鄒德冰

摘要：為了提高生產(chǎn)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(fā)展。故迫切需要提高硅片型面精度和微觀表面的加工質(zhì)量，同時又要求高效、低成本和無污染等的完成，高品質(zhì)硅片的超精密加工技術(shù)成為發(fā)展微電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)上對拋光過程的控制往往基于經(jīng)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(xiàn)象的聯(lián)系等。

關(guān)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(jié)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(zhuǎn)，拋光墊多孔且材質(zhì)較軟，粘貼在剛性的主盤上，主盤和晶片同向轉(zhuǎn)動，拋光液以一定的流量加在拋光墊的中心。拋光中的設(shè)備型號以及實驗參數(shù)為：

拋光機：PolishMode13800；

拋光墊：RodelSuba600；

拋光液：DANMMAZINSR310或自制拋光液；

主盤轉(zhuǎn)速：60r/min；

壓力：0116MPa；

拋光液流速：013L/min。

腐蝕后的硅片經(jīng)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(tǒng)一為30min。在研究SEM形貌及拋光過程中的粗糙度的實驗中，設(shè)置長短不同的拋光時間以實現(xiàn)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(tài)的表面形貌；利用WYKOMHT-Ⅲ型光干涉形貌儀測量粗糙度數(shù)值以及判斷是否有桔皮存在。

二、結(jié)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(dǎo)致的斷裂或劃痕。硅單晶由于其晶體結(jié)構(gòu)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(guī)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?；瘜W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(qū)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(qū)域的高度差越來越小，樣品表面上的腐蝕坑深度變淺、數(shù)量變少。本實驗條件下，平均去除厚度為717Lm的樣品表面已經(jīng)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(guān)系，Ra值測量時取樣面積為236Lm@184Lm的矩形區(qū)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(shù)據(jù)。低通濾波屏蔽了小尺度內(nèi)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(shù)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(shù)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(jīng)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(jīng)濾波的粗糙度數(shù)值和經(jīng)過低通濾波后的數(shù)值十分接近，稍微高于低通濾波之后的數(shù)值，而遠高于高通濾波的數(shù)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(shù)據(jù)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(jīng)濾波的粗糙度曲線和經(jīng)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(jié)果顯示，40倍物鏡下測量的粗糙度Ra數(shù)值均為3nm左右，差異很?。?15倍物鏡的測量結(jié)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(fā)現(xiàn)硅膠粒徑和粗糙度之間存在單調(diào)的關(guān)系。

三、結(jié)論

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

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

（3）當拋光液中堿含量較高時，容易發(fā)生腐蝕過度，導(dǎo)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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