抛光垫使用寿命对硅单晶片抛光质量影响的研究

张春翔，陈亚楠，田 原，杨召杰，付 旸

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

抛光垫使用寿命对硅单晶片抛光质量影响的研究

张春翔，陈亚楠，田 原，杨召杰，付 旸

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

化学机械抛光技术已经在超大规模集成电路制造中得到广泛应用，主要用于加工超光滑无损伤的硅单晶衬底和对晶片进行局部和全局平坦化。虽然在化学机械抛光技术中影响硅片抛光效果的因素有很多，但抛光垫是影响抛光效果的关键因素之一。研究了抛光垫使用时间和相应时间硅片的抛光效果之间的关系，指出可通过在抛光过程中控制抛光垫的使用时间，对抛光的工艺参数进行更好的调整。

化学机械抛光 抛光垫 抛光效果

0 引 言

为了满足IC发展的要求，抛光工序已经成为半导体制造过程中重要的工序之一。[1]同时，为了增大IC芯片的产量，降低单元制造的成本，要求IC的基础材料硅片趋向于大直径化，同时也对硅片抛光的表面质量提出了更高的要求。[2-3]化学机械抛光技术(Chemical Mechanical Polishing，CMP)已经发展成为应用最为广泛的抛光技术之一。在抛光过程中，抛光效果的影响因素较多，如抛光液、抛光垫、温度、压力、振动等。而在诸多因素中，抛光垫对硅片抛光速率、抛光的几何参数(TTV、TIR、STIR)等都有很大影响。

抛光垫作为CMP系统中的关键部件之一，对抛光的效率和加工质量有着重要的影响。CMP中抛光垫的主要功能有以下几点：①储存抛光液，并把抛光液运送到晶片的待抛光部分，使抛光更加均匀；②去除硅片在抛光过程中产生的残留物质(如抛光过程中产生的碎屑，抛光垫的碎片等)；③传递在去除晶片材料时所需的机械载荷；④使整个抛光过程维持在一定的机械环境和化学环境当中。[4-5]

本文主要研究抛光垫的使用寿命与硅片抛光效果之间的关系，以优化工艺参数，在抛光过程中根据抛光垫的使用寿命对参数做出相应的调整，提高硅片的生产效率，得到更好的抛光效果。

1 试验过程

1.1 试验流程

记录粗抛垫在相应时刻对应抛光硅片的几何参数(TTV、TIR、STIR)和抛光速率，通过对获得的数据开展系统分析，研究抛光效果与抛光垫使用时间之间的关系。

1.2 试验及测试用设备

试验片选用型号为P＜100＞、φ100mm的硅片。采用不二越SPM-19抛光机对硅片进行单面抛光，直至达到免清洗抛光片的表面要求，并计算抛光去除厚度。抛光工艺条件如下：①粗抛光布，SUBA系列聚氨酯抛光布；②精抛光布，Politex系列；③抛光液，BindzilOne液∶去离子水＝1∶15；④抛光片单位面积压力24kPa；⑤中心轮转速110RPM；⑥底盘转速55RPM；⑦抛光液流量1.8L/min；⑧抛光液温度25℃；⑨抛光布温度40℃。兆声清洗采用VERTEQ小型清洗机，甩干机采用中电45所CXS-2150C型旋转冲洗甩干机，几何参数测试采用Tropel UltraSort表面测试系统，厚度测试采用PROFORMA 300厚度测试仪。

2 试验结果与分析

2.1 粗抛光垫的使用时间对抛光速率的影响

试验过程中分别记录了在粗抛光垫使用时间是1h、5h、15h、30h、50h和换垫之前这6个时间点的单晶硅片抛光的速率，数值如表1所示。

表1 不同抛光垫使用时间硅片的去除速率Tab.1 Removal rates of silicon wafer under different polishing pad using time

2.2 粗抛光垫的使用时间对硅片几何参数的影响

在试验过程中分别记录了粗抛光垫使用时间是1h、5h、15h、30h、50h和换垫之前这6个时间点的硅片抛光的时间和硅片的几何参数(TTV、TIR、STIR)数值，数据如表2～4所示，几何参数平均值随使用时间的变化如图1所示。

表2 抛光垫的使用时间和TTV的数值Tab.2 Numerical relation between using time of polish pad and TTV

表3 抛光垫的使用时间和TIR的数值关系Tab.3 Numerical relation between usage time of polish pad and TIR

图1 几何参数(TTV、TIR、STIR)的平均值随抛光垫使用时间的变化曲线Fig.1 Variation curve of mean values of geometrical parameters (TTV，TIR，STIR) along with using time of polish pad

从表3和图1可以看出，TIR和抛光垫的使用时间没有太大的关系，TIR值分布在1.0～2.3之间，并且在抛光垫使用的中后期TIR的值也能维持在较稳定的状态。

从表4和图1中，可以发现随着抛光垫使用时间的增长，STIR的值减小。在抛光垫使用时间为5～45h时，STIR基本稳定，其原因是在抛光垫开始使用时，其本身较大的弹性变量会在一定程度上影响到STIR的值，而在5h之后，抛光垫弹性减小，所以STIR值也趋于稳定。综合考虑抛光垫使用时间对抛光片的去除速率和几何参数的影响，可以认为抛光垫使用中期是比较好的阶段。通过对以上数据的分析可知，硅抛光片几何参数随抛光垫使用时间变化的原因是：①抛光垫开始使用时表面孔径比较大，而且开槽的槽体棱角也很明显，且抛光垫的弹性比较大，造成几何参数数值不稳定；②在抛光垫使用一段时间后，粗抛光垫的弹性数值、孔径大小、槽体棱角的锋利程度都达到一个稳定的状态，此时的数值也会相对稳定；③当抛光垫使用到一定时间之后，抛光垫的孔径开始减小，同时抛光垫对抛光液的运输、储存能力下降，此时粗抛光垫的抛光速率降低，同时对晶片的几何参数产生不利的影响，综合考虑下，此时应该对抛光垫进行更换。

表4 抛光垫的使用时间和STIR的数值关系Tab.4 Numerical relation between using time of polish pad and STIR

3 结 语

本文重点研究了抛光垫使用时间对硅片抛光速率及几何参数的影响，通过试验可以得到以下结论：随抛光垫使用时间增长，抛光速率下降；TTV、TIR和STIR在抛光垫使用5～30h时，其数值保持稳定。从硅片的抛光速率和几何参数两方面综合考虑，抛光垫使用的中期最有利于硅片的抛光。在抛光垫使用的后期，应对加工参数做出一定的调整，以此来提高硅片抛光的效率和质量。

［1］ 张厥宗. 硅单晶抛光片的加工技术[M]. 北京：化学工业出版社，2005：123–129.

［2］ Renteln P. Chemical mechanical planarization：fundamental issues of interlevel dielectric applications[J]. Solid State Technology. 1994，37(7)：71-75.

［3］ 廉进卫，张大全. 化学机械抛光液的研究进展[J]. 化学世界. 2006(9)：226-229.

［4］ 魏昕，熊伟，黄蕊慰. 化学机械抛光中抛光垫的研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程，2004(5)：40-43.

［5］ 孙燕，李莉，孙媛. 测试方法对硅片表面微粗糙度测量结果影响的研究[J]. 稀有金属，2009，33(6)：884-888.

Influence of Service Life of Polishing Pad on the Quality of Polished Silicon Wafers

ZHANG Chunxiang，CHEN Ya’nan，TIAN Yuan，YANG Zhaojie，FU Yang
(The 46th Research Institute，CETC，Tianjin 300220，China)

Chemical Mechanical Polishing(CMP)has been widely used in the manufacturing of ultra large scale integrated circuit，which is mainly used in machining super smooth silicon substrate without damage and the local and global planarization of wafer．Many factors have influence on the polishing quality of silicon wafers and polishing pad is one of the key factors．In this paper，the relationship between polishing pad using time and the corresponding time of silicon wafer polishing quality has been explored．It is believed that better technological parameters can be achieved by controlling the polishing pad using time in the polishing process.

Chemical Mechanical Polishing(CMP)；polishing pad；polishing quality

TM23

：A

：1006-8945(2015)12-0018-02

2015-11-04