李慶忠，李強(qiáng)強(qiáng)，孫蘇磊

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，無錫 214122)

1 引 言

信息技術(shù)的基礎(chǔ)和核心是微電子技術(shù)[1]。單晶硅、碳化硅、氮化硅和藍(lán)寶石等眾多半導(dǎo)體材料被廣泛地應(yīng)用于微電子元器件的制造中[2]。為了保證在微電子元器件制造過程中的產(chǎn)品質(zhì)量，要求前道工序的產(chǎn)品晶圓表面和亞表層沒有損傷和缺陷，形成高質(zhì)量超光滑基材表面[3-4]?；瘜W(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP)是上世紀(jì)90年代興起的綜合利用化學(xué)氧化、機(jī)械摩擦和流體作用進(jìn)行工件表面材料去除的技術(shù)，主要通過納米磨料磨削作用和漿料的化學(xué)腐蝕作用使被研磨的工件表面達(dá)到光滑無損傷的平整度要求，是目前廣泛采用的一種全局平坦化技術(shù)[5]。傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)在一定的時(shí)期內(nèi)滿足了硬脆材料平坦化發(fā)展對(duì)超精密平整化技術(shù)發(fā)展的基本要求，但都存在著一定的技術(shù)缺陷，加工質(zhì)量很不容易控制[6]。因此國內(nèi)外科研人員在硬脆材料的超精密平坦化理論和技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究試驗(yàn)[7]，結(jié)果表明僅僅改進(jìn)拋光液中化學(xué)物質(zhì)的組分和改變拋光參數(shù)提高機(jī)械摩擦作用對(duì)無損傷超光滑表面的形成的幫助是遠(yuǎn)不夠的[8]。事實(shí)上也證明，拋光液中磨料納米顆粒的團(tuán)聚劃傷以及在拋光過程中基片上過量的拋光液的不均勻腐蝕作用，也正是造成基片表面質(zhì)量不高的主要緣由之一，必須加以控制和改進(jìn)[9]。

針對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光過程中存在的諸多問題如團(tuán)的聚納米漿料粒子易劃傷拋光表面，拋光墊表面磨粒分布不均勻，被拋光工件表面殘留漿料不易清洗，拋光成本高，漿料廢液難處理、污染環(huán)境等[10]問題，本文通過對(duì)國內(nèi)外超精密平坦化加工技術(shù)的研究和發(fā)展趨勢的分析，提出了霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP工藝。霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP工藝，具有成本低、材料去除率高、拋光效果好和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，深入分析同質(zhì)硬脆晶體CMP微觀去除機(jī)制具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

2 實(shí) 驗(yàn)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP工藝(下面簡稱互拋CMP)摒棄了傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光中的拋光墊，讓材料相同、表面粗糙度相近的上下兩拋光片相互接觸，在拋光片兩表面之間施加霧化后的特種拋光液，與拋光片表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并生成剪切強(qiáng)度較低的均勻覆蓋膜[11]；同時(shí)在兩個(gè)工件上方施加一定的壓力，拋光頭和拋光盤間的速度差使上下兩片硅片間產(chǎn)生相互運(yùn)動(dòng)，上下兩片硅片相互擠壓、磨削去除硅片表面的凸起，被去除的材料一部分被拋光液帶走，另一部分作為磨料繼續(xù)參與下一個(gè)循環(huán)的磨削，形成超光滑無損傷超精納米級(jí)表面。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。讓同種材料的拋光片表面相互接觸，被拋光的硅片既作為被加工件完成表面平坦化，同時(shí)也作為與其相互接觸的另一工件的拋光墊對(duì)其進(jìn)行磨削，提高了加工效率；傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光拋光墊多是聚氨酯材料有一定的彈性，而霧化施液同質(zhì)互拋CMP中作為互拋的兩個(gè)工件都是硬脆材料，可以將拋光頭的壓力全部轉(zhuǎn)化為剪切力將硅片表面材料去除；同時(shí)霧化后的拋光液粒在拋光/研拋界面上快速吸附作用和高活性，使拋光液中的化學(xué)成分與拋光工件的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行速度和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)CMP的流體施液方式，緩解甚至解決表面粗糙度、表面/亞表面損傷和材料去除率之間的矛盾；此外霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP的特種拋光液中不要加入磨料，不需要使用傳統(tǒng)的拋光墊，大大降低了拋光成本，提高了漿料利用率低，解決了拋光工件表面殘留漿料不易清洗、漿料廢液難處理污染環(huán)境等問題。

2.1 試驗(yàn)材料

選用φ5.08 mm×1 mm的100型單晶硅研磨腐蝕片為試樣，試驗(yàn)用水為電阻率為18.24 MΩ的去離子水。試驗(yàn)用拋光液為自制特種拋光液，其中包含磨料(磨粒粒徑為15～20 nm的SiO2溶膠，其中SiO2磨粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)、氧化劑(H2O2)、pH調(diào)節(jié)劑(羥乙基乙二胺)、表面活性劑(聚乙烯吡咯烷酮)，具體成分如表1。

表1 兩種拋光液的各項(xiàng)參數(shù)Table 1 Parameters of two kinds of slurries

拋光基本參數(shù)設(shè)置如表2：拋光盤轉(zhuǎn)速80 r/min，拋光液流量為100 mL/min,拋光時(shí)間設(shè)置為8 min。

表2 各組試驗(yàn)拋光參數(shù)Table 2 Test polishing parameters of each group

2.2 試驗(yàn)方法

將UL-1502型化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)按前文方法改造成霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP設(shè)備，分別采用傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)和改造后的拋光設(shè)備使用上述三種拋光液對(duì)硅片進(jìn)行拋光試驗(yàn)。試驗(yàn)S1、S2為使用傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)進(jìn)行拋光；試驗(yàn)S3、S4和S5為使用改造后的機(jī)器進(jìn)行拋光試驗(yàn)。拋光前，用精密電子天平(XS205-DU型，精度為0.01 mg)對(duì)單晶硅研磨腐蝕片進(jìn)行稱重，拋光后，使用PS-08 A型超聲清洗機(jī)對(duì)硅片進(jìn)行清洗，吹干后稱重。通過公式(1)計(jì)算材料去除率[12]。

(1)

式中，VMRR為材料去除率(nm/min)，M0和M1分別為拋光前和拋光后硅片的質(zhì)量(g)，ρ為硅片密度(g/cm3)，S1為硅片表面積(cm2)，t為拋光時(shí)間(min)。通過掃面探針顯微鏡(CSPM5000型)觀察硅片的表面形貌，并測量其表面粗糙度，測試時(shí)掃描區(qū)域面積為10 μm×10 μm。

3 結(jié)果與討論

3.1 拋光壓力對(duì)材料去除率的影響

圖2顯示了五組實(shí)驗(yàn)單晶硅表面材料去除率隨拋光壓力變化的趨勢。圖2(a)顯示了機(jī)械作用對(duì)硅片材料去除率的影響，當(dāng)僅用去離子水進(jìn)行拋光時(shí)，采用互拋CMP工藝方法對(duì)硅片進(jìn)行拋光試驗(yàn)拋光去除率隨著拋光壓力的增大而增大，當(dāng)拋光壓力為9 psi時(shí)材料去除率最大達(dá)到了360 nm/min;在去離子水中加入硅溶膠攪拌后使用傳統(tǒng)CMP對(duì)硅片進(jìn)行拋光，在拋光壓力為9 psi時(shí)材料去除力達(dá)到最大為310 nm/min；結(jié)果表明使用互拋CMP工藝拋光硅片時(shí)機(jī)械作用明顯比傳統(tǒng)CMP更強(qiáng)。圖2(b)顯示了化學(xué)和機(jī)械的交互作用對(duì)硅片材料去除率的影響，當(dāng)使用含有全部組分的試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)拋光液對(duì)硅片進(jìn)行拋光時(shí)，傳統(tǒng)CMP的材料去除率達(dá)到了630 nm/min，而使用互拋CMP工藝對(duì)硅片進(jìn)行拋光，由于互拋CMP工藝比傳統(tǒng)拋光工藝的機(jī)械作用更大，所以對(duì)硅片的表面材料去除更明顯，材料去除率隨著拋光壓力的增大增大，在拋光壓力為9 psi時(shí)達(dá)到最大為711 nm/min，高于傳統(tǒng)化學(xué)CMP；當(dāng)拋光液中不含有磨粒只含有必要的化學(xué)成分時(shí)，使用互拋CMP工藝拋光硅片時(shí)材料去除率在拋光壓力在9 psi最高為603 nm/min。

圖2 材料去除率隨著壓力變化曲線 Fig.2 Material removal rate curves with pressure (a)mechanical action;(b)mechanochemistry action

3.2 拋光壓力對(duì)硅片表面粗糙度的影響

對(duì)S2、S4和S5三組試驗(yàn)拋光后的硅片表面進(jìn)行AFM掃描，其表面形貌如圖3所示。由圖3(a)可見，使用傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光方法對(duì)硅片進(jìn)行拋光后，雖然硅片表面整體比較平坦，但還是存在很多凸起和凹坑；從圖3(c)中可以看出，使用互拋CMP工藝在有磨料的情況下，拋光后的硅片表面也存在一些凸起和凹坑；而圖3(b)是使用互拋CMP工藝拋光液中沒有添加磨料對(duì)硅片進(jìn)行拋光的結(jié)果，被拋光后的硅片表面整體比較光滑，沒有明顯的劃痕和缺陷。分別對(duì)三個(gè)表面形貌取一典型剖面分析其表面粗糙度，結(jié)果顯示：采用傳統(tǒng)機(jī)械化學(xué)拋光對(duì)硅片進(jìn)行拋光，拋光后的硅片表面粗糙度為6.8 nm;使用互拋工藝對(duì)硅片進(jìn)行拋光，拋光液中加入磨料的情況下硅片表面粗糙度為7.2 nm，和傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光結(jié)果相近；當(dāng)拋光液中不加磨料時(shí)，硅片表面粗糙度為3.8 nm，低于傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光的表面粗糙度。

圖3 拋光后硅片的AFM形貌 Fig.3 AFM images of wafer after CMP (a)S2;(b)S4;(c)S5

3.3 結(jié)果分析

通過上述試驗(yàn)分析，可以得知霧化施液同質(zhì)硬脆晶體CMP工藝的材料去除機(jī)理和傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械CMP相似，是化學(xué)作用與機(jī)械作用相互促進(jìn)的復(fù)雜過程[13]，可以把它歸納為化學(xué)作用產(chǎn)的行的材料去除、機(jī)械作用產(chǎn)生的材料去除及化學(xué)機(jī)械交互作用產(chǎn)生的材料去除。

在上述實(shí)驗(yàn)中可以看出互拋CMP機(jī)械作用遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)CMP的機(jī)械作用，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)CMP的機(jī)械作用主要是磨粒的磨削作用和拋光墊的切削作用，但是在拋光墊多次使用后，拋光過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)和氧化反應(yīng)的生成物堆積在拋光墊的溝槽或孔洞中，將拋光墊孔洞阻塞填平，產(chǎn)生釉化現(xiàn)象[14]。這會(huì)造成拋光墊拋光特性變差，使拋光墊失去保持拋光漿料的能力，材料去除率隨之下降。而互拋CMP沒有使用傳統(tǒng)的拋光墊，利用硅片拋光前表面粗糙度的特點(diǎn)，讓被拋光的兩片硅片相互接觸作為彼此的拋光墊，再施加一定的壓力，同時(shí)兩片硅片在拋光盤和拋光頭的帶動(dòng)下相互運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到材料去除的結(jié)果。此外，硅片表面被去除的材料一部反被拋光液帶走，另一部分作為拋光液的磨料繼續(xù)參與后續(xù)的磨削，因此互拋CMP的機(jī)械作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械CMP。互拋CMP過程中機(jī)械作用的增強(qiáng)也促進(jìn)晶體材料和拋光液之間產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，在晶體表面生成一層強(qiáng)度小于晶體材料的氧化膜，更容易通過磨料的滑動(dòng)或滾動(dòng)被機(jī)械磨損去除[15]，因此拋光液的化學(xué)腐蝕反過來使拋光過程中的機(jī)械作用增強(qiáng)。過量的化學(xué)腐蝕、氧化會(huì)惡化晶體材料的表面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械CMP拋光液中含有大量的磨料，磨料的強(qiáng)度大于晶體材料的強(qiáng)度，因此拋光過程中施加在硅片上的強(qiáng)大機(jī)械力會(huì)在晶體表面留下劃痕。而在同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP過程中，主要的機(jī)械作用是上下兩片硅片之間的機(jī)械作用，拋光液中不需要添加磨料，因此不會(huì)在硅片表面留下劃痕、凹坑。

綜上所述，同質(zhì)硬脆晶體CMP的材料去除和傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械CMP相似都是硅片表面分子的氧化磨損去除，其具體過程為：拋光液中的氧化劑將硅片表面原子氧化，生成的氧化分子剪切強(qiáng)度較低，相互接觸的兩片硅片在拋光頭的壓力下運(yùn)動(dòng)將能量傳遞給鍵能弱化的表面氧化分子，當(dāng)傳遞的能量大于氧化分子間結(jié)合的鍵能時(shí)，被拋工件表面的材料脫離表面一部分被拋光液帶走，另一部分作為磨料參與后續(xù)的拋光過程。

4 結(jié) 論

(1)采用霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP拋光工藝拋光硅片表面粗糙度低，材料去除率高，當(dāng)拋光壓力達(dá)到9 psi時(shí)，硅片表面材料去除率為711 nm/min,表面粗糙度Ra為3.8 nm，優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光。

(2)霧化施液同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP拋光液中加入磨粒和不加磨粒對(duì)硅片進(jìn)行拋光，材料去除率相近，無磨料拋光后表面粗糙度更低，因此拋光液為無磨料拋光液，簡化了拋光液成分，節(jié)約了拋光成本，解決了拋光工件表面殘留漿料不易清洗、漿料廢液難處理污染環(huán)境等問題，同時(shí)在一定程度上避免了磨料分散性難和因磨料團(tuán)聚造成拋光件表面劃傷等諸多問題。

(3)同質(zhì)硬脆晶體互拋CMP的材料去除是物理作用和化學(xué)作用相互促進(jìn)的結(jié)果，拋光液中氧化劑等化學(xué)成分的氧化作用將硅片表面原子氧化，生成剪切強(qiáng)度較低的氧化分子，上下兩硅片在拋光頭的壓力下相互運(yùn)動(dòng)將能量傳遞給鍵能弱化的表面氧化分子，表現(xiàn)為被拋工件表面的材料被去除，一部分被去除的材料被拋光液帶走，另一部分作為磨料參與后續(xù)的磨削作用。