硅片化學機械拋光中表面形貌問題的研究

鄒德冰

摘要：為了提高生產率、降低制造成本的需要，集成電路用硅片朝著大尺寸方向發展。故迫切需要提高硅片型面精度和微觀表面的加工質量，同時又要求高效、低成本和無污染等的完成，高品質硅片的超精密加工技術成為發展微電子產業的關鍵技術。工業上對拋光過程的控制往往基于經驗，與實驗室研究有較大差別。本文作者通過實驗手段對實際拋光中的表面形貌問題進行了研究，包括：拋光過程中硅片形貌及粗糙度的變化；硅溶膠粒徑對粗糙度的影響；拋光液中堿濃度和拋光桔皮現象的聯系等。

關鍵詞：硅片；化學機械拋光；表面形貌；問題研究

一、實驗部分

（一）樣品

樣品為直徑為150mm的n型（100）單晶硅研磨片。在進行拋光之前首先進行化學腐蝕，以去除在研磨中造成的損傷層，獲得完美的無機械損傷表面。

（二）拋光液制備

為研究去除厚度不同的硅片表面形貌，使用了MAZINSR310型號的拋光液。在考察含不同粒徑硅膠顆粒的拋光液的拋光結果以及桔皮實驗中，使用了自制拋光液，主要成分為硅溶膠和某種堿性藥品。

（三）拋光實驗機及拋光實驗

拋光機通過壓盤向晶片的背面施加一定的壓力，晶片拋光面朝下和拋光墊接觸并且旋轉，拋光墊多孔且材質較軟，粘貼在剛性的主盤上，主盤和晶片同向轉動，拋光液以一定的流量加在拋光墊的中心。拋光中的設備型號以及實驗參數為：

拋光機：PolishMode13800；

拋光墊：RodelSuba600；

拋光液：DANMMAZINSR310或自制拋光液；

主盤轉速：60r/min；

壓力：0116MPa；

拋光液流速：013L/min。

腐蝕后的硅片經去離子水沖洗后進行拋光。粒徑實驗和桔皮實驗中，拋光時間統一為30min。在研究SEM形貌及拋光過程中的粗糙度的實驗中，設置長短不同的拋光時間以實現不同的去除厚度，這一系列去除厚度不同的硅片代表了拋光過程中的不同階段。#1～7#樣品去除厚度依次增加。

（四）觀測方法

使用非接觸式厚度儀測量樣品厚度，按照GB/T6618-1995標準取5點厚度的平均值；利用掃描電鏡觀察樣品腐蝕狀態的表面形貌；利用WYKOMHT-Ⅲ型光干涉形貌儀測量粗糙度數值以及判斷是否有桔皮存在。

二、結果與討論

（一）SEM形貌

化學腐蝕后樣品的SEM圖片表面不存在機械作用導致的斷裂或劃痕。硅單晶由于其晶體結構的各向異性而在不同方向上展示出不同的腐蝕速度，因而表面形貌在腐蝕中趨于規則化。樣品表面局部放大的SEM形貌棱線為不同腐蝕面的交界，非機械斷裂所致。化學作用的強弱對樣品表面的高低形貌信息不具有選擇性，而是對高、低區域同等作用。機械作用，主要指拋光液中的研磨顆粒以及拋光墊對樣品表面的摩擦作用，其強弱受拋光墊與樣品之間的壓力分布影響較大，樣品表面上凸出部分承載較多壓力，去除速率較高；低凹部分機械作用較弱，去除速率相對較低。這樣，高、低區域的高度差越來越小，樣品表面上的腐蝕坑深度變淺、數量變少。本實驗條件下，平均去除厚度為717Lm的樣品表面已經基本消除了腐蝕坑。

（二）拋光過程中的粗糙度

粗糙度（Ra）變化與去除厚度之間的關系，Ra值測量時取樣面積為236Lm@184Lm的矩形區域。

3條曲線分別是Ra值、低通濾波后的Ra值以及高通濾波后的Ra值（濾波的截止波長為4Lm）。3條曲線上各有7個點，按照去除厚度從小到大分別是1#～7#樣品的數據。低通濾波屏蔽了小尺度內高頻信號，反映了大尺度上的形貌特性，高通濾波則屏蔽了長程的低頻信號，反映了小尺度上的形貌特性。從中可以看出：

（1）Ra數值在拋光初期階段迅速減小；隨著去除厚度的增加，Ra值減小的趨勢漸緩；去除厚度為15Lm以上時，Ra值的改善不再顯著。

（2）高通濾波后的粗糙度曲線近似平直，說明去除厚度不同的樣品的粗糙度數值并無顯著差別，樣品表面微小尺度上的形貌并無明顯改善。

（3）未經濾波的粗糙度曲線和低通濾波的粗糙度曲線在形狀上相似。具體地說，1#、2#和3#樣品（每條曲線上的前3個點）未經濾波的粗糙度數值和經過低通濾波后的數值十分接近，稍微高于低通濾波之后的數值，而遠高于高通濾波的數值，說明在拋光初期，樣品表面較高的粗糙度主要是低頻、大波長表面起伏。4#、5#以及6#樣品（每條曲線上的第4～6個點）的數據顯示，隨著拋光時間的延長兩條曲線的走勢漸緩，表明通過延長拋光時間獲得平整度較高硅片的效率逐漸降低，CUP拋光逐漸失去對表面形貌的改善作用。

未經濾波的粗糙度曲線和經過低通濾波之后的曲線的偏差逐漸增大，說明隨著拋光時間的延長，低頻、大波長的形貌信息對樣品表面粗糙度的影響逐漸減弱，測量所得Ra值開始更多反映短程高頻的形貌信息。

（三）磨粒粒徑與拋光片粗糙度

測量Ra時使用了40倍（視場為236Lm@184Lm）和215倍（視場為119mm@215mm）兩個物鏡。結果顯示，40倍物鏡下測量的粗糙度Ra數值均為3nm左右，差異很小；215倍物鏡的測量結果中，不同粒徑的硅膠在Ra值上存在著一定的差異，但是本實驗條件下并未發現硅膠粒徑和粗糙度之間存在單調的關系。

三、結論

（1）拋光中硅片樣品表面粗糙度降低的過程，實質為低頻、大波長的表面起伏逐漸消除，小尺度內的粗糙度并未得到顯著改善。

（2）硅溶膠粒徑在10-25nm范圍內，對被拋光表面的粗糙度（Ra）的影響不存在單調性規律。

（3）當拋光液中堿含量較高時，容易發生腐蝕過度，導致桔皮。在一定的堿含量條件下可以避免桔皮，同時達到較高的去除速率

參考文獻：

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