化学机械抛光

1、 化学机械抛光的研究现状及发展趋势化学机械抛光的研究现状及发展趋势 1、化学机械抛光的基本原理、化学机械抛光的基本原理及及机理机理 2、抛光液、抛光液 3、抛光垫、抛光垫 4、化学机械抛光化学机械抛光的发展趋势的发展趋势 1 化学机械抛光的基本原理及机理化学机械抛光的基本原理及机理 化学机械抛光的基本原理化学机械抛光的基本原理1-1 化学机械抛光化学机械抛光-CMP(Chemical Mechanical Polishing)。 CMP 是化学的和机械的综合作用是化学的和机械的综合作用,在一定压力及抛光浆料存在下在一定压力及抛光浆料存在下, 在抛光液中的腐蚀介质作用下工件表面形成一层软化在抛光

2、液中的腐蚀介质作用下工件表面形成一层软化层层，抛光液，抛光液 中的磨粒对工件上的软化层进行磨削，中的磨粒对工件上的软化层进行磨削， 因而在因而在被研磨的工件表面被研磨的工件表面 形成光洁表面。形成光洁表面。 1 避免了由单纯机械避免了由单纯机械 抛光造成的抛光造成的表面损表面损 伤伤 2 避免单纯化学抛光避免单纯化学抛光 易造成的易造成的抛光速度抛光速度 慢、表面平整度和慢、表面平整度和 抛光一致性差抛光一致性差等缺等缺 点。点。 CMP相比其他方式的抛光的优点相比其他方式的抛光的优点 图图1 典型典型的化学机械抛光原理示意图的化学机械抛光原理示意图 化学抛光机的基本结构化学抛光机的基本结构

3、1-2 1.循环泵循环泵 2.抛光液抛光液 3.过滤磁环过滤磁环 4.抛光机喷嘴抛光机喷嘴 5.工件工件 6.压力钢柱压力钢柱 7.抛光垫抛光垫 8.抛光盘抛光盘 9.回收箱回收箱 lO.磁环磁环图图2 化学机械抛光机化学机械抛光机结构简图结构简图 化学机械抛光材料去除机理化学机械抛光材料去除机理 1-3 通过通过实验研究，实验研究，CMP的机理可以分为在材料的去除过程中的机理可以分为在材料的去除过程中 是是抛光抛光液中化学反应和机械作用的液中化学反应和机械作用的综合结果综合结果。如如图图 3 Text 1 Text 2 Text 3Text 3 抛光液中的腐蚀介质与被抛光表面材料发生了化学反

4、抛光液中的腐蚀介质与被抛光表面材料发生了化学反 应应,生成很薄的剪切强度很低的化学反应膜生成很薄的剪切强度很低的化学反应膜,反应膜在反应膜在 磨粒磨削作用下被去处磨粒磨削作用下被去处,从而露出新的表面从而露出新的表面,接着又继接着又继 续反应生成新的反应膜续反应生成新的反应膜,如此周而复始的进行如此周而复始的进行,使表面使表面 逐渐被抛光修平逐渐被抛光修平,实现抛光的目的。实现抛光的目的。 图图3 材料材料去除的过程可以去除的过程可以简化简化图图 2 抛光液抛光液 抛光液作用与组成抛光液作用与组成 2-1 抛光液是抛光液是CMP中一个重要的因素，抛光液的质量对抛光速率及抛中一个重要的因素，抛光

5、液的质量对抛光速率及抛 光质量有着重要的作用，抛光液主要是对工件有化学腐蚀作用和光质量有着重要的作用，抛光液主要是对工件有化学腐蚀作用和 机械作用，最终达到对工件的抛光。机械作用，最终达到对工件的抛光。 基本要求基本要求:流动性好、不易沉淀和结块、悬浮性能好、无毒、低残流动性好、不易沉淀和结块、悬浮性能好、无毒、低残 留、易留、易清洗。清洗。 抛光液抛光液的组成及其作用的组成及其作用2-2 抛光液抛光液 加快加工表面形成软而脆的氧化膜，加快加工表面形成软而脆的氧化膜， 提高抛光效率和表面平整度提高抛光效率和表面平整度 腐蚀介质腐蚀介质 氧化剂氧化剂 磨料磨料 分散剂分散剂 对材料表面膜的形成，

6、材料的对材料表面膜的形成，材料的去除去除 率、抛光率、抛光液的粘性有影响液的粘性有影响 借助机械力，将材料表面经化学反借助机械力，将材料表面经化学反 应后的钝化膜去除，让表面平整化应后的钝化膜去除，让表面平整化 防止抛光液中的磨料发生聚集现象，防止抛光液中的磨料发生聚集现象， 保证抛光液的稳定性，减少加工表保证抛光液的稳定性，减少加工表 面缺陷面缺陷 抛光液的主要组成成分及作用如下图所示抛光液的主要组成成分及作用如下图所示： 抛光液的研究趋势抛光液的研究趋势 2-3 1CMP机理机理还有待进一步研究还有待进一步研究 2如何避免碱金属离子的沾污如何避免碱金属离子的沾污 3如何保持抛光浆液的稳定性

7、如何保持抛光浆液的稳定性 4化学机械抛光的抛光液的开发化学机械抛光的抛光液的开发 3 抛光垫抛光垫 抛光垫简介抛光垫简介 3-1 抛光抛光垫有软性和硬性的垫有软性和硬性的, ,常见的软性抛光垫有：常见的软性抛光垫有：无纺布抛光垫无纺布抛光垫、带绒毛结构的带绒毛结构的 无纺布抛光垫无纺布抛光垫，硬性，硬性的抛光的抛光垫有：垫有：聚氨酯抛光垫聚氨酯抛光垫酯。酯。 根据根据工件工件- -抛光垫之间抛光液膜厚度的不同，在抛光中可能存在三种界面抛光垫之间抛光液膜厚度的不同，在抛光中可能存在三种界面接接 触形式：触形式： 1 1，当当抛光压力较高抛光压力较高，相对运动，相对运动速度较小速度较小时表现为时表

8、现为直接接触直接接触； 2 2，当当抛光压力较低抛光压力较低，相对运动，相对运动速度较大时抛光界面速度较大时抛光界面的的 3 3，表现表现为非接触；介于二者之间时为半接触为非接触；介于二者之间时为半接触 抛光垫的作用抛光垫的作用 3-2 1 能储存抛光液能储存抛光液,并把它输送工件的整个加工区域并把它输送工件的整个加工区域,使抛光均使抛光均 匀的进行匀的进行 2 从加工表面带走抛光过程中的残留物质从加工表面带走抛光过程中的残留物质 3 传递和承载加工去除过程中所需的机械载荷传递和承载加工去除过程中所需的机械载荷 4 维持加工过程中所需的机械和化学环境维持加工过程中所需的机械和化学环境 抛光垫的

9、研究现状抛光垫的研究现状3-3 3-3-1 目前主要的研究抛光垫目前主要的研究抛光垫以下以下3方面：方面： 1、材料种类材料种类（软性和硬性的或复合材料的），（软性和硬性的或复合材料的）， 2、材料材料性质性质(如硬度如硬度,弹性和剪切模量、孔隙的大小和分布、粘弹性弹性和剪切模量、孔隙的大小和分布、粘弹性 )， 3、表面的结构和状态对抛光性能的影响表面的结构和状态对抛光性能的影响。 其中通过改变表面结构的沟槽结构其中通过改变表面结构的沟槽结构是是 改变抛光垫性能的最主要途径改变抛光垫性能的最主要途径。 3-3-2，以下是几种常见不同沟槽的抛光垫，以下是几种常见不同沟槽的抛光垫 A、放射状、放射

10、状 B、同心圆状、同心圆状 C、栅格状、栅格状 D、正对数螺旋状、正对数螺旋状 E、负对数螺旋状、负对数螺旋状 抛光抛光垫沟槽形状对抛光液的运送及均匀分布、化学垫沟槽形状对抛光液的运送及均匀分布、化学 反应速率、反应反应速率、反应 产物及其浓度，材料去除速率会产生重要影响，是改变抛光垫性能的最产物及其浓度，材料去除速率会产生重要影响，是改变抛光垫性能的最 主要途径。主要途径。所以在所以在cmp中抛光垫沟槽设计是抛光垫设计的一个重要部分中抛光垫沟槽设计是抛光垫设计的一个重要部分 E复合型复合型沟槽的抛光垫沟槽的抛光垫 4 化学机械抛光的发展趋势 化学机械抛光中存在的基本问题化学机械抛光中存在的基

11、本问题 4-1 十余年来，尽管十余年来，尽管CMP技术发展迅速，但技术发展迅速，但CMP仍然存在很多未解决的题：仍然存在很多未解决的题： 1、CMP加工过程的控制仍停留在半经验阶段，难以保证表面的更高精加工过程的控制仍停留在半经验阶段，难以保证表面的更高精 度和平整度加工要求，度和平整度加工要求， 2、CMP工艺的复杂性影响因素的多样性增加了问题的研究难度工艺的复杂性影响因素的多样性增加了问题的研究难度 3、CMP加工材料去除、抛光缺陷机理、抛光过程中纳米粒子的运动规加工材料去除、抛光缺陷机理、抛光过程中纳米粒子的运动规 律及行为以及律及行为以及CMP工艺方面的实际问题等还没有完全弄清楚。工艺方面的实际问题等还没有完全弄清楚。 化学机械抛光的发展趋势化学机械抛光的发展趋势4-2 随着随着集成电路的高密度化、微细化和高速化，集成电路的高密度化、微细化和高速化，CMP在集成电路中的应用，对于在集成电路中的应用，对于 45nm纳米以后的制程，传统的化学机械抛光将达到这种方法所能加工的极限，可纳米以后的制程，传统的化学机械抛光将达到这种方法所能加工的极限，可 能被淘汰，因此需要在研究传统的能被淘汰，因此需要在研究传