拋光壓力、拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速和拋光液流量的CMP試驗(yàn)，并利用該裝置檢測(cè)各情況下的拋光界面溫度變化。為了進(jìn)一步地說(shuō)明該裝置的有效性，將拋光液流量為20mL/min時(shí)的溫度檢測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，六組對(duì)比數(shù)據(jù)都十分接近，同時(shí)也驗(yàn)證了該計(jì)算方法的有效性。提出了將該溫度檢測(cè)裝置應(yīng)用于判斷拋光過(guò)程是否正常以及某些工件的拋光終點(diǎn)檢測(cè)的想法。

化學(xué)機(jī)械拋光；溫度；在線；檢測(cè)

0　引言

化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)是綜合化學(xué)和機(jī)械作用，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、超精密、無(wú)損傷加工表面的一種有效方法，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料表面的拋光[1]。

CMP過(guò)程中需要機(jī)械和化學(xué)作用相互配合，當(dāng)兩者達(dá)到均衡時(shí)，才能獲得良好的拋光效果。其中機(jī)械作用的影響因素包括：拋光壓力、拋光盤(pán)和工件的相對(duì)速度、拋光液的流量、磨粒的大小和拋光墊的材料等，這些因素均可以被有效控制。化學(xué)作用的影響因素包括：拋光液的類(lèi)型、拋光液的流量和拋光界面的溫度等。其中，拋光界面的溫度直接影響化學(xué)反應(yīng)的速度。在銅的拋光中，拋光界面溫度升高1K則拋光速率增加7%[2]，工件的不同區(qū)域溫度不一致還會(huì)導(dǎo)致片內(nèi)非均勻性的增加[3]。拋光界面溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度和工藝參數(shù)的變化而變化，因此監(jiān)控拋光界面的溫度，就顯得尤為重要。

實(shí)際應(yīng)用中，為了在CMP過(guò)程中得到穩(wěn)定的拋光界面溫度，在正式拋光前采用樣片進(jìn)行拋光，預(yù)熱拋光墊和拋光頭，這種方法即浪費(fèi)時(shí)間又消耗樣片。對(duì)此，有學(xué)者提出各種改進(jìn)方法，比如：采用特制的拋光盤(pán)控制溫度[3-4]，利用去離子水噴淋拋光墊控制溫度[5]。為了能更好地控制拋光界面的溫度，精確地檢測(cè)該溫度是必不可少的。

檢測(cè)的對(duì)象主要分為三類(lèi)，分別為拋光墊的溫度、拋光液的溫度和工件的溫度，其中對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光影響最直接的是工件的溫度[2]。

1　拋光界面溫度檢測(cè)方法總結(jié)

化學(xué)機(jī)械拋光的拋光條件比較特殊，對(duì)拋光介面的溫度測(cè)量比較困難，在國(guó)內(nèi)外的研究中主要的測(cè)量方法有：

使用紅外測(cè)溫的方法間接地測(cè)量拋光墊的溫度[6-9]，該方法使用紅外攝像儀或者紅外測(cè)溫儀非接觸地測(cè)量拋光墊表面的溫度，如圖1所示。紅外攝像儀觀測(cè)范圍較大，可以觀察拋光墊上的溫度分布情況，而紅外測(cè)溫儀則觀測(cè)范圍較小，但價(jià)格相對(duì)更低。紅外熱成像攝影儀和紅外測(cè)溫儀在低溫測(cè)量時(shí)的誤差較大，并且容易受到拋光液的干擾，導(dǎo)致拋光墊表面的溫度測(cè)量不精確，所以該方法只適合用于觀測(cè)拋光墊上的溫度分布情況，而不適合用于檢測(cè)拋光墊的具體溫度。并且，拋光墊的溫度小于工件被拋光表面的溫度，所以該方法不能用于精確反映工件被拋光表面的實(shí)際溫度。

圖1　紅外攝像儀(左)和紅外測(cè)溫儀檢測(cè)拋光墊表面溫度(右)

使用紅外測(cè)溫方法測(cè)量工件背面溫度[10]，如圖2所示，在特制的拋光頭上開(kāi)有槽寬為3mm的同心圓溝槽，溝槽分別位于距中心不同位置處，通過(guò)紅外攝影儀測(cè)量工件的溫度。由于熱傳導(dǎo)問(wèn)題使得被拋光面與背面會(huì)有一定的溫度差，如果工件的熱擴(kuò)散率大或者工件較薄，工件上下表面的溫度差可以忽略不計(jì)，工件背面溫度可以較準(zhǔn)確的反映拋光界面的真實(shí)溫度。但是熱成像儀成本高，低溫測(cè)量時(shí)精度較低，并且拋光頭上的槽對(duì)薄工件的平整度會(huì)產(chǎn)生影響。

圖2　背面開(kāi)有槽的拋光頭

使用熱電偶測(cè)量工件背面溫度[11]，如圖3所示。用橡膠吸附墊和固定板將工件固定，在工件中心及離中心60mm處安裝熱電偶溫度傳感器，用于測(cè)量工件背面的溫度，溫度數(shù)據(jù)保存在嵌入于拋光頭中的記錄儀中，加工完成后將溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中分析。這個(gè)方法采用接觸式的測(cè)溫方法，精度相對(duì)于非接觸式測(cè)溫方法有所提高，但是熱電偶溫度傳感器的最高精度也只有±0.5℃左右，并且不能在線實(shí)時(shí)地檢測(cè)拋光界面溫度。

圖3　熱電偶溫度傳感器測(cè)工件背面溫度

使用熱電偶溫度傳感器，通過(guò)工件的孔直接測(cè)量拋光介面的拋光液溫度[12]，如圖4所示。采用激光在硅片上打孔，沿硅片徑向分布三個(gè)無(wú)保護(hù)套管的微型熱電偶傳感器，調(diào)整其裸露的熱端與硅片表面平齊，在熱電偶傳感器周?chē)可辖^熱膠，使其免受其他零件溫升的影響，提高了測(cè)量精度。這種方法需要在硅片上鉆孔安裝溫度傳感器，對(duì)硅片有不可恢復(fù)的損傷，并且熱電偶溫度傳感器的精度不高，傳感器裸露的端面容易和拋光墊或者磨粒相互摩擦而損壞，且摩擦產(chǎn)熱會(huì)影響測(cè)溫的精度。

圖4　工件上鉆孔安裝溫度傳感器測(cè)量拋光液溫度

使用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)量拋光液溫度[13-14]，如圖5所示，采用雙發(fā)射激光誘導(dǎo)熒光(DELIF)技術(shù)測(cè)量拋光液的溫度，使用有機(jī)玻璃代替拋光頭，通過(guò)攝像系統(tǒng)采集溫度數(shù)據(jù)。此方法雖提高了測(cè)量精度，但是僅僅適合用于透明工件的溫度測(cè)量。

圖5　激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)拋光液的溫度

2　拋光界面溫度的在線檢測(cè)裝置

Sampurno[10]等認(rèn)為在工件厚度很小時(shí)，工件背面和被拋光面的溫度相差很小。當(dāng)工件材料為304不銹鋼時(shí)，厚度d為200μm，熱擴(kuò)散系數(shù)D為4.33×10-6m2/s,工件兩面之間溫度的延遲僅僅為t=h2/D≈0.009s。

其中Q是單位時(shí)間給定面積所傳導(dǎo)的熱量，單位為W；A是導(dǎo)熱面積，即垂直于熱流方向的表面積，單位為m2；k是比例系數(shù)，稱(chēng)為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m℃)；t1、t2分別是不銹鋼基板拋光面和背面的溫度，單位為℃；b是不銹鋼基板的厚度，單位為m。假設(shè)：①不銹鋼基板與拋光墊及磨粒的摩擦系數(shù)為0.3,②拋光界面產(chǎn)生的熱量的80%由不銹鋼基板導(dǎo)出,③拋光壓力為30kPa,④拋光盤(pán)和拋光頭的轉(zhuǎn)速為200r/min，拋光盤(pán)半徑為100mm，⑤不銹鋼厚度為200μm。計(jì)算得到的工件背面與被拋光面的溫度差僅僅為0.0886℃，因?yàn)樗屑僭O(shè)條件都比實(shí)際情況造成的溫度差更大，所以該溫差遠(yuǎn)大于實(shí)際的溫差。

因?yàn)閽伖饨缑鏈囟鹊闹苯訖z測(cè)較為困難，而根據(jù)上述計(jì)算分析可知，工件的背面和拋光界面之間的溫度差異很小，可以通過(guò)檢測(cè)工件背面的溫度間接反應(yīng)拋光界面的溫度。

拋光界面溫度在線檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)如圖6所示，它是由溫度傳感器、信號(hào)處理模塊、導(dǎo)電滑環(huán)、信號(hào)接收裝置、電源及連接各組件間的導(dǎo)線組成，各元件的參數(shù)如表1所示。溫度傳感器采用A級(jí)或者1/3B級(jí)Pt100熱電阻溫度傳感器，這種溫度傳感器的精度比熱電偶溫度傳感器更高，甚至可以達(dá)到±0.1℃的精度。溫度傳感器的安裝方式有壓簧式安裝、螺紋式安裝或者直接將溫度傳感器嵌入工件的夾持器內(nèi)的安裝方式，使其感溫區(qū)域與工件背面接觸。信號(hào)處理模塊固定在拋光工件的夾持器上，它的作用是將傳感器輸出的弱信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為相對(duì)容易傳輸及后期處理的信號(hào)。導(dǎo)電滑環(huán)安裝在被拋光工件的夾持器上，且兩者同軸，它是一種實(shí)現(xiàn)電路固定部分和旋轉(zhuǎn)部分連接的器件，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力、控制及數(shù)字信號(hào)混合傳輸。信號(hào)接收裝置的作用是溫度信號(hào)的采集、處理、顯示、記錄等，它的形式可以不止一種，其中一種是安裝有數(shù)據(jù)采集卡的電腦。

利用該裝置進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用ZPY200旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)重力式研磨拋光機(jī)，聚氨酯拋光墊，不銹鋼精拋液，工件為304不銹鋼基板，其厚度0.2mm、直徑80mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同壓力、不同轉(zhuǎn)速和不同拋光液流量時(shí)的工件溫升，結(jié)果如圖7～圖9所示。

1.拋光盤(pán)和拋光墊 2.被拋光工件 3.被拋光工件的夾持器 4.溫度傳感器 5.信號(hào)處理模塊 6.導(dǎo)電滑環(huán) 7.導(dǎo)線 8.電源和信號(hào)接收裝置

9.拋光液輸送管

圖6　測(cè)溫裝置示意圖

轉(zhuǎn)速為n=100r/min，拋光液流量q=20mL/min

拋光壓力為P=2.35kPa，拋光液流量q=20mL/min

拋光壓力為P=2.35kPa，轉(zhuǎn)速為n=100r/min

3　仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證拋光界面溫度檢測(cè)裝置的有效性，將ANSYS軟件對(duì)基板溫度的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比。仿真的做法已在作者的另一篇文章中介紹了，這里僅引用其基本原理和計(jì)算方法。

將模型簡(jiǎn)化，把夾持器看做是一個(gè)與不銹鋼基板接觸的圓柱體，直徑與不銹鋼基板相同，高度為30mm，不銹鋼基板和拋夾持器建模時(shí)采用PLANE55單元，并設(shè)置為軸對(duì)稱(chēng)單元類(lèi)型，兩者之間的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為350W/(m2℃)。

工件的溫度升高主要是由于拋光界面摩擦產(chǎn)生熱量[6]，熱量從工件的被拋光面輸入，同時(shí)，工件也通過(guò)被拋光面將熱量傳遞至拋光液中，工件還通過(guò)其背面將熱量傳遞至夾持器上。

輸入不銹鋼基板的熱流密度大小為：

其中r是摩擦產(chǎn)生的熱量在基板和拋光墊之間的分配系數(shù)[2,9]，μ是基板與拋光墊的摩擦系數(shù)取為0.2，F(xiàn)為拋光壓力，v是拋光墊和基板的相對(duì)速度，kw是基板的熱傳導(dǎo)率，k是拋光墊的拋光墊的導(dǎo)熱系數(shù)，D是拋光墊的熱擴(kuò)散系數(shù)，rg是基板的半徑，S是基板的面積。

基板和拋光頭通過(guò)拋光液流出的熱量為：

E=k×c×m×ΔT

其中c拋光液的比熱容(約為水的比熱容)，m是每秒鐘流出的拋光液質(zhì)量，ΔT拋光液的溫度變化,k是一個(gè)比例系數(shù)，拋光液流量不一樣時(shí)，該系數(shù)大小不一樣，在拋光液流量為20mL/min時(shí)，其值取為0.35。

基板和拋光頭通過(guò)空氣對(duì)流散發(fā)出的熱量為:

Q=h×(Tg-Ty)

其中h為拋光頭及基板與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，其值取為10W/(m2℃)，Tg為拋光頭表面溫度，Ty為環(huán)境溫度。

在拋光液流量為20mL/min時(shí)，仿真了不同壓力和轉(zhuǎn)速條件下的基板溫升，并將其與檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，如圖7、圖8所示，當(dāng)壓力、轉(zhuǎn)速增大或者拋光液的流量減小時(shí)，拋光界面溫升更大。仿真結(jié)果和檢測(cè)結(jié)果非常接近，這也說(shuō)明檢測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果是有效的。

4　測(cè)溫裝置的應(yīng)用

精確地檢測(cè)拋光界面的溫度，不僅有利于溫度控制及預(yù)熱方法的改進(jìn)，進(jìn)而提高加工效率，降低工件的片內(nèi)非均勻性，還可以將溫度信號(hào)作為判斷拋光過(guò)程是否正常的一個(gè)指標(biāo)和用于某些工件拋光終點(diǎn)的檢測(cè)。

當(dāng)拋光墊在拋光過(guò)程中發(fā)生磨損或者釉化，拋光液中的磨粒發(fā)生團(tuán)聚，拋光液中混入雜質(zhì)，或者工件碎裂等情況發(fā)生時(shí)，工件與拋光墊之間的摩擦狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而引起拋光界面的溫度發(fā)生異常變化。因此，通過(guò)監(jiān)控溫度的異常變化可以判斷拋光過(guò)程是否有異常情況的發(fā)生。

當(dāng)被拋光工件是由至少兩層具有不一樣的物理特性的材料組成，比如工件有底層和覆蓋于底層的待去除層時(shí)，這兩層材料的熱傳導(dǎo)率及其與拋光墊的摩擦系數(shù)等性質(zhì)不一樣。這樣的工件在被拋光的過(guò)程中，當(dāng)待去除層被去除后露出底層材料時(shí)，工件與拋光墊的摩擦狀態(tài)發(fā)生了改變，進(jìn)而導(dǎo)致拋光界面的溫度發(fā)生改變。因此，檢測(cè)溫度的變化就能檢測(cè)出拋光過(guò)程是否到達(dá)終點(diǎn)。

5　結(jié)論

本文在總結(jié)其他學(xué)者所提出的拋光界面溫度測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的拋光界面溫度在線檢測(cè)裝置，該溫度檢測(cè)裝置能夠在不影響拋光工藝的提前下，精確地檢測(cè)出拋光界面的溫度，其檢測(cè)結(jié)果與ANSYS仿真結(jié)果十分接近。最后提出了該裝置的兩個(gè)應(yīng)用。

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(編輯趙蓉)

The On-line Detection of Polishing Interface Temperature in CMP

YUAN Wen-qiang,WEI Xin,XIE Xiao-zhu,HU Wei

(Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006, China)

The importance of monitoring the temperature on the polishing interface in the process of chemical mechanical polishing was introduced.The detection methods for polishing interface temperature of other scholars were summarized,and the advantages and disadvantages of each method were analyzed.Thus we designed an on-line polishing interface temperature detection device,and introduced its structure and the model and performance of the various components that form the device.The CMP experiments of different polishing pressure,polishing plate rotational speed and polishing slurry flow rate were carried out,and the device was used to detect the change of temperature at the same time.In order to further illustrate the effectiveness of the proposed device,the test results of the polishing slurry flow rate for 20mL/min was compared with the simulation results,and the six groups of comparative data were very close,which also verified the validity of the calculation method.Applying the temperature detection device to determining whether the polishing process is normal and detecting the polishing end point of some workpieces was proposed in this paper.

chemical mechanical polishing;interface;temperature;detection

1001-2265(2016)08-0042-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.012

2015-07-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175092)；教育部高校博士學(xué)科專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20104420110002)；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10151009001000036)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目促進(jìn)科技服務(wù)業(yè)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃(2010A040203002)；省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合科技創(chuàng)新平臺(tái)資助(2011A091000002)

袁文強(qiáng)(1991—)，男，江西贛州人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向是超精密加工，(E-mail)yuanwq2211@sina.com；魏昕(1964—)，女，江西宜春人，廣東工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)槲㈦娮又圃旒夹g(shù)、精密加工理論研究，(E-mail)weixin@gdut.edu.cn。

TH16；TG68

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