（材料加工工程专业论文）化学机械抛光保持环工艺参数及磨损模型的研究.pdf

摘要 在化学机械抛光中，晶圆边缘出现“过磨( o v e r - g r i n d i n g ) ”现象，降低了晶 圆表面的抛光质量和晶圆利用率，晶圆直径越大，晶圆边缘的“过磨”现象越严 重。c m p 保持环可以有效地解决或缓解这一问题。另外，保持环的磨损性对其 寿命有很大影响。目前关于保持环工艺参数和磨损率的确定都是依靠反复的试 验或经验确定，周期长，成本高，浪费大。本文主要开展保持环工艺参数的分 析和磨损模型的研究，主要工作和结果有： 采用a n s y s l 0 0 有限元分析软件建立了c m p 系统二维轴对称静态模型， 基于抛光质量和等效应力成对应关系，以等效应力的分布情况代表晶圆表面的 抛光水平。 分析得出了保持环工艺参数对晶圆抛光质量的影响规律：p 2 p j ( 保持环压 力晶圆压力) 与w ( 保持环与晶圆之间的间隙) 对晶圆抛光质量影响大，保持 环宽度a 对晶圆抛光质量的影响小。实际中，越小越好。确定后，尸p ， 存在一个最佳值。 得出了保持环工艺参数的设计方法和原则：c m p 系统复杂贵重，有限元方 法可以方便地完成设计，从而避免目前采用反复试验造成的严重浪费。设计时， 先把p 2 p i 取为2 左右，然后调整职直到晶圆表面等效应力最均匀时，就是 两者的最佳参数。 基于抛光垫凸峰均匀分布和抛光液中磨粒尺寸正态分布的假设，将保持环 和抛光垫的硬度与有效磨粒的数量联系起来，通过对单颗磨粒单位时间内磨损 量和有效磨粒数量的分析，建立了保持环的磨损模型，其计算结果和磨损试验 结果相吻合。 注射成型了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料( c f r a e e k ) 保持环样品，采用 膜状浇口是保证保持环表面均匀一致耐磨损性的关键技术。 研究结果可直接应用于保持环生产、设计和工艺制定，比目前的试验方法 节约时间和成本。 关键词保持环，化学机械抛光，有限元方法，等效应力，磨损率 塑j ! 三些盔兰三兰堡主兰垡堡苎 a b s 仃a c t d u r i n gc m pp r o c e s s e s ，o v e r - - g r i n d i n ga p p e a r si nt h ee d g eo fw a f e r , w h i c h r e s u l t si nt h ed e c r e a s eo fp l a n a r i z a t i o nq u a l i t ya n dt h eu t i l i z a t i o no fw a f e r w i t ht h e i n c r e a s eo ft h ed i a m e t e ro ft h ew a f e r , o v e r - g r i n d i n gb e c o m e sm o r es e v e r i t y 乃e a p p l i c a t i o no fr e t a i n i n gr i n gc a l la l l e v i a t et h eo v e r - g r i n d i n g i na d d i t i o n , t h ew e a r p r o p e r t yo fr e t a i n i n gr i n gh a sg r e a ti n f l u e n c eo ni t sn a t u r a ll i f e a tp r e s e n t ，t h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ew e a l r a t eo ft h er e t a i n i n gr i n ga l ec o n f i r m e dt h r o u g h t r i a lo re x p e r i e n c e ，w h i c hu s u a l l yh a sl o n g e rp e r i o d s 、h i g h e rc o s ta n dl a r g e rw a s t e t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e st h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ew e a l r a t eo fr e t a i n i n g r i n g t h em a i nw o r ka n dt h en e wo u t l o o k sa g ea sf o l l o w s ： t w o d i m e n s i o n a la x i s y m m e t r i cs t a t i cm o d e lf o rc m ps y s t e mi se s t a b l i s h e d u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f t w a r ea n s y s l 0 0 t h ev o nm i s e ss t r e s so nt h e w a f e rc a n p r e s e n tt h ep o l i s h i n gq u a l i t yb e c a u s et h e ya r eo f d i r e c tp r o p o r t i o n t h ei n f l u e n c i n gd i s c i p l i n a r i a n so ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f r e t a i n i n gr i n go n t h ep o l i s h i n gq l l a l i t ya r ea n a l y s e d t h ep 2 ( p r e s s u r eo ht h er e t a i n i n gr i n g ) | p i ( t h e p r e s s u r eo nt h ew a f e r ) a n dw ( t h eg a pb e t w e e nt h ew a f e ra n dr e t a i n i n gr i n g ) h a v e e f f e c t i v e l yi n f l u e n c e t h ei n f l u e n c eo f a ( t h ew i d t ho f r e t a i n i n gr i n 曲c a nb ei g n o r e d i np r a c t i c e ，a f t e rw i sd e t e r m i n e d , p 分p le x i s ta l lo p t i m u mv a l u e f e mi sv e r yu s e f u lf o r t h ed e s i g na n dt e c h n i q u ed e t e r m i n a t i o no f r e t a i n i n gr i n g ， w h i c hc a no v e r c o m et h ew a s t er e s u l t i n gf r o mt h ep r e s e n tt r i a lm e t h o d 1 1 璩o p t i m u m v a l u eo fp o p ii sa b o u t2 t h e n , p o p la n dwc a nb eo p t i m i z e dt o g e t h e rw i t ht h e j u d g eo f t h em o s th o m o g e n e o u sp r e s s u r eo nt h ew a f e r 1 1 l cp a da s p e r i t i e sa r ea s s u m e dt of o l l o wt h ep e r i o d i ca n du n i f o r md i s t r i b u t i o n 1 1 l ea b r a s i v ep a r t i c l e ss i z e sa r ea s s u m e dt os a t i s f yn o r m a ld i s t r i b u t i o n t h e nt h e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h eh a r d n e s so ft h ep a da n dt h er e t a i n i n gr i n g ，t h en u m b e ro f 一一 a b s t r a c t a c t i v ea b r a s i v ep a r t i c l e si se s t a b l i s h e d t h ew e a l m o d e lo fr e t a i n i n gr i n ga r e e s t a b l i s h e dt h o u g ha n a l y z i n gt h em a t e r i a lr e m o v a lv o l u m ef o ro n ep a r t i c l ep e ru n i t t i m ea n dt h en u m b e ro fa c t i v ea b r a s i v ep a r t i c l e s t h ew e a l - r a t et e s tf i t sw e l lw i t ht h e w e a rm o d e l r e t a i n i n gr i n gs a m p l e s a r e i n j e e t i n g m o u l dw i mc a r b o nr e i n f o r c e d p o l y e t e r e t h e r k e t o n e ( c f p e e k ) m a t e r i a l i ti s f o u n dt h a tf i l mg a t ei sa b s o l u t e l y n e c e s s a r i l yf o rt h ec o n s i s t e n tw e a ro f r e t a i n i n gr i n g t h es t u d yi s v e r yh e l p f u l f o r t h e f a b r i c a t i o n , d e s i g n a n dt e c h n i q u e d e t e r m i n a t i o nf o rr e t a i n i n gr i n ga n dc a l ls a v em u c hc o m p a r i n gw i t hp r e s e n tm e t h o d s k e y w o r d r e t a i n i n gr i n g ，c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， v o nm i s e ss t r e s s ，w e a rr a t e 1 ， 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期问论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：堕j l _ i 矽。件弓月；o 日 指导教师签名：幽 一! ! ；笠! 一 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交 的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽 我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：鱼茎型 圳t 年j 月；口日 西北工业大学工学硕士学位论文 论文的主要创新点与贡献 1 采用a n s y s i o 0 有限元分析软件建立了c m p 系统二维轴对称静态模型， 分析了保持环的工艺参数( 保持环压力晶圆压力p d p ，、宽度4 和保持环与 晶圆之间的间隙聊对抛光质量的影响规律，得出了最佳压力蹦p ，约为2 ， 尸舻，与形配合调整，直到晶圆表面等效应力最均匀时，就是两者的最佳参 数，宽度a 对晶圆表面抛光质量的影响很小，上述结果对保持环设计有很 好的指导作用。 2 ，基予搬光垫凸蜂均匀分布和抛光液中磨柱尺寸正态分布的假设，将保持环 和抛光垫的硬度与有效磨粒的数量联系起来，通过对单颗磨粒单位时间内 磨损量和有效磨粒数量的分析，建立了保持环的磨损模型，磨损试验结果 与磨损模型的计算结果吻合，该模型的建立有助于理解保持环在c m p 环境 下的磨损机制，对保持环磨损率的预测很有意义。 3 注射成型了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料( c f p e e k ) 保持环样品。并对 其进行了模拟c m p 环境下的磨损试验。采用膜状浇口是保证保持环表面均 匀一致的耐磨损性的关键注塑技术。 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本文的选题背景及意义 信息产业是2 l 世纪世界经济的主导和支柱产业，集成电路( i n t e g r a t e d c i r c u i t ，i c ) 是信息产业的基础。从发达国家的经验看，国民经济总产值增值 部分的6 5 与集成电路有关，集成电路技术水平已成为衡量一个国家综合国力 的重要标志之一。随着全球信息化、网络化和知识经济化的到来，i c 产业的战 略地位越来越重要，它已成为与国民经济、国防建设、人民生活和信息安全息 息相关的基础性、战略性产业。目前，以i c 为基础的电子信息产品的世界贸易 额已经达到l 万亿美元，成为世界第一大产业。 在集成电路制造中，离不开晶体完整、高纯度、高精度和高表面质量的晶 圆，全球9 0 以上的i c 都采用单晶硅圆片，半导体硅材料是半个世纪以来信息 产业发展的基础。晶圆直径越大，同一圆片上可生产的i c 就越多，可以有效地 降低i c 制造成本，但对生产技术提出了更高的要求。随着i c 制造技术的飞速 发展，为了增大i c 芯片产量，降低单元制造成本，晶圆趋向大直径化。同时， 为了进一步提高i c 的集成度，要求晶圆的特征线宽( 刻线宽度) 越来越细。目 前，国外的硅片直径已从2 0 0 m m 向3 0 0 m m 发展，按照美国微电子技术发展蓝 卧”，到2 0 0 9 年将开始使用直径4 5 0 m m 的硅片。特征线宽将减小到o 0 7 _ t m 。 下一代i c 制造中将主要采用直径大于3 0 0 m m 的大尺寸硅片，其加工表面要达 到亚微米级平整度、纳米级表面粗糙度和高表面完整性要求【2 1 。 目前，针对硅片上述的表面要求，普遍采用化学机械抛光( c h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 技术，该技术利用混有极小磨粒的化学溶液与加 工表面发生化学反应来改变其表面的化学键，生成容易以机械方式去除的产物， 再经磨粒的机械研磨去除化学反应物，获得超光滑无损伤的平坦化表面。随着 晶圆直径的增大以及特征线宽的减小，化学机械抛光技术面临着新的挑战：一 方面，要求经过化学机械抛光工艺加工出的晶圆，达到亚纳米级表面粗糙度； 另一方面为了提高晶圆利用率，增加芯片产量，还要求在除距晶圆边缘l m m 区 西北工业大学工学硕士学位论文 域以外的整个晶圆表面达到亚微米级精度【3 】。 在化学机械抛光中，由于晶圆表面受力的不均匀性，使抛光后的晶圆表面 很难达到理想的精度，尤其是晶圆边缘由于应力集中，出现边缘“过磨 ( o v g t - g r i n d i n g ) ”现象，降低了晶圆抛光质量和晶圆利用率，晶圆直径越大， 晶圆边缘的“过磨”现象越严重。目前，为了解决晶圆边缘的“过磨”现象，在晶 圆外围加上一个保持环，能够在晶圆平坦化时盛装晶圆，确定晶圆的位置，产 生低研磨速度，同时能够压下晶圆外弹起的抛光垫，缓解晶圆边缘的应力集中。 生成具有紧密平整度公差的均匀抛光表面。但是目前关于保持环的研究很少， 保持环优异的功能还不能被更好的表现出来。同时，保持环的磨损性对其使用 寿命有很大影响，保持环的抗磨损性好，一个保持环可以加工更多的晶圆，降 低了单个晶圆的成本。 本文结合西安应用材料创新基金项目( a m 0 5 0 0 8 ) ，以提高晶圆的抛光精度 作为研究目的，以保持环作为研究对象，以保持环工艺参数( 保持环上的压力、 保持环与晶圆之间的间隙、保持环的宽度) 和保持环的磨损机制为主要的研究 内容。本文研究得出了保持环工艺参数对晶圆表面精度的影响规律以及保持环 工艺参数有限元设计的原则和方法，建立了保持环的磨损模型，并发现采用膜 状浇口是保证保持环表面均匀一致耐磨损性的关键注塑技术。 本文得出的c m p 保持环的设计原则、方法以及保持环磨损模型，对i c 产 业的实际生产具有指导作用，能有效提高晶圆的抛光精度和晶圆利用率，有助 于了解保持环在c m p 环境中的磨损机制，并为设计和制备更为理想的保持环打 下了基础。 1 2 集成电路行业的发展趋势 从1 9 5 9 年i c 纪元开始，半导体器件的地位上升，芯片的密度呈指数增长， 硅片直径不断增大，预计这一趋势还会持续。9 0 年代中期以来，0 1 2 5 m m 以下 的晶圆数量不增长，0 1 5 0 m m 晶圆数量增长缓慢，0 2 0 0 m m 晶圆的总消耗量逐 年上升。现在 2 0 0 m m 晶圆是主流产品，正在向 3 0 0 m m 晶圆发展。现今，在 美国、欧洲、日本和亚太地区，已经建成十凡条 3 0 0 m m 晶圆生产线，采用 0 3 0 0 m m 晶圆可以使每片晶圆生产的芯片数量比目前采用的 2 0 0 m m 晶圆多 2 5 倍，生产成本降低3 0 0 o t 4 1 。 晶圆直径的发展趋势图如图1 - 1 所示，按照美国半导体工业协会( s i a ) 提 2 - 第1 章绪论 出的微电子技术发展构图，到2 0 0 8 年，将开始使用( i ) 4 5 0 m m 的晶圆，实现特 征线宽0 0 7 1 m 3 ，晶圆表面总厚度变化( t 1 v ) 要求小于0 2 t t m ，晶圆表面局部 平整度( s f q d ) 要求为设计线宽的2 3 ，晶圜表面粗糙度要求达到纳米和亚纳米 级，芯片集成度达到9 0 0 0 万个晶体管c m 2 。集成电路集成水平的发展趋势见表 1 1 所示，目前，一个芯片上可以集成几亿个元件，集成电路已进入u l s i 阶段， u l s i 电路集成度的迅速增长主要取决于以下两个因素：一是完美晶体生长技术 已达到极高的水平；= 是制造设备不断完善，加工精度、自动化程度和可靠性 的提高已使器件尺寸进入深亚微米级领域。 图1 1 晶圆直径的发展趋势( 单位：m m ) 1 4 f i g 1 1 t h ed e v e l o p m e n t t r e n d i n t h e d i a m e t e r o f w a f e r ( u n i t ：m m 、i 1 由于芯片设计和制造要求的不断提高，晶圆的制备工艺必须能够提供符合 更严格规范要求的晶圆，这些要求包括晶圆的几何尺寸( 直径、平整度和翘曲 度) ，表面完美性( 粗糙度和光的散射性) 和洁净度。晶圆直径增大给半导体加 工带来了突出的技术问题。晶圆直径增加后，加工中易出现翘曲变形，加工精 度很难保证。另外，为了提高集成电路的集成度。晶圆的刻线宽度越来越细， 晶圆表面精度也越来越高。对于1 5 0 m m 直径以上的晶圆，容易在晶圆边缘形成 “过磨”现象，降低了晶圆的抛光质量和晶圆利用率。目前，为解决晶圆直径增 3 西北工业大学工学硕士学位论文 1 1 11 s ! ! ! ! = 自! ! g e ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! | ! ! ! s e ! ! 1 5 1 1 1 1 s ! ! ! ! ! ! ! 鼍鼍! = ! ! ! 詈 大后出现的一系列问题，在晶圆外围添加个保持环来解决上述问题，本文就 针对保持环作相关研究。 表1 - 1 集成电路集成水平的发展趋势 4 1 集成规模 缩写 芯片集成度( 个器件，每片) 最小线条宽度( 岬) 小规模集成电路s s i2 5 0璺 中规模集成电路 m s i5 0 5 0 0 0 野 大规模集成电路l s i5 0 0 0 1 0 0 0 0 03 6 超大规模集成电路 v l s i1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 00 1 2 5 甚大规模集成电路u l s l 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3c m p 保持环研究现状 加入保持环的c m p 系统如图l _ 2 所示，保持环放置晶圆的外围并与晶圆之 间具有一定的间隙，保持环上施加一定的压力，在晶圆平坦化时盛装晶圆并确 定晶圆的位置，产生低研磨速度，使晶圆生成具有紧密平整度公差的均匀表面 抛光。对保持环的材料性能和加工精度要求很高，只有在c m p 保持环材料选择 与设计正确时。这些特性才能实现。 图1 - 2 加入保持环的化学机械抛光系统 f i g 1 - 2t h ec m ps y s t e mw i t hr e t a i n i n gr i n g 4 一 第1 章绪论 1 3 1c m p 保持环材料的研究 对构成c h i p 工艺关键部件的c m p 保持环的材料性能有更高要求，这些关 键要求包括：耐磨损性能、化学稳定性、静电耗散( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ， e s d ) 性能、载荷条件下的尺寸稳定性、低微粒产生率、高纯度、良好的加工 性能、耐磨耗性能、防污染、易于清洁与维护等。 r i m am o u s s a 和c a r m i nq u a r t a p e u a t 5 l 的研究中，采用5 种保持环材料，分 别为：p p s ( 聚苯硫醚) 、p c ( 聚碳酸酯) 、a r l o n l 3 3 0 ( p t f e p e e k ) 、a r l o n e x 2 6 1 8 和a r l o n l 2 8 7 ( c f p e e k ) ，试验设备为c m p 立式试验机。实验结果表明，p c 和 p p s 的摩擦系数大，材料稳定性不好，磨损量大。a d o n l 3 3 0 和a r l o n e x 2 6 1 8 的摩擦系数、材料稳定性和磨损量总体上比p p s 和p c 好。a r l o n l 2 8 7 在5 种材 料中摩擦系数最低且重量损失最小，磨损量比其它所有材料低出l o 倍以上，还 具有良好的振动抗性。另外，p e e k 还能够满足一系列关键的要求，包括强度、 耐热性和与抛光液成份的兼容性等。因此，c f p e e k 是目前公认的最理想的保 持环材料。 n o r mv g i t i s 和j u nx i a o 6 1 等人在c m p 试验机( 如图1 3 所示) 上试验， 此设备具有许多传感器( 力、声发射、磨损和电传感器) ，能现场监测并优化 c m p 过程，主要研究了在c m p 环境下保持环材料对抛光效果的影响。试验中， 所有需要测定的量都能在试验过程实时测量。试验采用p p s 、p c 、p e e k 三种 聚合物及其复合材料试样试验。试验结果表明p c 和p p s 及复合材料试样均表 现出高磨损性、高磨擦性和高振动性，p e e k 及其复合材料试样各种性能均比 p p s 和p c 类试样优良。 一个c m p 系统一般需要4 个保持环，一整套替换的费用高达$ 5 0 0 0 ，另外， 替换保持环的人工费用以及系统重新校对的费用将是保持环自身成本的很多 倍。p p s 和p c 保持环通常可以加工3 0 0 0 5 0 0 0 片晶圆，但是p e e k 保持环的寿 命比p p s 和p c 的提高3 4 倍，大大降低了每片晶圆的加工成本。c m p 保持 环的使用寿命由表面均一而低的磨损率所决定。 p e e k 材料能满足c m p 保持环的材料要求1 7 ，具有以下重要性能： ( 1 ) 抗磨损性能优异：p e e k 与p p s 在抛光液中的磨损性能比较如图1 - 4 所示的三种材料中，p e e k 材料的抗磨损性能比p p s 的高处很多，特别是碳纤 维增强的p e e k 材料抗磨损性能最好； ( 2 ) p e e k 对于p h 值在2 1 4 之间的化学溶液均不反应，耐化学腐蚀性好； 一5 西北工业大学工学硕七学位论文 ( 3 ) 纯净度很高且性能非常稳定，低的颗粒释放性，低的振动特性； ( 4 ) 碳纤维增强的p e e k 复合材料具有良好的静电耗散性； ( 5 ) 在宽泛的温度范围内具有优异的尺寸稳定性，如果尺寸变化会增加发 尘量，影响晶圆的表面精度： ( 6 ) 在玻璃融化温度以上仍然能够保持良好的机械性能； ( 7 ) 灵活的加工性能：适用于注射成型，挤压成型和压塑成型，加工工艺 简单，公差控制和表面加工效果良好； ( 8 ) 相对于p p s 和p c 来说，p e e k 成本性能得到最佳平衡，每片晶圆的 加工成本较低； 图1 - 3 c m p 试验机1 6 1 声发射传感器，2 夹持器旋转装置，3 抛光液供给装置， 4 带抛光垫的工作台，5 力传感器 f i g 1 3c m p t e s t e r l 6 】 1 a es e n s o r , 2 u p p e rr o t a t i o n a la s s e m b l y , 3 s l u r r yf e e d i n g , 4 p l a t e nw i t hp a d ，5 f o r c es e n s o l - 6 第1 章绪论 图l - 4p e e k 与p p s 在抛光液中磨损率的比较嘲 f i g 1 - 4 w e a rr a t e o f p e e k v s p p s i ns i u w 【s l 由于这些优异的性能，世界上一些知名公司已经将p e e k 材料用于保持环 的开发。v i c t r e xp e e k 品牌聚合物制造与供应商威克斯公司( v i c t r e x ) 推出 p e e k 及其复合材料在半导体领域的先进专有技术。目前，v i c t r e xp e e k 已 经开始应用于保持环如图1 5 所示，对要求严格的c m p 保持环来说，该公司生 产的v i c t r e xp e e k 具有高纯度、高强度、耐化学品性能、耐高温性能及电气 性能等独特优势。由于具备这些优势，所以v i c t r e xp e e k 保持环可以在制造 过程中传递更多晶圆，从而缩短停工时间，降低每个晶匮的成本。 图1 - 5v i e a v xp e e k 保持环1 7 l f i g 1 5r e t a i n i n gr i n go f v i c t r e xp e e k 川 两北工业大学工学硕士学位论文 美国g r e e n e t w e e d 公司专门从事复合材料的改性研究，文献 5 】实验中所 采用的三种材料a r l o n l 3 3 0 ( p i t e p e e k ) 、a r l o n e x 2 6 1 8 和a r l o n l 2 8 7 ( c f p e e k ) 均为该公司的改性产品，基体p e e k 材料都来源于英国威格斯公司。g r e e n e t w e e d 公司改性后的各种高性能热塑性塑料广泛应用于c m p 保持环，如图1 6 所示。 图1 - 6g r e e n e t w e e d 公司材料在保持环上的应用1 9 l f 培1 - 6 r e t a i n i n gr i n g o f g r e e n e t w e e d c o m p a n y l 9 1 1 3 2c m p 保持环功能的研究 最初设计保持环的目的是为了控制晶圆在抛光过程中水平方向的滑动，使 晶圆产生低的研磨速度，有利于晶圆表面的均匀抛光，并能提高抛光效率，如 图1 7a ) 所示的保持环与抛光垫的非接触模型中，保持环与抛光垫之间有一定 的间隙，固定保持环的上端，使保持环下端处于自由状态，不与抛光垫接触， 就能将晶圆控制在一定的范围内。 随着保持环在c m p 过程中的广泛应用，它的优异性不断地体现出来，特 别随着晶圆直径的不断增大，晶圆边缘的“过磨”现象更加严重，保持环除能 控制晶圆运动范围的作用外，还能改善晶圆的“过磨”现象，如图l - 7 b ) 所示 保持环与抛光垫的接触模型中，保持环上簏加一定的压力后，能够压下晶圆外 弹起的抛光垫，改善晶圆边缘处的应力集中现象，提高了晶圆整个抛光表面的 平整度。这种接触模型需要考虑保持环的磨擦行为，磨损特性和化学抗性，需 要通过研究开发出优异的保持环材料和最佳的保持环工艺参数。 晶圆与抛光垫接触面的应力形貌与晶圆抛光后残余氧化物的厚度形貌吻合 8 第1 章绪论 的很好 1 0 1 ，说明晶圆表面的材料去除率与晶圆表面的接触应力有关，所以，晶 圆边缘“过磨”现象是由晶圆边缘接触应力的增加造成。晶圆边缘的应力峰值 来源于晶圆与抛光垫边缘接触的几何不连续性，解决边缘效应最有效的方法是 消除晶圆边缘的应力峰现象，保持环的加入能够有效解决这些问题。 a ) 图1 7 保持环的两种设计方案 6 1 a ) 不接触抛光垫，b ) 接触抛光垫 f i g i 7 t w o t y p e s o f r e t a i n i n gr i n gd e s i g n 6 1 a ) n o n - c o n t a c tw i t hp a d 。b ) c o n t a c tw i t hp a d b 、 目前，p e e k 材料已经是公认的最理想的保持环材料，磨擦磨损性和化学 抗性都非常的优异，这已经有大量的研究所证实。根据c m p 设备和工艺的变 化，设计保持环是目前需要解决的问题，保持环工艺参数对晶圆抛光质量影响 规律还没有研究报道。在保持环的生产和运用中，保持环的工艺参数( 保持环 上的压力、保持环与晶圆之间的间隙、保持环的宽度) 很难依靠大量的试验确 定。本文第3 章主要研究保持环的三个参数( 保持环上的压力，保持环与晶圆 之间的问隙、保持环的宽度) 对晶圆抛光精度的影响，确定保持环的设计原则 和方法。只有合理设计保持环，才能使其优异的功能更加充分的发挥出来。 1 3 3c m p 保持环磨损机制的研究 由于保持环有良好的耐化学腐蚀性，可以认为保持环不存在化学方式的材 料去除。纯粹机械方式的磨损速率比机械和化学方式相结合的磨损速率要低的 一9 一 西北工业大学工学硕士学位论文 多。抛光垫表面有许多凸峰，保持环与抛光垫的接触状态类似于晶圆与抛光垫 的接触状态，与抛光垫的凸峰接触，在压力的作用下，抛光垫变形，接触面积 增加。保持环磨损模型的建立。有助于理解c m p 系统各个参数对磨损率的影响 规律。保持环上的压力越小，磨损率越小，与第3 章的研究结果相联系，将有 助于保持环的最优设计。目前，还没有对保持环磨损模型进行系统的研究，这 是本文第4 章研究的重点。 1 4 本文的主要研究内容 ( 1 ) 采用有限元法建立c m p 系统的二维轴对称静态模型，对保持环的工艺参 数：保持环上的压力、晶圆与保持环之间的间隙、保持环的宽度，变换 参数值分别模拟，分析工艺参数对晶圆表面等效应力分布的影响规律： 得出保持环工艺参数对晶圆表面等效应力的影响规律，总结保持环设计 的原则和方法。 ( 2 ) 综合考虑c m p 系统的各个参数：保持环硬度、保持环上压力、抛光垫硬 度、抛光液中磨粒尺寸的分布状况等，研究保持环的磨损机制，建立保 持环的磨损模型。 ( 3 ) 注射成型出c f p e e k 保持环试样，并在模拟c m p 环境下做磨损试验， 然后与磨损模型的计算结果作对比。 1 0 - 第2 章保持环研究的基础和方法 第2 章保持环研究的基础和方法 2 1 化学机械抛光技术介绍 2 1 1 全局平坦化描述 常见的传统平面化技术很多，如热流法、旋转式玻璃法、回蚀法、电子环 绕共振法、选择淀积、低压c v d 、等离子增强c v d 、淀积- 腐蚀一淀积等，这些 技术在i c 工艺中都曾得到应用，但是它们都属于局部平面化技术，不能做到全 局平面化，化学机械抛光( c m p ) 是目前唯一能获得全局平面化效果的平整化技 术【l l l ，平坦化的定性说明如图2 - 1 所示，晶圆表面要求的是全局平坦化。 ( d ) 局部平坦化 ( e ) 全局平坦化 图2 - 1 平坦化( p l a n a r i z a t i o n ) 的定性说明吲 f i g 2 1t h eq u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o no f p l a n a r i z a t i o n 1 西北工业大学工学硕士学位论文 2 1 2 化学机械抛光技术原理 传统的化学机械抛光如图2 - 2 所示，整个系统由工件夹持装置、承载抛光 垫的工作台和抛光液供给系统三部分组成。抛光时，旋转的工件以一定的压力 压在随工作台一起旋转的抛光垫上，由亚微米及纳米磨粒和化学溶液组成的抛 光液在工件和抛光垫之间流动，化学液与工件表面产生化学反应，工件表面的 化学反应物由磨粒的机械作用去除。可见，化学机械抛光过程中，抛光液对工 件表面的化学腐蚀是抛光的第一步，腐蚀后在工件表面形成一层薄的软化层， 然后磨粒对工件表面的凸起部分产生机械作用，使该部分的软化层被去除并脱 离工件表面。新暴露出的工件表面，继续被抛光液化学腐蚀，这种化学作用与 机械作用的不断重复，使工件表面逐渐光滑。 图2 - 2 化学机械抛光原理图1 1 1 l f i g 2 - 2t h ep r i n c i p l eo f e h e m i c a im e c h a n i c a lp o l i s h i n g | 1 1 l 晶圆的化学机械抛光过程是一个机械与化学相互平衡的过程，要获得抛光 精度高的晶圆片，必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种 平衡。若化学腐蚀作用大于机械抛光作用则抛光片表面产生腐蚀坑、桔皮状波 纹；若机械磨削作用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层。 ，化学机械抛光过程综合了化学抛光和机械抛光的优势，如图2 3 所示，单 纯的化学抛光，抛光速率较慢，表面光洁度高、损伤低、完美性好，但其表面 平整度、平行度较差，抛光一致性也较差；单纯机械抛光一致性好，表面平整 度尚，但表面光洁度差，损伤层深。化学机械抛光既可获得较完美的表面，又 - 1 2 - 第2 章保持环研究的基础和方法 可得到较高的抛光效率，加工后的粗糙度比其它传统方法( 如机械抛光、化学 抛光等) 低两个数量级，是实现晶圆超光滑表面抛光的好方法【1 3 l 。 “ 化学作用 5 0 誓 比率 1 0 0 簟 机械作用 图2 - 3c m p 研磨特性示意图【1 4 j f i g 2 - 3t h es k e t c hm a po f r u b b i n gc h a r a c t e r i s t i co f c m p 【1 4 j 2 1 3 化学机械抛光系统变量 c m p 技术所采用的设备及消耗品包括：c m p 设备、抛光液、抛光垫、后 清洗设备、抛光终点检测设备等。其中抛光液和抛光垫是消耗品，其余为抛光 及辅助设备。c m p 工艺中的关键要素是抛光液、抛光垫和抛光机。如图2 - 4 所 示，一个c m p 系统( 抛光垫抛光液硅片) 包括很多变量：设备过程变量、硅 片本身变量、抛光液变量以及抛光垫变量等，对c m p 工艺的影响分析如下。 2 1 3 1 抛光压力 抛光压力对抛光速率和抛光表面质量影响很大，通常抛光压力增加，摩擦 力增大，机械作用增强，抛光速率也增加，但使用过高的抛光压力会导致抛光 速率不均匀、抛光垫磨损量增加、抛光区域温度升高且不易控制、使出现划痕 的机率增加等，从而降低了抛光质量。实验证明高压抛光是造成表面划伤等缺 陷的主要来源，另外，压力越大，层间抛光液减少，不能起到很好的润滑作用、 散热作用，所以在抛光时应该选择适当的压力【协1 7 】。 压力还能影响工件与抛光垫的接触形式，接触模型有三种形式：流体动力 西北工业大学工学硕士学位论文 学模型、接触力学模型和基于接触力学和流体力学的混合接触模型。在流体动 力学模型中，工件和抛光垫非直接接触，作用载荷全由工件和抛光垫之间的抛 光液承受，材料去除是由抛光液薄膜在工件表面产生的表面应力和抛光液的自 然刻蚀形成的。接触力学模型是基于工件和抛光垫完全接触，作用载荷主要由 抛光垫、工件和磨粒承受，材料去除通过磨粒在工件表面产生的。在混合模型 中，工件和抛光垫之问不仅有直接接触，还存在非直接接触形式，作用压力由 抛光垫凸峰和抛光液薄膜所承受【哺。 图2 - 4c m p 抛光过程变量主要组成【1 1 1 f 适2 - 4t h ev a r i a b l ep a r a m e t e r so f c m p ( ” 2 1 3 2 相对速度 相对速度也是抛光过程的一个重要变量，它和抛光压力的匹配决定了抛光 - 1 4 第2 章保持环研究的基础和方法 操作区域。在一定条件下，相对速度增加，引起抛光速率增加。如果相对速度 过高会使抛光液在抛光垫上分布不均匀、化学反应速率降低、机械作用增强， 从而晶圆表面损伤增大，抛光质量下降。如果相对速度低，则机械作用小，也 会降低抛光速率，故相对速度要适当选取1 1 9 - 2 n 。 2 1 3 3 抛光区域温度 一般情况下工作区温度升高，加强了抛光液化学反应能力，使抛光速率增 加，但由于温度与抛光速率成指数关系，过高的温度会引起抛光液的挥发及快 速的化学反应，导致表面腐蚀严重，因而会产生不均匀的抛光效果，使抛光质 量下降。但是如果工作区温度低。则化学反应速率低，抛光速率低，机械损伤 严重，因此抛光区应有最佳温度值。通常抛光区温度控制在3 8 - - 5 0 ( 粗抛) 和2 0 - - 一3 0 c ( 精抛) 。温度还影响到抛光垫的机械性质，高温下，抛光垫的剪切 模量降低，抛光垫容易发生弹性变形1 2 2 1 。 2 1 3 4 抛光液粘度与p h 值 抛光液粘度影响抛光液的流动性和传热性。抛光液的粘度增加，则流动性 减小，传热性降低，抛光液分布不均匀，易造成材料去除率不均匀，降低表面 质量。p h 值对被抛表面刻蚀及氧化膜的形成、磨料的分解与溶解度、悬浮度( 胶 体稳定性) 有很大的影响，从而影响材料的去除率和表面质量，因此应严格控 制。抛光液是c m p 的关键要素之一，抛光液的性能直接影响抛光后表面的质量 脚】。 抛光液一般由超细固体粒子研磨剂( 如纳米s i 0 2 、a | 2 0 3 粒子等) 、表面活性 剂、稳定剂、氧化剂等组成，固体粒子提供研磨作用，化学氧化剂提供腐蚀溶 解作用。抛光液的化学成分及浓度、磨粒的种类、大小、形状及浓度、抛光液 的粘度、p h 值、流速、流动途径对去除速度都有影响。对抛光液的基本要求是： 流动性好，不易沉淀和结块，悬浮性能好，无毒，抛光速度快，硅片表面质量 好及利于清洗。要达到较好的抛光效果，就必须控制磨料的三个质量指标：颗 粒大小、硬度、分散度【2 4 】。 2 1 3 5 抛光垫 抛光垫的形貌如图2 5 所示，抛光垫材料通常为聚氨酯或聚脂中加入饱和 1 5 - 两北工业大学工学硕士学位论文 的聚氨脂，抛光垫的各种性质严重影响被抛光晶圆的表面质量、平坦化能力和 抛光速率。抛光垫性能主要由抛光垫的材料种类、材料性能、表面结构和状态 等决定， 图2 - 5 抛光垫a ) i c l0 0 0 ( 硬质抛光垫) ， b ) s u b ai v ( 软质抛光垫) p s i f i g 2 5p a da ) i c l 0 0 0 ( h a r dp a d ) ，b ) s u b ai v ( s o f tp a d ) p s i 在c m p 中，抛光垫具有以下功能【2 6 】；能贮存抛光液，并把它运送到工件 的整个加工区域，使抛光均匀：从工件抛光表蟊除去抛光过程产生的残留物质 ( 如抛光碎屑、抛光垫碎片等) ；传递材料去除所需的机械载荷；维持抛光过程 所需的机械和化学环境。 抛光垫横截面形貌如图2 - 6 所示，由凸起的凸峰和凹陷的空洞组成的多孔 状形貌。抛光时，凸峰与晶圆首先接触，凸峰受压变形，随着压力的增加，晶 圆与抛光垫的接触面积增掘，嵌入凸峰上的磨粒数量增加，材料去除率增加。 抛光垫的硬度对抛光均匀性有很大的影响，当使用硬抛光垫时可获得较好 的晶片内均匀性( w i d ) ，使用软抛光垫可获得较好的表面质量