化学机械抛光机理研究

郭世璋

（邯郸职业技术学院，邯郸 056001）

1 实验方案

抛光实验采用沈阳科晶公司生产的抛光机，可调转速范围为1～120r/min。抛光液采用沈阳科晶公司生产的50nm颗粒的SiO2酸性抛光液。抛光对象为45#钢和不锈钢圆片各1片。

图1 CMP抛光实验方案示意图

颗粒的收集采用图1所示实验装置，实验时，启动潜水泵1将抛光液经过磁环3过滤之后送至抛光盘上的抛光垫7和工件5之间，带有抛光产物的回流的抛光液经过磁环10进行磨粒收集后回到原处。磁环3主要作用时过滤潜水泵1可能磨损产生的铁磁性颗粒，防止与抛光产物中的铁磁性颗粒相混淆，造成实验结果的失真。磁环10的作用是收集抛光产物中的铁磁性磨粒。因为抛光液本身带有颗粒，为了将抛光液自带颗粒和抛光产物磨粒分开，磁环是个很好的选择工具。

收集到颗粒之后，将磨粒用丙酮清洗至烧杯中，然后倒入旋转式铁谱分析仪中进行制谱，制谱之后晾干放到显微镜下面观察磨粒的形状，进行分析。

方案中同时关注抛光前后工件表面形貌的变化，这在Wkyko形貌分析仪上进行。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

实验结果与分析包括抛光前后工件表面形貌的变化对比分析与收集的产物磨粒的铁谱分析。

由于本次实验后45#钢表面迅速变黄变暗，说明表面已经严重被氧化腐蚀，其表面质量的测量结果不再可信，同样的道理，它的磨粒也因为相同的材料而被腐蚀，铁谱分析失真。

所以本次实验只对不锈钢圆片进行表面形貌测量，对比分析和铁谱分析。不锈钢圆片抛光前后的二维表面形貌分别如图2和图3所示。从图中可以看出抛光之后，表面质量大大提高。从直观的图像上看，抛光前到处是划痕和凹坑，抛光之后划痕消失了，剩下浅浅的零星的几个凹坑。从具体的软件分析数据看，Ra从358.65nm下降到了46.51nm，Rq从490nm下降到57.2nm，Rt和Rz也从几个微米下降到了半个微米左右。

图2 抛光前的表面形貌

图3 抛光后的表面形貌

本次试验结果中的凹坑应该是抛光之前没有完全消失的特深的坑而不是实验过程当中产生的。如果是抛光过程中，坑的分布应该比较均匀。因为从前面分析知道，材料不断被磨平的过程，如果是之后产生的凹坑，也是首先经过完全平面阶段再产生凹坑，这时候，由于抛光条件的均匀性，凹坑的分布应该是均匀的。

图中凹坑没有完全消失，一方面是因为不锈钢材料本身比较难去除，另一方面是初始表面质量太差，抛光时间够长到足以磨平掉所有的凹坑。

在实验中确实收到了铁磁性抛光材料的磨粒，图4系列是显微镜下谱片上的磨粒形状照片。从图中可以看出，磨粒大小不等、形状各异，又猪肝形，薄片形，条形，球形等，这些磨粒一个很大的共同特点是具有较大的面积周长比，甚至具有很好的圆度。这与计算采用的几何模型形状较为吻合。

图4 抛光过程中产生磨粒的形态

收集到了铁磁性磨粒本身说明CMP过程材料去除不完全是化学腐蚀作用，因为化学腐蚀的产物为易溶物或者非铁磁性磨粒。同时由前面的计算可知，流体摩擦剪切力为几十兆帕，而一般的硅材料的剪切模量为GPa数量级，所以流体摩擦剪切不能直接去除掉材料，材料去除是三体磨损与化学作用相结合或者摩擦剪切与化学作用相结合，然而实验结果没有观察到划痕，材料去除可能是摩擦剪切与化学作用的综合作用。

2.2 分析讨论

本文的分析结果表明，CMP过程材料的去除是流体润滑的流体剪切作用和化学反应的综合结果。抛光液中的某些成分（酸、碱或者其他氧化剂）与被抛光表面材料发生了化学反应，生成很薄的剪切强度很低的化学反应膜，反应膜在润滑过程中流体产生的剪切力作用下被去处，从而露出新的表面，接着又继续反应生成新的反应膜，如此周而复始的进行，使表面逐渐被抛光修平，实现抛光的目的。

CMP过程中材料的去除与流体摩擦力的大小和化学反应的结果紧密相关。从前面的数值计算分析中，流体润滑最大剪应力增大另外一个重要的因素包括：抛光液中分散剂等有机高分子添加剂引起抛光液的粘度增加。化学反应过程中形成的颗粒状或者多孔的反应膜具有比较高的比表面积，可以起到催化剂的作用，加速化学反应的进行。

材料去除的过程可以简化理解如图5所示。由理论计算得知，膜厚小的地方剪应力大、膜厚大的地方剪应力小而且剪应力最大值随膜厚呈指数衰减。假设能剪切材料时中心膜厚为h，当抛光垫中的颗粒第一次经过粗糙峰表面时，粗糙峰下降h1，工件表面变得相对平坦一些，抛光垫整体往下运动∆h1，然后颗粒第二次经过粗糙峰，继续剪切粗糙峰，粗糙峰下降h2，垫下降……，如此循环直到将所有的粗糙峰材料去除掉。因为工件表面粗糙度为1个n左右的光滑表面，这个尺度与颗粒半径相比（几十纳米至微米级颗粒）是很小的，颗粒每次经过粗糙峰剪切的粗糙峰纵向尺寸也很小，切下来的材料应该具有较大的面积周长比。因此，从示意图中，工件达表面平坦过程并没有划痕产生的可能。

图5 材料去除过程示意图

3 结论

实验研究了CMP过程，得出了流体润滑摩擦剪切在化学腐蚀软化作用辅助下去除材料的机理，解释工件被抛光表面全局平坦化而没有划痕的现象。

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