徐嘉慧， 康仁科， 董志剛， 王紫光

(1. 大連理工大學(xué)， 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024) (2. 大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116028)

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的迅猛發(fā)展，集成電路的集成度越來(lái)越高，電子元器件的尺寸越來(lái)越小。同時(shí)為了降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，硅片的直徑越來(lái)越大，硅片表面的平整度要求越來(lái)越高，已達(dá)到納米級(jí)水平。傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)，如選擇淀積、旋轉(zhuǎn)玻璃法等，僅僅能實(shí)現(xiàn)局部平坦化，但對(duì)于微小尺寸特征的電子器件，必須進(jìn)行全局平坦化才能滿足硅片的使用要求?；瘜W(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing,CMP)的概念于1965年由美國(guó)的WALSH等[1]提出，是目前為止唯一能夠?qū)崿F(xiàn)硅片局部和全局平坦化的工藝技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。雖然半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代，但作為第一代的硅材料仍然是最重要的襯底材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球95%以上的半導(dǎo)體芯片和器件仍采用硅片作為基底功能材料。

IC制造過(guò)程如圖1所示，主要包括硅片制造、IC制造(前端工藝、后端工藝)、測(cè)試與封裝幾個(gè)階段。在IC制造過(guò)程中，無(wú)論是氧化擴(kuò)散、化學(xué)氣相沉積還是濺鍍和保護(hù)層沉積，均需要多次使用CMP技術(shù)。

圖1 集成電路制造過(guò)程簡(jiǎn)圖

硅片逐漸大尺寸化，使得對(duì)硅片的表面質(zhì)量要求更為嚴(yán)格；硅片厚度的增加也使得減薄過(guò)程中需要去除的材料量增加。因此，如何提高其加工效率成為了研究熱點(diǎn)之一。由于化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)和機(jī)械協(xié)同作用的技術(shù)，因此影響拋光過(guò)程和效果的因素很多。拋光參數(shù)的改變將會(huì)直接對(duì)硅片平坦化的質(zhì)量產(chǎn)生影響。目前，影響硅片拋光質(zhì)量的因素主要有3個(gè)方面，分別如圖2所示[2]：首先是拋光設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，包括拋光盤和拋光頭的轉(zhuǎn)速、拋光壓力和拋光時(shí)的環(huán)境溫度等；其次是CMP中使用的耗材參數(shù)，主要為拋光液和拋光墊的技術(shù)參數(shù)；最后是硅片自身的影響，主要指硅片特性及其與拋光墊接觸時(shí)的彈塑性性能等。

圖2 硅片CMP過(guò)程中的影響因素

首先，介紹化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的基本原理及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)；然后，概述拋光液、拋光墊和拋光壓力等因素對(duì)硅片拋光后的表面質(zhì)量和表面材料去除率影響的研究現(xiàn)狀；最后，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外用于硅片CMP加工的不同類型的設(shè)備進(jìn)行介紹。

1 CMP技術(shù)基本原理與優(yōu)勢(shì)

1.1 CMP技術(shù)的基本原理

CMP工作原理如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是夾持硅片進(jìn)行拋光的拋光頭、安裝拋光墊的工作臺(tái)和拋光液的供給設(shè)備。在拋光過(guò)程中，硅片被吸附或粘在拋光頭上，并施加一定壓力，使得待加工表面與拋光盤接觸。拋光頭和工作臺(tái)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可按照一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通常情況下，拋光頭和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速基本一致[3]。由納米或者微納米磨粒和化學(xué)溶液組成的拋光液通過(guò)拋光液供給裝備添加到拋光盤表面，然后通過(guò)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力使其均勻分布在拋光盤表面。拋光過(guò)程中拋光液與硅片間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得硅片表面生成比較容易去除的物質(zhì)，然后由磨粒與硅片表面的機(jī)械摩擦作用將生成的物質(zhì)去除，通過(guò)化學(xué)和機(jī)械的交替作用實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的超精密拋光。

圖3 傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光原理示意圖[3]

CMP的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜，影響因素很多。根據(jù)拋光對(duì)象的不同，具體的拋光機(jī)理也有差別。通過(guò)對(duì)硅片表面各種材料在CMP過(guò)程中化學(xué)機(jī)理的研究與總結(jié)，得到CMP的化學(xué)反應(yīng)通式為[4]：

(1)

其中：M表示未與拋光液發(fā)生反應(yīng)前的材料；R表示拋光液中的氧化劑、絡(luò)合劑等反應(yīng)物；L表示反應(yīng)后生成的易于去除的反應(yīng)物薄膜；D表示反應(yīng)生成的副產(chǎn)物，如氣體和溶于拋光液中的化學(xué)反應(yīng)物等；α、β、n、m為系數(shù)；k1為速度參數(shù)，其值由氧化劑的性質(zhì)決定。

硅片在CMP過(guò)程中，一般使用堿性拋光液，如二氧化硅堿性溶液、氧化鎂水劑、二氧化鈦堿性溶液等。目前最常用的是二氧化硅堿性拋光溶液。其反應(yīng)方程式如下[5]：

(2)

1.2 CMP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)綜合了化學(xué)拋光和機(jī)械拋光的優(yōu)勢(shì)。它克服了純化學(xué)拋光過(guò)程中的表面平整度和平行度差的問(wèn)題，也克服了純機(jī)械拋光過(guò)程中表面光潔度差、損傷層厚度大的缺點(diǎn)?；瘜W(xué)機(jī)械拋光在獲得較高表面質(zhì)量的同時(shí)，還能兼顧一定的拋光效率，是目前能夠?qū)崿F(xiàn)基片全局平整化的唯一方式?；瘜W(xué)機(jī)械拋光技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)[6]，具體如下：

(1)可以對(duì)不同材料和表面進(jìn)行全局平坦化，能對(duì)多層金屬互連介質(zhì)中的絕緣體、導(dǎo)體等不同材料進(jìn)行全局平坦化；

(2)可以在一次化學(xué)機(jī)械拋光中同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種材料的平坦化加工；

(3)可以消除材料表面的缺陷，減少表面起伏，改善表面形貌，增加集成電路產(chǎn)品的可靠性；

(4)CMP過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，對(duì)健康影響小。

2 CMP拋光工藝的影響因素

2.1 拋光液

拋光液是影響CMP中材料拋光質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。一般由磨粒、去離子水、氧化劑、絡(luò)合劑、表面活性劑以及pH調(diào)節(jié)劑等組成。拋光液需要具備流動(dòng)性好、無(wú)毒和拋光速度快等特點(diǎn)。在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，拋光液中的添加劑與晶圓表面反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)作用，磨粒在晶圓表面通過(guò)摩擦提供機(jī)械作用。因此，拋光液對(duì)CMP性能的影響重大。眾多學(xué)者對(duì)此開展了研究，將影響因素歸納為磨粒和化學(xué)添加劑2類。

2.1.1 磨粒對(duì)CMP拋光性能的影響

在硅片的化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，磨粒主要通過(guò)微切削、劃擦等方式作用于被加工表面，借助機(jī)械力實(shí)現(xiàn)硅片表面材料的去除。磨粒直徑一般為幾十納米，常用的磨粒有二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈰(CeO2)和金剛石等。磨料的硬度、粒徑、形狀及其在拋光液中的質(zhì)量濃度等綜合因素決定了磨粒的去除行為和能力。

FU等[7]針對(duì)磨粒的形狀對(duì)硅片表面材料去除率的影響進(jìn)行了研究。假設(shè)在拋光過(guò)程中硅片和磨料均發(fā)生完全的塑性變形，研究了錐形磨粒和球形磨粒與硅片之間的相互作用規(guī)律。2種形狀磨粒接觸的示意圖如圖4所示。

(a) 球形磨粒Spherical abrasive(b) 錐形磨粒Conical abrasive圖4 磨粒的接觸示意圖[7]Fig. 4 Contact schematics of abrasive particle and wafer[7]

ZHOU等[8]研究了SiO2磨粒的粒徑對(duì)100 mm單晶硅片表面材料去除率的影響。在磨粒粒徑分別為10、20、50、80、110和140 nm的拋光條件下進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了表面材料去除率隨磨粒粒徑呈非線性變化。當(dāng)SiO2磨粒粒徑為80 nm時(shí)，得到最大的表面材料去除率，并且能夠獲得Ra為0.6 nm的良好表面。ZARUDI等[9]研究了使用15 μm和50 nm的Al2O3磨料對(duì)硅片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光后的表面形貌。試驗(yàn)表明，在拋光壓力為79 kPa，工作臺(tái)平均轉(zhuǎn)速為30～50 r/min的情況下，采用15 μm的Al2O3磨料拋光后的硅片表面粗糙度Ra為0.5～0.7 μm；當(dāng)使用50 nm的磨料進(jìn)行拋光時(shí)，硅片平均表面粗糙度Ra可以達(dá)到0.1～0.3 nm，但是硅片表面的材料去除率要比15 μm磨粒條件下的低1個(gè)數(shù)量級(jí)。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也對(duì)拋光液中的復(fù)合磨粒進(jìn)行了一系列的研究。楊玉芝等[10]提出了一種在硅片化學(xué)機(jī)械拋光中使用復(fù)合磨粒的方法，以此提高表面材料的去除率。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合磨粒中小粒徑的磨?？梢源罅课皆诖罅降木酆衔锪Ｗ由?，使得參與拋光的有效磨粒數(shù)目增大，機(jī)械作用增強(qiáng)，從而加快材料的去除。另外，聚合物粒子還能使拋光墊和硅片之間產(chǎn)生一定間隙，增強(qiáng)拋光液的潤(rùn)滑作用，有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了在拋光盤和拋光頭的轉(zhuǎn)速均為50 r/min，拋光壓力為22 kPa的情況下，使用由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的SiO2磨料和3%的BGF微球配制而成的復(fù)合磨粒拋光液對(duì)硅片進(jìn)行拋光時(shí)，拋光速率最大，能夠達(dá)到353 nm/min。

黃亦申等[11]研究了一種脈沖磁場(chǎng)輔助型磁性復(fù)合磨粒的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)。他們采用磁性聚合物微球與SiO2磨粒組成的復(fù)合磨粒拋光液，發(fā)現(xiàn)在拋光過(guò)程中，磁性微球受到磁力作用時(shí)將有利于復(fù)合磨粒進(jìn)入拋光區(qū)，以二體磨損的方式去除硅片表面材料。并通過(guò)工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在施加不同頻率和占空比的脈沖磁場(chǎng)前后，硅片的表面材料去除率從137 nm/min提高到288 nm/min。當(dāng)頻率為5 Hz，占空比為50%時(shí)，材料去除率獲得最大值，此時(shí)硅片的表面粗糙度Ra值由405 nm減小到0.641 nm。具體的拋光結(jié)果如圖5所示。

(a) 不同頻率Different frequency(b) 不同占空比(5 Hz)Different duty cycle (5 Hz)圖5 脈沖磁場(chǎng)輔助下硅片材料去除率與頻率和占空比的關(guān)系[11]Fig. 5 Relationship between frequency and duty cycle of silicon wafer material removal rate assisted by pulsed magnetic field[11]

2.1.2 化學(xué)添加劑對(duì)CMP拋光性能的影響

拋光液pH值的大小會(huì)對(duì)硅片表面的生成物、材料的去除以及拋光液的黏性等產(chǎn)生影響，而pH值調(diào)節(jié)劑的添加能夠?yàn)镃MP拋光過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的拋光環(huán)境；表面活性劑能夠使磨粒之間產(chǎn)生排斥力，防止磨粒團(tuán)聚，保證磨粒的分散性，減少硅片表面產(chǎn)生劃傷缺陷等；絡(luò)合劑能夠?qū)⑷コ牟牧先芙庠趻伖庖褐?，減小雜質(zhì)顆粒對(duì)拋光過(guò)程的污染。因此，很多研究人員研究了化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)，拋光液中加入不同種類和濃度的化學(xué)添加劑對(duì)硅片表面質(zhì)量的影響。

LIU等[12]采用有機(jī)堿氫氧化物多胺作為pH調(diào)節(jié)劑，使用小尺寸(15～20 nm)的硅溶膠拋光液，并加入FA/O表面活性劑后，有效降低了硅片損傷層的厚度，并獲得了200 nm/min的拋光速率。WANG等[13]使用Al2O3和CeO2磨粒與氧化劑H2O2在堿性拋光液中對(duì)硅片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，分析了氧化劑濃度、pH值和拋光液流速對(duì)表面材料去除率的影響。試驗(yàn)表明：在pH值小于9時(shí)，使用Al2O3磨粒時(shí)，材料去除率隨著拋光液pH值的增大而降低；在pH值為9～10時(shí)，CeO2磨粒可以提高材料去除率。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明：2種磨料下，較高的拋光液流速或者較高的氧化劑濃度都能夠獲得更高的材料去除率。一種較好的拋光環(huán)境為pH為10，氧化劑體積分?jǐn)?shù)為0.4%，流速為70 mL/min。

圖6 不同pH值條件下磨粒對(duì)材料去除率的影響[13]

鐘旻等[14]設(shè)計(jì)的試驗(yàn)是采用磨粒粒徑為80 nm、濃度為10%的硅溶膠拋光液，控制拋光液pH值為10.5～11.0，添加濃度為0.5%～1.0%的速率促進(jìn)劑后，拋光速率能夠達(dá)到697 nm/min，比相同工藝條件下的進(jìn)口拋光液的拋光速率500 nm/min提高了近40%。王亮亮等[15]研究了拋光液中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿含量與硅片拋光時(shí)產(chǎn)生橘皮現(xiàn)象的關(guān)系。他們向硅溶膠拋光液中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的某種堿性溶液，在拋光盤轉(zhuǎn)速為60 r/min，拋光壓力為0.16 MPa的情況下拋光30 min，發(fā)現(xiàn)當(dāng)堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.4%時(shí)將會(huì)發(fā)生橘皮現(xiàn)象。因此，應(yīng)在保證拋光速率的基礎(chǔ)上合理控制堿的添加量。楊金波等[16]研究了化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，有機(jī)和無(wú)機(jī)pH調(diào)節(jié)劑的添加對(duì)硅片表面材料去除率的影響。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：pH調(diào)節(jié)劑會(huì)影響硅片表面鈍化膜的形成和去除，進(jìn)而影響硅片的材料去除率。當(dāng)采用有機(jī)調(diào)節(jié)劑時(shí)，在pH值為10.85時(shí)將獲得最大的拋光速率，采用無(wú)機(jī)KOH調(diào)節(jié)劑將拋光液pH值控制在10.0～11.5范圍內(nèi)時(shí)，拋光速率隨著pH值的增大而增大。具體的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。因此，在拋光液維持在相同的pH值時(shí)，加入有機(jī)堿pH調(diào)節(jié)劑的拋光速率比使用無(wú)機(jī)KOH調(diào)節(jié)劑時(shí)大。

張文倩等[17]針對(duì)直徑為300 mm的硅片，研究了不同稀釋比例的FA/O型拋光液對(duì)硅片表面材料去除量的影響，其結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)使用的是包含SiO2磨料、多羥多胺螯合劑以及其他輔助試劑的FA/O型堿性硅拋光液，拋光液的pH值為12.20，磨粒粒徑為80～100 nm。試驗(yàn)表明：在稀釋體積比為1∶30時(shí)硅片正面的去除量為10.08 μm，但是背面的去除量?jī)H為3.34 μm，略低于生產(chǎn)要求的3.50 μm。他們針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)拋光液進(jìn)行了優(yōu)化，在原有的拋光液中增加少量KOH，使pH值變?yōu)?2.45。優(yōu)化后進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，5.5 min內(nèi)背面去除量增加到3.67 μm，15 min內(nèi)正面去除量增加到12.29 μm，均能夠滿足工藝要求。

表1 不同稀釋體積比的情況下硅片的去除量[17]

HONG等[18]研究了硅片化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)，堿性拋光液中添加FA/O表面活性劑后對(duì)硅片表面微粗糙度的影響。他們采用的拋光液由FA/O表面活性劑、FA/O螯合劑和硅膠組成，其中膠體二氧化硅磨粒的平均粒徑約為60 nm。試驗(yàn)結(jié)果表明：FA/O表面活性劑分子吸附在硅膠顆粒的表面，可以防止硅膠顆粒吸附在晶圓表面，拋光后晶圓表面幾乎沒有顆粒污染，有效降低了硅片表面微粗糙度，提高了硅片的表面質(zhì)量。

2.2 拋光墊

拋光墊是影響化學(xué)機(jī)械拋光的重要因素之一。拋光墊有輸送和儲(chǔ)存拋光液，去除拋光過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑等雜質(zhì)，傳遞和提供材料去除所必需的機(jī)械載荷，為磨粒摩擦作用創(chuàng)造條件等作用[19]。拋光墊的粗糙度、微孔形狀、孔隙率和力學(xué)性能等因素將直接影響CMP過(guò)程，進(jìn)而影響工件的表面質(zhì)量。因此，研究拋光墊在硅片CMP過(guò)程中產(chǎn)生的影響，選擇和設(shè)計(jì)使用合理的拋光墊是獲得較好晶圓表面質(zhì)量的重要途徑之一。

閔新力等[20]對(duì)單晶硅片拋光時(shí)的接觸壓力場(chǎng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，研究了拋光墊彈性模量和拋光墊厚度等參數(shù)對(duì)拋光后硅片平面度和表面質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，拋光墊厚度小，泊松比大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)硅片中心壓強(qiáng)高的現(xiàn)象。因此，適當(dāng)減小拋光墊的厚度、彈性模量和泊松比能夠使硅片在拋光過(guò)程中的接觸壓強(qiáng)分布較均勻。張春翔等[21]研究了拋光墊的使用壽命對(duì)硅片拋光效果的影響。他們使用SUBA系列聚氨酯拋光布和POLITEX系列精拋光布，在拋光壓力為24 kPa，拋光液流量為1.8 L/min的條件下，應(yīng)用日本不二越的SPM-19拋光機(jī)，對(duì)直徑為100 mm的硅片進(jìn)行了試驗(yàn)。分別記錄了使用拋光墊1、5、15、30、50 h和更換拋光墊前6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的硅片拋光速率和硅片的幾個(gè)技術(shù)參數(shù)(TTV、TIR、STIR)。分析數(shù)據(jù)后得出以下結(jié)論：拋光速率隨著拋光墊的使用時(shí)間延長(zhǎng)而下降。當(dāng)拋光墊的使用時(shí)間在5～30 h時(shí)，硅片拋光的各參數(shù)值保持穩(wěn)定。

YIM等[22]研究了拋光墊孔徑對(duì)硅片拋光后的表面質(zhì)量的影響。他們通過(guò)使用1種較大孔徑(100 μm)和3種較小孔徑(小于50 μm)的拋光墊對(duì)直徑為300 mm的硅片進(jìn)行拋光試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，使用孔徑為100 μm的拋光墊拋光的硅片RMS值為0.18 nm，而使用小孔徑的拋光墊拋光后的硅片RMS值為0.12 nm。因此，使用孔徑小的拋光墊，更有助于實(shí)現(xiàn)硅片表面的平坦化。但是，小孔徑拋光墊容易使硅片表面缺陷水平增高。SATAKE等[23]研究了拋光墊厚度以外的拋光因素，用來(lái)防止接觸應(yīng)力集中在工件邊緣附近。他們首先在拋光墊表面引入了具有較大寬高比的凹槽，來(lái)制造具有各向異性高楊氏模量的拋光墊。并通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有凹槽的拋光墊拋光后硅片的邊緣塌邊量(roll-off amount，ROA)較小?；谶@個(gè)結(jié)論，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)寬2.2 mm，深1.0 mm的格子槽式拋光墊，以獲得較高的楊氏模量。拋光墊表面凹槽如圖8所示。除此之外，他們認(rèn)為大泊松比的拋光墊也利于減小硅片邊緣的塌邊量，并將具有足夠硬度和彈性的乙烯-醋酸乙烯酯泡沫與橡膠混合獲得大泊松比的拋光墊。通過(guò)與商用拋光墊的拋光效果對(duì)比，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的拋光墊能有效減小硅片塌邊量。

圖8 拋光墊表面凹槽示意圖[23]

WANG等[24]在考慮化學(xué)機(jī)械協(xié)同作用的前提下，研究了拋光墊與硅片之間接觸點(diǎn)的大小和分布，在拋光墊粗糙度尺度下建立了材料去除率(MRR)模型。并使用A型和B型2種類型的拋光墊，分別模擬接觸點(diǎn)分散分布和接觸點(diǎn)集中分布2種實(shí)際接觸條件。A型和B型拋光墊表面形貌如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用A型拋光墊進(jìn)行拋光的硅片表面材料去除率高于B型拋光墊的。即拋光墊與硅片接觸點(diǎn)分散分布時(shí)，可以獲得更高的材料去除率。

最近，SATAKE等[25]又研究了拋光墊的黏彈性行為及其對(duì)硅片邊緣附近材料去除分布均勻性的影響。采用硅溶膠拋光液，直徑為35 nm的磨粒，13.8 kPa的拋光壓力對(duì)直徑為125 mm的硅片進(jìn)行了雙面拋光試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了2種試驗(yàn)環(huán)境：一種是硅片載體中心與拋光盤中心角度不變的情況；一種是硅片載體中心與拋光盤中心角度分別為0°、-20°、-40°、-60°、-80°的情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：在2種條件下拋光后的硅片平均的材料邊緣滾落值(edge roll-off，ERO)分別為450 nm和370 nm，因此，提出的拋光條件能夠有效減小硅片的ERO值。

2.3 拋光壓力

在硅片的CMP過(guò)程中，拋光壓力的大小、在拋光面上的分布均勻性和接觸壓強(qiáng)的分布狀態(tài)會(huì)對(duì)硅片質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，是一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)。一般情況下，隨拋光壓力的增大，CMP的機(jī)械作用增強(qiáng)，有利于提高拋光速率；但當(dāng)拋光壓力過(guò)高時(shí)，會(huì)造成拋光速率不均勻、拋光墊磨損嚴(yán)重，并增大了劃痕出現(xiàn)的概率，降低硅片的拋光質(zhì)量。因此，施加穩(wěn)定可靠的拋光壓力對(duì)拋光速率和硅片表面質(zhì)量具有非常重要的意義。

LUO等[26]基于接觸力學(xué)理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，建立了硅片-磨粒-拋光墊之間的接觸模型。他們認(rèn)為硅片與磨粒、拋光墊與磨粒之間產(chǎn)生的接觸變形均為塑性變形。具體的接觸模型示意圖如圖10所示。這個(gè)接觸模型考慮到了有效磨粒數(shù)、拋光墊特性和拋光工藝參數(shù)等因素，但是未能將材料去除率進(jìn)行定量化。

圖10 硅片-磨粒-拋光墊之間的接觸模型示意圖[26]

LIN等[27]研究了拋光頭對(duì)硅片表面接觸應(yīng)力分布的非均勻性影響。在0～0.035 MPa的壓力范圍進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)硅片中心區(qū)域和最大應(yīng)力將隨拋光頭背壓的增大而增大，但應(yīng)力分布的非均勻性將會(huì)減小。因此，在拋光過(guò)程中，可以通過(guò)適當(dāng)提高拋光頭的背壓，獲得更平整的加工表面。

呂玉山等[28]利用有限元分析方法，建立了硅片有背墊拋光時(shí)的接觸力學(xué)模型和邊界條件，對(duì)接觸壓強(qiáng)的分布進(jìn)行了分析計(jì)算，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了硅片與拋光墊接觸表面壓強(qiáng)的分布形態(tài)和背墊的物理參數(shù)對(duì)壓強(qiáng)分布產(chǎn)生的影響。杜家熙等[29]研究了硅片表面的接觸壓力隨外加載荷的變化。他們將硅片與拋光墊之間的接觸模型簡(jiǎn)化為剛性平頭壓入彈性半空間的模型。作用在拋光墊上的壓力分布通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

(4)

其中：cf為摩擦系數(shù)，P0為硅片上的平均工作壓力，r為半徑。

在P0=20.685、41.370、62.055 kPa，r=50 mm，υ=0.28，Δx=0.05 mm(步長(zhǎng))的條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出：硅片表面接觸壓力隨外加載荷的增加而增大，但接觸壓力分布曲線基本以平行態(tài)變化。

ZHOU等[30]在研究CMP過(guò)程中的接觸壓力分布時(shí)，在混合彈流潤(rùn)滑模型的基礎(chǔ)上，引入了層狀彈性理論，該理論可以更加準(zhǔn)確高效地預(yù)測(cè)接觸壓力的分布和硅片表面的材料去除率，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該理論的合理性。除此之外，楊玉梅等[31]通過(guò)試驗(yàn)，研究了不同的拋光壓力對(duì)硅片微粗糙度的影響。試驗(yàn)中拋光壓力分別設(shè)置為15.0、17.5、20.0、22.5、25.0、27.5、30.0、32.5、35.0 kPa。每種壓力下均拋光5片硅片，拋光清洗后對(duì)硅片的微粗糙度值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖12所示。

圖11 壓力對(duì)硅片表面接觸壓力分布的影響[29]

圖12 硅片在不同拋光壓力下微粗糙度值[31]

圖12表明：當(dāng)拋光壓力為15.0～25.0 kPa時(shí)，硅片表面微粗糙度值隨壓力增大而減小，視為表面質(zhì)量改善階段；當(dāng)拋光壓力為25.0～35.0 kPa時(shí)，微粗糙度值趨于穩(wěn)定，不會(huì)隨著壓力的增大而改變?；谄杖R斯頓方程進(jìn)行分析，這種試驗(yàn)結(jié)果與化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中占主導(dǎo)地位的是化學(xué)作用還是機(jī)械作用有關(guān)。

2.4 拋光設(shè)備

在半導(dǎo)體行業(yè)中，CMP技術(shù)最早被應(yīng)用于硅片襯底的拋光和硅片的回收利用。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)的IBM公司成功將CMP技術(shù)應(yīng)用到內(nèi)存芯片的生產(chǎn)制造過(guò)程中。隨后，CMP技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用于各種邏輯電路和存儲(chǔ)器芯片的制造過(guò)程中。同時(shí)，美國(guó)和日本的CMP設(shè)備廠家陸續(xù)推出了不同種類的CMP設(shè)備來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的技術(shù)需求。隨著晶圓尺寸的不斷增大和特征尺寸的減小，對(duì)CMP平坦化效果的要求越來(lái)越高，這就給拋光設(shè)備提出了更高的要求，國(guó)內(nèi)外的技術(shù)人員也越來(lái)越注重CMP拋光設(shè)備的研究與改進(jìn)。

目前CMP設(shè)備主要有3種類型：(1)旋轉(zhuǎn)式CMP設(shè)備，以美國(guó)應(yīng)用材料和日本荏原制造所為代表；(2)軌道式CMP設(shè)備，以Novellus為代表；(3)以美國(guó)的Lam Reasearch公司為代表的皮帶平移式CMP設(shè)備[32]。隨著CMP技術(shù)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備也提出了很多新要求，如設(shè)備的集成化、高精度的溫度控制系統(tǒng)與自動(dòng)傳輸系統(tǒng)、干進(jìn)干出系統(tǒng)等[33]。國(guó)內(nèi)進(jìn)行CMP設(shè)備研發(fā)的單位主要有天津華海清科機(jī)電科技有限公司和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所。但是據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)大陸地區(qū)的高端CMP設(shè)備仍依賴于進(jìn)口[34]。下面主要介紹幾種比較典型的CMP設(shè)備現(xiàn)狀。

2.4.1 德國(guó)的Peter Wolters公司

德國(guó)的Peter Wolters為歐洲知名的半導(dǎo)體設(shè)備制造商，一直專注于CMP設(shè)備的研發(fā)，其設(shè)備在金屬工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)和陶瓷工業(yè)等被廣泛使用。Peter Wolters公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CMP設(shè)備的型號(hào)主要有：PM200-Apollo、HFP200、HFP300、AC microLine 1500-P3，AC microLine 2000-P3，AC microLine 2000-P4等。其中，HFP為Peter Wolters設(shè)計(jì)開發(fā)的用于300 mm硅片加工的最新設(shè)備。該設(shè)備具有4個(gè)拋光頭，2個(gè)拋光臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)硅片的自動(dòng)傳輸功能，其拋光頭轉(zhuǎn)速為0～120 r/min，拋光工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為0～125 r/min。此外，Peter Wolters的AC microLine系列高效雙面拋光機(jī)，在主要部件的模塊化系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了最新的精密控制、驅(qū)動(dòng)和測(cè)量技術(shù)，提高了工藝的可靠性，操作更加簡(jiǎn)便。所有的機(jī)器均可以配備自動(dòng)化裝備，可進(jìn)行半自動(dòng)和自動(dòng)化版本的選擇，不僅能夠提高生產(chǎn)率，還保證了最佳的單位成本，更加經(jīng)濟(jì)。該型號(hào)的CMP拋光雙面拋光設(shè)備，可以用于加工直徑為200～450 mm的硅片。該系列的設(shè)備具有獨(dú)特的上壓板自適應(yīng)控制(upper platen adaptive control，UPAC)系統(tǒng)，能夠保證在拋光過(guò)程中上下工作輪之間的平行和間隙的穩(wěn)定，補(bǔ)償了由于熱膨脹等因素引起的工作輪偏轉(zhuǎn)等問(wèn)題。

2.4.2 日本荏原(Ebara)制造所

日本荏原(Ebara)制造所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)式CMP拋光設(shè)備近幾年的銷售量遙遙領(lǐng)先。其主要的設(shè)備型號(hào)有F-REX200型和F-REX300型。其中F-REX300是針對(duì)300 mm的IC制造設(shè)備，具有2個(gè)拋光頭和2個(gè)拋光臺(tái)，拋光頭轉(zhuǎn)速范圍為10～120 r/min，拋光臺(tái)轉(zhuǎn)速為10～150 r/min。F-REX300設(shè)備的特點(diǎn)是增加了清潔裝置的數(shù)量，使其在更換消耗品和在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行其他維護(hù)方面更先進(jìn)。截至2019年9月，日本荏原(Ebara)制造所已經(jīng)出售了800多臺(tái)200 mm圓片的CMP設(shè)備，100多臺(tái)300 mm圓片的CMP設(shè)備。

2.4.3 天津華海清科機(jī)電科技有限公司

2017年2月24日，天津華海清科機(jī)電科技有限公司研制的300 mm Universal-300 Plus型CMP設(shè)備正式進(jìn)入中芯國(guó)際并投入工藝生產(chǎn)。這是首臺(tái)國(guó)產(chǎn)CMP工藝設(shè)備進(jìn)入集成電路大生產(chǎn)線。該設(shè)備用于大生產(chǎn)線wafer reclain(硅片再制造)生產(chǎn)，加工后的硅片表面粗糙度小于1 nm。截至2019年4月，該機(jī)已累計(jì)加工6萬(wàn)余片硅片。此后，天津華海清科機(jī)電科技有限公司相繼推出了Universal-200 Plus和Universal-200型的化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)，用于200 mm晶圓的精密加工。其中，Universal-200型CMP設(shè)備的材料去除均勻性優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備30%以上，同時(shí)還能兼顧150 mm晶圓的化學(xué)機(jī)械拋光，被廣泛應(yīng)用于集成電路制造、MEMS制造、硅片拋光等多個(gè)領(lǐng)域。

2.4.4 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所

2017年11月21日，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所成功研制200 mm化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)并完成了離線測(cè)試。這是國(guó)內(nèi)首臺(tái)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的200 mm化學(xué)機(jī)械拋光商用機(jī)。該拋光機(jī)設(shè)備具有光學(xué)在線終點(diǎn)檢測(cè)模塊，可以使晶圓的片間非均勻性≤ 3%，并且攻克了高精度低壓力控制技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)了適用于CMP生產(chǎn)線的壓力控制模組，其控制精度可以達(dá)到±0.137 9 kPa，調(diào)節(jié)時(shí)間小于1 s。

3 結(jié)論

本文介紹了硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的研究現(xiàn)狀，主要包括影響硅片表面質(zhì)量和表面材料去除率的因素，如拋光液、拋光墊、拋光壓力等，并對(duì)目前用于硅片化學(xué)機(jī)械拋光的先進(jìn)設(shè)備也進(jìn)行了總結(jié)。雖然近年來(lái)CMP技術(shù)發(fā)展很快，但是仍面臨著很多尚未解決的問(wèn)題。例如，CMP過(guò)程中的工藝參數(shù)變化對(duì)表面材料去除率、材料去除非均勻性和表面質(zhì)量的影響等實(shí)際問(wèn)題仍然沒有完全解釋清楚，CMP的去除機(jī)理仍有待進(jìn)一步的研究和分析。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外各設(shè)備廠商仍然需要研制更為先進(jìn)的CMP設(shè)備，以滿足先進(jìn)集成電路技術(shù)的發(fā)展。