硅晶材料表面的研磨与抛光

1、硅晶材料表面的研磨、抛光技术参考中国研磨网链接:1、引言电子信息产业已经发展成为囯民经济与社会发展的第一大支柱产业，而电子信息产业的基础产业是集成电路(IC)产业。目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路(IC)是用硅材料制成的。商业化利用太阳能已成为世界趋势。欧盟、日本和美国都在致力于开发可再生能源如太阳能，以提高能源供应的安全性。中国在2008年后成为世界上最大的太阳能利用国之一。太阳能已成为中国能源新的希望，将为解决石油和煤炭价格上涨以及电力短缺带来契机。硅系太阳能电池包括单晶硅电池、多晶硅薄膜电池等，其中单晶硅太阳能电池转换效率最高，光电转换率可以达到23%，在现阶段的大规模应

2、用和工业生产中占主导地位。2、抛光方法抛光(Polishing)是使工件表面成为平滑镜面的超精密加工技术，其目的在于使工件的表面粗糙度及平坦度达到一定的可容许范围。抛光不仅增加工件的美观，而且能够改善材料表面的性能，增加工件的使用寿命。目前常用的抛光方法有：(1) 机械抛光，是靠切削、材料表面塑性变形去掉工件表面凸出部分而得到平滑的抛光方法。(2) 电化学抛光，是一种以电解溶出的原理来去除金属的抛光方法。(3) 流体抛光，是依靠高速流动的液体及其携带的磨粒冲刷工件表面达到抛光的目的。(4) 磁流变抛光(Magnetorheological Finishing，MRF)，是一套数控抛光系统，能够

3、抛光平面、球面及非球面。目前磁流变抛光可在直径10200mm镜片加工，而且非球面的形状精度可达0.10.6m p-v。(5) 化学机械抛光(Chemical Mechinical Polishing，CMP)，是机械削磨和化学腐蚀的组合技术。(6) 渐进式机械化学抛光(Progress Mechanical and Chemical，P-MAC)。(7) 液动压抛光(Hydrodynamic Polishing，HDP)，是一种创新的超精密研磨加工法，加工后工件表面的形状精提升到0.1m，表面粗糙度达到纳米级。本文主要对化学机械抛光在硅材料加工中的有关技术问题做些阐述。3、化学机械抛光技术为满

4、足芯片微型化、高密度化、高速化、高数字化和系统集成化的要求，对芯片直径、平坦化、线宽和金属互连层数提出了更高要求，这也对晶片的精密加工提出了更高要求。半导体晶圆(芯片)加工工艺流程如图1所示。由于大规模集成电路(ULSI)向高度集成和多层布线发展，化学机械抛光、平坦化已成为集成电路制造不可缺少的关键工艺。它不仅是硅晶圆加工中最终获得纳米级超光滑、无损伤表面的最有效方法，也是芯片多层布线中不可替代的层间局域平坦化方法。在晶圆(芯片)制造过程中(见图1)多次使用CMP工艺。 化学机械抛光过程(见图2)使用安装在刚性抛光平盘上的柔性抛光垫，硅片被压在抛光垫上，在抛光液的作用下进行抛光，抛光液含有化学

5、液(即双氧水H2O2)和纳米级磨料。硬的硅基陶瓷材料由磨料的机械作用抛光，而金属则由金属和抛光液内的化学物质之间的化学反应进行抛光，即采用化学与机械方法综合作用去除多余材料而得到平坦化的高质量表面。图2 化学机械抛光工艺装置示意图4、化学机械抛光金刚石修整器修整器的性能要求十分严格，首先金刚石不能脱落，否则会划伤晶圆表面；其次，金刚石分布要均匀，金刚石尖端必须朝上，出刃高度一致。因此，采用真空钎焊和金刚石有序排列的制作方法比较合适。日本ASAHI(旭日)金刚石工业公司在研发金刚石化学机械抛光垫修整器过程中，采用规则均布金刚石技术，开发了三种类型CMP修整器。(1) CMP-CS型修整器：金刚石

6、用Ni，Cr胎体材料强力地化学结合把持，以防止金刚石脱落。金刚石在胎体材料上的分布具有重复性，故其性能非常稳定。(2) CMP-MEO-UP型修整器：其特点是金刚石规则均布。每颗金刚石由Ni基胎体单独专门把持与固定，使金刚石的脱落减少到最低程度。(3) CMP-NEO-U型修整器：其特点是，金刚石规则均布、金刚石出露高度可控、金刚石刃端定向排列一致。（如图3）图3 CMP-NEO-U修整器特点示意图对金刚石化学机械抛光垫修整器的性能要求是：（1）不能有金刚石脱落，否则使晶圆表面产生划痕、刮伤与瑕疵。（2）具有恒定的晶圆去除率，以保证抛光的质量与稳定。（3）必须有很长寿命，因在晶圆抛光整个成本中

7、，修整器所占比例最大。（4）批量生产中要求修整器稳定如一。为满足上述要求，金刚石修整器的设计应具有以下特点：（1）不能脱落。（2）金刚石磨料分布有适当的间距。（3）金刚石磨料凸出必须处在同一水平。（4）金刚石晶粒必须充分暴露。（5）金刚石胎体金属必须耐磨与防浸蚀。 以下介绍两种国外修整器（1） 韩国新韩公司低密度型DET-M修整器（2）台湾KINIK公司新型PCD修整器台湾KINIK公司金刚石修整器的设计特点由图4充分显示与说明。金刚石以固定的间距按预先设计模式(Diamond Grid)排列，金刚石突出高度与水平都严格控制，整个表面镀覆一层不易损坏的纳米金刚石保护层(Diamond

8、 Shield)，防止酸性冲洗液对基体金属的浸蚀和冲洗液中溶融的金属铜对芯片电路的损害。新型PCD修整器是台湾KINIK公司研发的。将PCD在6GPA压力1359高温下烧结成为修整器胎体，然后用电火花加工成特定尺寸与形状的角锥体。按预定模式排列的角锥体，如图5所示，称之为ADD(Advanced Diamond Disks)。图5 ADO金刚石抛光盘切割角椎体实例研究表明，ADD可使抛光垫以高密度粗糙度，高效抛光晶圆，寿命提高一倍。角锥体磨蚀后，又可再重新加工复新，多次使用，使成本降低。先进的ADD抛光盘与普通金刚石抛光垫修整器对比优点如下表所示。5、影响研磨、抛光质量的若干技术因素5.1 研

9、磨、抛光液在研磨抛光工艺中包含四个基本要素即工件、研磨液、研磨抛光盘和研磨条件。金刚石研磨液是随着我国电子工业的发展而迅速得到发展的一种液体抛光材料。主要在自动研磨、抛光机上用其加工陶瓷材料、硅片、硬质合金等。液体金刚石研磨/抛光液基本有三种形式：水基、油基和乳化液。水溶性金刚石研磨液由于具有易清理、不易污染、使用方便的特性，所以在自动研磨/抛光机上得到了广泛的应用。水溶性金刚石研磨液使用的金刚石微粉有两种：多晶和单晶金刚石微粉。金刚石粒度为0.2540m，常用规格为16m。所添加金刚石微粉粒度不同，有不同规格的金刚石研磨液。根据所使用金刚石微粉粒度的大小，研磨液分别承担着研磨或抛光的作用。金

10、刚石研磨液的使用属于研磨、抛光加工工艺范畴。研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。从材料的去除机理来看，研磨加工介于脆性材料破坏和弹性去除之间的一种方法，而抛光加工基本上是在材料的弹性去除范围之内进行。 5.2 抛光垫抛光垫作为CMP系统中的主要组成部分，起着贮存抛光液并把它们运送到工件的整个加工区域、维持抛光所需的机械和化学环境、传递材料去除所需的机械载荷等作用。在研磨抛光过程中，加工工艺参数和抛光垫结构参数对研磨抛光后工件的质量以及去除速率有着重要影响。目前抛光垫的研究主要集中在物理性能和加工工艺方面，对其动态磨损性能与加工精度关系的研究

11、较为缺失。根据相关研究可知，抛光沿径向上的磨损不是均匀分布的，而研磨抛光过程中的“复制效应”则将抛光垫的磨损的不均匀性反映到工件表面材料的去除不均匀性，影响工件表面的加工精度。5.3 金刚石间距金刚石间距影响表面切削率与碎屑形状修整率(图6)。金刚石间距减小，切削率提高，修整率降低，反之亦然。要想得到最佳的金刚石间距，应同时考虑正反两方面的影响，否则，就会影响到修整性能和晶片抛磨率。如果不对金刚石间距进行控制，有的地方金刚石颗粒会过多，而有的地方又过少。前者不利于切入修整，后者会导致局部修整不到而打滑(图7)。传统修整器有三分之二的金刚石颗粒位置不合理。多余并起反作用，容易堵塞抛光液和碎屑的通

12、道，增加划伤晶片的可能性。5.4 金刚石平齐度控制金刚石间距，即可优化修整面积和深度。参与修整的金刚石数目是其平齐度来决定的。如果金刚石不平齐，只有部分出露高的金刚石颗粒工作，修整时会形成宽而深的沟槽，抛磨晶片时作用不均匀，划伤晶片多。出露高的晶粒在超负荷工作时容易碎裂而划伤工件，即使不碎，也会很快变成非常鈍的晶粒(钝化面边长>70m)，失去修整作用，妨碍其它晶粒的修整，导致晶片抛磨率迅速降低，修整器失效。5.5 金刚石栅由于传统的金刚石修整器不能实时修整，必须过量修整磨盘才能保证在不修整时进行抛光，因此抛光率是连续下降的。金刚石栅可以在磨盘工作的同时对其实施修整，不必过量修整，不仅提高

13、了抛光率，而且由于金刚石栅可保证磨盘平整，因此，晶片也就平整均匀，如图8所示。金刚石栅容易实现计算机控制，修整器的重要特性，如金刚石间距、出露及平整度都可以定量分析。这些参数都和CMP过程的抛光率及其它技术参量相关，从而进一步优化修整器和CMP过程。下表展示的是金刚石栅的使用优点。5.6 材料去除的非均匀性随着超大规模集成电路的发展，硅片尺寸不断增大，其面型精度要求也越来越高，影响硅片面型精度的主要因素是硅片表面材料去除的非均匀性。因为材料去除非均匀性的大小，关系到多层布线质量的好坏。在超大规模集成电路(ULSI)制造中，化学机械抛光技术(Chemical Mechanical Polishi

14、ng，CMP)已成为半导体加工行业实现硅片全局平面化的实用技术和核心技术。硅片表面材料去除非均匀性有三种表示方法：一是硅片内材料去除非均匀性(With-In-Wafer Nonuniformity，WIWNU)，二是芯片内材料去除非均匀性(With-In-Die Nonuniformity，WIDNU)，三是片间材料去除非均匀性(Wafer To Wafer Nonuniformity，WTWNU)。苏建修等对片内材料去除非均匀性进行了研究。所得到的结论是：硅片CMP时，表面材料去除非均匀性的大小与抛光盘与抛光头的转速比有着密切的关系。即在转速比大于等于1时，片内材料去除非均匀性较小。因此，在

15、选择抛光机运动参数时，应尽量使抛光头与抛光盘的转速相同，且转速选择大于等于1，但由于抛光盘的尺寸及重量远大于抛光头的尺寸，实际的硅片CMP操作时不采用抛光盘的转速大于抛光头的转速，尤其是大直径硅片抛光机更是如此。目前，在硅片CMP材料去除非均匀性的研究还有如：Hocheng等人通过对硅片表面相对速度及其影响参数的分析，建立了以硅片与抛光垫相对速度为依据的材料去除非均匀性预测模型，并研究了单头抛光机运动变量对硅片CMP材料去除非均匀性的影响。Tso等人通过对双面抛光机抛光头与抛光盘的运动关系研究，分析了磨粒在硬盘基片上划痕分布非均匀性及其影响因素。Luo也认为硅片表面上的速度分布非均匀性导致了硅

16、片表面材料去除非均匀性。V.H.Nguyen等人也从硅片表面上的相对速度分布方面研究了材料去除率的非均匀性。5.7 固结磨料加工的绿色特性研磨抛光加工大都采用氮化铈或二氧化硅磨料，为非环境友好物质，不利于国家与社会的可持续发展，固结磨料新磨(抛光)垫的使用，大大减轻了抛光废液的处理成本及其对环境带来的压力，是一种绿色环保的加工技术，符合国家的产业政策和环保要求。在半导体研磨加工过程中，需要在保证抛光阶段所需加工余量及要求的表面质量的同时尽可能快的去除材料，因此材料去除率MRR是研磨阶段评价抛光垫的重要指标。从图9中可以看出，固结磨料抛光垫(FAP)可以获得比传统游离磨料加工更高的MRR(约20

17、倍30倍)。这是因为在FAP中破基体把持着的金刚石较游离磨料加工中滚动磨削的金刚石产生更大的犁削力，更易去除材料。在研磨用FAP中所添加的磨料和游离磨料抛光光垫加工所用研磨液中的磨粒均为金刚石，其粒度范围为1014m。采用亲水性固结磨料研磨垫后，磨料使用量可节约95%左右，每台研磨机一年可节约近万元的磨料开支；固结磨料研磨垫的使用，隔离了铸铁盘与磨料之间的接触，可减少每年一万元左右的耗材开支；另外，游离磨料加工时，研磨废液无法回收，须经处理后排放。采用固结磨料研磨，由于研磨液中不含磨料，可以从废液中回收硅，不仅可以产生可观的经济效益，还可减少对环境的污染。6、结语与展望6.1 在超大规模集成电

18、路(ULSI)制造中，化学机械抛光技术已成为硅晶材料行业实现硅片全局平面化的实用技术和核心技术。6.2 化学机械抛光的最大问题之一是硅材料去除非均匀性，它是集成电路对硅片表面平坦化需求的一个重要指标。材料去除非均匀性大小，关系多层布线质量的好坏。因此，弄清CMP材料去除非均匀性形成机制，才能有的放矢地采取控制硅片表面材料去除非均匀性相应的措施，以满足IC对硅片表面平坦化程度的需求。6.3 根据大量的研究分析，在硅片CMP时，磨粒的机械作用是硅片表面材料去除的主要机械作用，磨粒在硅片表面的运动轨迹不仅最能反映出材料去除率多少，也能很好地反映出硅片表面材料去除非均匀性的高低。6.4 抛光垫是化学机械抛光中的重要组成部分，