化学机械抛光中表面损伤的问题研究

崔景光

摘 要：在一定的工况参数条件下，机械作用和化学作用匹配时，可以获得高的材料去除率和无表面层及亚表层损伤的高质量的抛光表面。在化学机械抛光过程中，机械作用的加强可以提高材料去除率，但作用力增至一定值之后，抛光后表层和亚表层损伤将逐渐加大；化学作用可以增加机械作用下的材料去除率，但抛光表面在化学反应作用下会产生表面损伤。所以，本文对化学机械抛光中表面损伤的问题进行研究。

关键词：化学机械；抛光；问题研究

中图分类号：TG662 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0065-02

1 影响化学机械抛光的诸多因素

1.1 工艺因素

实际生产中，硅片表面损伤是硅片化学机械抛光过程中常见的问题。也是影响产品良率的主要原因。轻者需要返工，严重会导致硅片报废。而硅片的表面损伤，由多种因素共同影响。影响抛光质量有诸多因素，主要有化学作用和机械作用共同影响，所以两者要有一个适当平衡，才能使抛光质量稳定。

1.2 抛光液

它主要影响化学作用。1.1.1PH值：其他条件不变时，调节抛光液的PH值，分别在酸性、中性、碱性条件下抛光铌酸锂晶圆，并测量不同抛光片的损伤层厚度，结果如表1：

1.2.1 黏度

黏度影响流动性，进而影响反应物和产物在被抛光片表面的传输以及抛光布和抛光片表面的潤滑。经过生产线大量的数据佐证，现在的抛光液对CMP研磨的影响主要表现在以下几个方面：（1）抛光液使用大颗粒或表面硬度的颗粒来获取高的研磨速率，这种抛光液虽然可以快速去除材料，但使硅片表面容易造成刮伤，给下道工艺带来困难。（2）许多抛光液稳定性差，容易产生化学沉淀、分层，不能长期存放，在使用前需要长时间搅拌。（3）有些抛光液中含有金属离子，使硅片表面产生金属沾污，造成缺陷，使其性能降低，甚至导致器件不能工作。

1.2.2 磨料

磨料提供了CMP的机械作用，磨料尺寸、浓度以及硬度对机械研磨有不同程度的影响。磨料的选择对划伤也有很大影响。随着特种尺寸的不断减小，对表面划伤的控制也越来越严格。对于硬度大的磨料，虽然在去除速率上会有优势，但是这种磨料更容易产生划伤问题，因此CMP一般选择硬度适中的SiO2水溶胶作为磨料。

1.3 抛光垫使用的影响

抛光垫是抛光过程中重要的一环，按是否含有磨料可以分为有磨料抛光垫和无磨料抛光垫；按材质的不同可以分为聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫和复合型抛光垫；按表面结构的不同大致可分为平面型、网格型和螺旋线型。其作用是把抛光液有效均匀地输送到抛光垫的不同区域，将抛光后便化学反应充分进行的反应物、碎屑等顺利排出，达到去除效果，维持抛光垫表面的抛光液薄膜，以便化学反应充分进行，保持抛光过程的平稳、表面不变形，以便获得较好的晶片表面形貌。影响其因素有：硬度、压缩比、涵养量、粗糙度、密度。

1.4 抛光布

抛光布在整个抛光过程中起着重要的作用，它除了可以使抛光液有效地均匀分布外，还要能够提供新补充进来的抛光液，并能顺利地将反应后的抛光液及产物排出。硬度是表征抛光布性能的一个重要参数，使用硬的抛光布（粗抛布），可获得较好的整体与局部平整度，而软的抛光布（精抛布）可获得较好的表面质量与活性。

1.5 其他工艺参数的影响

研磨液流量、研磨温度、研磨头压力、转速。

（1）研磨液流量。研磨液流量是化学机械研磨过程中一个重要的参数。其对研磨去除速率、研磨后表面粗糙度有很大影响。流量较小时，硅片与研磨垫之间的摩擦力较大，使得研磨后表面缺陷增大。并且摩擦力增大还会使研磨过程中硅片局部温度过高，使硅片表面缺陷增加；流量过大时，研磨过程中局部化学作用大于机械作用，导致金属表面腐蚀严重，表面粗糙度增大，并造成研磨液的浪费。

（2）研磨温度。在化学机械研磨过程中，随着研磨液温度的变化，将会影响化学反应的速度。当温度升高时，研磨去除速率会提高，但是如果温度过高，化学反应过于剧烈，容易造成硅片表面划伤增多，因此，为了满足CMP的平坦化要求，温度必须控制在合适的范围内。

（3）压力。研磨头的压力对硅片表面均匀性和去除速率影响很大。通常在研磨过程中，研磨头不同半径所给的压力是不同的，这样可以将硅片表面均匀性控制在较好的范围。为了提高去除速率可以增大压力，但同时压力增大到一定值也会带来一些缺陷。

（4）转速。在CMP中，转速主要包括研磨头、研磨垫以及修整器的转速。一般研磨头和研磨垫是同向转动的，并且它们的转速也是不同的，不同的研磨头和研磨垫转速选择对研磨去除速率和研磨后表面粗糙度都有很大影响。

1.6 抛光机的清理与维护对硅片质量的影响

抛光机的日常清理与维护包括抛光液的过滤及抛光液容器的清理、陶瓷盘的定时清理、抛光机的定时清理。抛光液原液会在桶口产生结晶，配好的抛光液也会在容器口产生结晶，过滤抛光液原液及清理抛光液容器可避免结晶物划伤硅片。永久及存放久的陶瓷盘也会有杂物颗粒损伤硅片，需定时清理。抛光机旋转机构也会出现结晶物，定时清理避免结晶掉落划伤硅片。

2 单晶硅抛光片的亚表层损伤和微观结构变化的研究

超精密抛光过程是纳米磨粒撞击抛光片表面而去除材料的微观加工过程。当磨粒撞击硅片30s时，发现硅片亚表层产生了位错和微晶现象；当冲击时间为10min时，硅片的亚表层出现了严重的非晶层和划痕损伤。硅片的纳米压痕研究也表明，在不同的压力条件下，硅片会产生非晶相、β相、微晶相和晶格相等不同的相态。同时，由于压力施加和移除的过程不同，各相态之间还存在着一定的相互转化的内在关系。当抛光压力大于25kPa时，硅片亚表层产生了非晶层损伤，而当抛光压力为20kPa时，则可以获得无亚表层缺陷的抛光结果。同时该研究也证实了，通过调控抛光压力可以获得无表面损伤和亚表层损伤的单晶硅抛光片。这是因为，在不同的压力条件下，硅晶体产生不同的相变。当硅片和磨粒接触区域的八面剪切应力大于4.6GPa，同时静水压力小于8GPa时，硅片抛光过程中产生的非晶层，则会在磨粒离开硅片表面后转变为晶格状态，从而实现了无损伤的超精密抛光。然而，抛光压力过低则使得材料研磨去除速率偏低。综上所述，尽管化学机械抛光中化学作用显著，但是，在本文作者查阅的文献中，还未见到化学作用对硅片抛光亚表层相态影响的研究报道，化学机械抛光亚表层损伤的控制还停留在经验调控的水平。

3 结语

通过大量实验验证表明，通过控制抛光温度和抛光液PH值，抛光压力和磨料颗粒度等参数，使参数既可满足生产高质量不产生表面损伤的抛光片同时，又尽可能的提高生产速率。在一定的工况参数条件下，机械作用和化学作用匹配时，可以获得高的材料去除率和无表面层及亚表层损伤的高质量的抛光表面。在化学机械抛光过程中，机械作用的加强可以提高材料去除率，但作用力增至一定值之后，抛光后表层和亚表层损伤将逐渐加大；化学作用可以增加机械作用下的材料去除率，但抛光表面在化学反应作用下会产生表面损伤。通过调整机械参数如压力和速度等可以控制摩擦化学反应中的反应热，从而实现机械作用对摩擦扩散化学的控制，调控单晶硅片的超精密抛光中化学物质的使用，实现环保型绿色抛光。通过上述多种方法，工艺产品良率得到提升，实现合格抛光片的稳定产出。

参考文献

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[2]涂佃柳，刘晓斌.化学机械抛光中的颗粒技术[J].电子工业专用设备，2011，40（2）：60-69.endprint