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1、CMP(化学机械抛光)技术发展优势及应用CMP -化学机械抛光技术它利用了磨损中的“软磨硬”原理， 即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光。在一 定压力及抛光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫作相对 运动，借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间 的有机结合，在被研磨的工件表面形成光洁表面151. CMP 技术最广泛的应用是在集成电路(IC)和超大规模集成电路 中(ULSI)对基体材料硅晶片的抛光。而国际上普遍认为，器 件特征尺寸在035 5m以下时，必须进行全局平面化以保证 光刻影像传递的精确度和分辨率，而CMP是目前几乎唯一的 可以提供全局平面化的技术。其中化学机械抛光浆料是
2、关键 因素之一。抛光磨料的种类、物理化学性质、粒径大小、颗 粒分散度及稳定性等均与抛光效果紧密相关。此外，抛光垫 的属性(如材料、平整度等)也极大地影响了化学机械抛光的 效果随着半导体行业的发展，2003年，全球CMP抛光浆料 市场已发展至4.06亿美元但国际上CMP抛光浆料的制备基 本属于商业机密，不对外公布。1化学机械抛光作用机制CMP作用机理目前还没有完整的从微观角度的理沦解 释。但从宏观上来说，可以解释如下：将旋转的被抛光晶片 压在与其同方向旋转的弹性抛光垫上，而抛光浆料在晶片与 底板之间连续流动。上下盘高速反向运转，被抛光晶片表面 的反应产物被不断地剥离，新抛光浆料补充进来，反应产物
3、 随抛光浆料带走。新裸露的品片平面又发生化学反应，产物 再被剥离下来而循环往复，在衬底、磨粒和化学反应剂的联 合作用下，形成超精表面，要获得品质好的抛光片，必须使 抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。 如果化学腐蚀作用大于机械抛光作用，则会在抛光片表面产 生腐蚀坑、桔皮状波纹；反之，机械抛光作用大于化学腐蚀 作用则表面产生高损伤层.为了进一步了解CMP作用的本质，近年来国内外有很多 关于CMP作用微观机理的研究清华人学王亮亮、路新春的 研究表明:CMP中主要是低频、大波长的表面起伏被逐渐消 除，而小尺度上的粗糙度并未得到显著改善；当颗粒直径在 10=25 nm的范围时，粒径和粗
4、糙度不存在单调的增减关系; 桔皮的产生主要是抛光浆料中碱浓度过高所致。而北京交通 大学张朝辉等根据Lei提出的CMP作用中纳米流体薄膜理 论，提出化学机械抛光过程中，受载的粗糙峰和被抛光的品 片表面之间存在一纳米量级的薄流体膜，形成了纳米级薄膜 流动系统，指出对纳米级流动规律进行研究将有助r-了解化 学机械抛光的作用机理，其中，在极薄的膜厚情况下的温度 场分析是一项迫切任务。同时，陈杨的研究也表明了相似的 观点：材料的去除首先源于化学腐蚀作用。一方面，在抛光 过程中晶片表面局部接触点产生高温高压，从而导致一系列 复杂的摩擦化学反应；在抛光浆料中的碱性组分和纳米磨料 颗粒作用下，硅片表面形成腐蚀
5、软质层，从而有效地减弱磨 料对硅片基体的刻划作用，提高抛光效率和抛光表面质量。 另一方面，根据Pres ton公式：N RR二QWNV（其中，NRR为材 料去除率；QW为被抛光材料的密度;N为抛光有效磨料数;V为 单个磨料所去除材料的体积，包括被去除的硅丛体的体积V, 和软质层的体积V2），软质层的形成导致v增大（即化学腐蚀 作用可促进机械磨削作用），VI减小，从而有利于减小切削 深度、增强塑性磨削和提高抛光表面质量。因此，在抛光浆 料质量浓度相同的条件下，采用纳米磨料抛光不仅有利于减 小切削深度、提高抛光表面质量，同时由于有效磨料数N的 急剧增大，还有利于提高抛光效率。应该指出的是，软质层
6、的厚度同抛光条件有关，就纳米级磨料而言，相应的软质层 的厚度一般处于几纳米至十几纳米之间：而由于CMP是机械 去除和化学去除相互作用的过程，因此难以通过静态化学腐 蚀测最软质层的硬度。忽略抛光垫和其它一些因素的影响， 抛光浆料的流动特性对CMP的行为有很大的影响。一般抛光 浆料磨粒为圆形的纳米级粒子，利用微极性流体可以模拟粒 子的微旋运动对抛光性能的影响。张朝辉研究的模拟结果表 明微极性将增加承载能力，从而有利于提高抛光速率。这一 特性在低节距或低转速下更为显著，体现出尺寸依赖性。2化学机械抛光浆料抛光浆料的成分主要由三部分组成：腐蚀介质、成膜剂 和助剂、纳米磨料粒子。抛光浆料要满足抛光速率快
7、、抛光 均一性好及抛后易清洗等要求磨料粒子的硬度也不宜太 高，以保证对膜层表面的机械损害比较轻。按pH值分类，抛光浆料主要分为两类:酸性抛光浆料和 碱性抛光浆料。一般酸性抛光浆料都包含氧化剂、助氧化剂、 抗蚀剂（又叫成膜剂）、均蚀剂、pH调制剂和磨料。氧化剂起 在被抛光物件表面发生氧化腐蚀作用，然后通过机械作用去 除表面凸起部分，使物件表面平整：另外，氧化剂还能氧化 基体表面形成一层氧化膜从而提高选择性。助氧化剂起到提 高氧化速率的作用。均蚀剂可使腐蚀均匀，从而使表面光滑 细腻;抗蚀剂的作用是在被抛光物件表面与被腐蚀基体形成 一层联结膜，从而阻止腐蚀的进彳丁以提高选择性。而碱性抛 光浆料中一般
8、包含络合剂、氧化剂、分散剂、pH调制剂和磨 料。因为碱性抛光浆料仅在强碱中才有很宽的腐蚀领域，而 且磨料易造成划伤，所以应用远不如酸性抛光浆料广泛。对 于不同的腐蚀基体要选择不同的络合剂：分散剂一般为大分 子量非离子有机分散剂，其作用是保证浆料中的磨料不发生 絮凝和沉降现象，并使磨料的勤度保持尽可能低，具有良好 的流动性。下面主要介绍目前使用最为广泛的几种抛光浆 料。2.1 CeO2抛光浆料稀土氧化物CeO2具有很好的抛光性能，其特点是抛光 速率高，对材料的去除率高，被抛光表面粗糙度和表面微观 波纹度较小，颗粒硬度低，对被抛光表面损伤较弱；其缺点 是勃度大，易划伤且高低选择性不好，沉淀在介质膜
9、_L吸附 严重，为后续清洗带来困难.CeO2抛光浆料广泛应用于玻璃 精密抛光、超大规模集成电路Sio2介质层抛光和单晶硅片 抛光等，而现在国内外有很多研究也致力于CeO2抛光浆料 对半导体衬底材料（如GaAs晶片）的抛光。首先纳米CeO2粒子通过化学吸附与抛光表面上的Sio2 之间形成Ce-O-Si键，CeO2粒子将表面部分Sio2撕裂下来, 进入溶液中；经过扩散,Sio2粒子又从CeO2粒子的表面脱落。 Ce-O-Si键的形成与S-O-Si键的断裂影响着抛光速率化学 吸附作用和机械撕裂作用同时影响着Si-O-Si键的断裂。CeO2抛光浆料区别于传统抛光活性强的抛光浆料都是 强酸，它在碱性抛光
10、环境下是两性的，能同时吸附阳离子和 阴离子，故有更好的抛光性能。乡屯度、硬度、粒度、粒度 分布、悬浮性、表面电性、表面活性和密度等都是影响其抛 光性能的主要因素.粒度大的适合高速抛光，粒度小的适用 于低速抛光圈.具有高抛光性能的纳米CeO2目前的合成方法主要有:液 相反应法、固相反应法、机械化学法。液相反应法包括：溶 胶一凝胶法、液相沉淀法、电化学法、水热法、微乳液法、 喷雾热分解法等。张鹏珍等采用溶胶一凝胶法制备了平均晶 粒度在13.3 nm且粒度分布均匀的纳米CeO2粉体，经此CeO2 抛光浆料抛光后的玻璃幕片表面粗糙度(Ra)可降到0.6nm左 右，显示了良好的抛光性能。Ming等(2a
11、)也采用此法在常压 下制备纳米CeO2,原料为硝酸饰钱、尿素和去离子水，通过 加热得到的CeO2粒径为8 nm，具有立方体结构。电化学法 制得的CeO2优点是粒子粒度很小，分散性也较好，工艺也 相对简单，但是产率较低。水热法的优点是不需要进行高温 灼烧处理，避免了硬团聚。Verdon等在耐熔的合金容器中， 于1.5 MPa和500%条件下进行水热合成制得的纳米CeO2晶 型较好。BondioliF等利用固相反应在得到的CeO2产物尺寸 为10-20 nm，且具有较好的尺寸分布有研究表明，用机械 化学法也能制成粒度在10-20nm的纳米CeO2. Rajendran(291通过一种新的方法研究了
12、 CeO2抛光Si仇过 程，发现CeO2的机械作用能加速其与Siq还原的化学反应, 并且在抛光过程中存在Cc 3+与Ce0+两种价态。2.2 Si02抛光浆料Si仇抛光料的优点是选择性和分散性好，机械磨损性能 较好，化学性质较活泼，后清洗过程废液处理较容易，其缺 点是硬度较高，易在被抛光物体表面造成不平整，且在抛光 浆料中易产生凝胶现象，对抛光速度的再现性有不良影响， 同时会使被抛光物体表面产生刮伤。SiO2抛光浆料的pH 值、磨料粒径(50-200 nm)与分散度、浓度等都对其抛光效 果有很大的影响。Si02抛光浆料用于硅片的抛光、层间介电 层OLD)的抛光、妮酸钾晶片的抛光、硬盘基片的抛光
13、等。Siq 抛光料的制备方法国内外有很多研究，从总体来说主要是分 散法与凝聚法:分散法是通过机械搅拌将纳米Si仇粉末直接 分散到水中来制备Si02浆料的。用分散法制备Si02浆料主 要包括以下3个过程:纳米Si02颖粒在液体中润湿:团 聚体在机械搅拌力作用下被打开成独立的原生粒子或较小 的团聚体；将原生粒子或较小的团聚体稳定住，阻止再发 生团聚。采用分散法制备出的Si仇浆料浓度高、颗粒均匀、 分散性好、纯度高、黏度较小，但受粉体本身性能的影响特 别严重。凝聚法是利用水溶液中化学反应所生成的SiO2通 过成核、生长，采用各种方法脱除其中杂质离子得到纳米 Sio2水分散体系的一种方法，该法制得的S
14、io2浆料颖粒粒 径均一，形状规整，纯度与浓度也较高王占银以SiO2作为 抛光浆料，分析了影响妮酸铿晶片抛光效果的因素，通过优 化工艺参数，使妮酸锉的表面粗糙度凡达到0. 387 nmo雷红 制备了 Sio2抛光浆料用来抛光镍磷敷镀的硬盘基片，表面 形貌仪测得抛光后基片的表面粗糙度和波纹度分别为0052 nm和0.063 nm,且基片表面无凹坑、电蚀等缺陷。另有研究 表明301当Si02抛光浆料pH-9时，在抛光浆料中加入适 量的活性剂和鳌合剂，能消除Si02凝胶现象，得到较好的 抛光结果。目前，对影响Si02抛光浆料抛光效果高抛光 速率、低表面损伤、高表面平整度、易清洗等）的各种因素（抛 光
15、浆料粒度、pH值、温度、抛光浆料流速等）的研究己比较 成熟.2.3 A1203抛光浆料1998年日本COSMOS公司首次开发了纳米级别的超细 A1203微粉作磨料的纳米级抛光剂，从而Al2o3抛光浆料广 泛应用于CMP领域，以纳米Y-AI203为研磨粒子的浆料可用 于集成电路生产过程中层间钨、铝、铜等金属薄膜的平坦化 及高级光学玻璃、石英品体和各种宝石的抛光等.A12o3场抛 光浆料因具有选择性低、分散稳定性不好、易团聚等缺点， 往往在几分钟内就会出现沉淀，颗粒变粗，所以在抛光中表 面划伤严重，损伤层深，所以通常A1203抛光浆料要混合有 机添加物一起使用并控制好工艺条件以达到良好的抛光效 果
16、。宋晓岚等的研究表明，在y-A12伪固含量为6%的浆料中, 加入异丙醉胺分散剂的用量为-y-A1203粉体质量的1%，同 时控制浆料的pH值约为4,此时纳米y-A12场粉末的润湿性 能最佳，浆料Zeta电位值较高，勃度较小，在该条件下可 成功获得长时间不沉降的稳定浆料。卢海参采用丙烯酞氯对 超细氧化铝进行表面改性，有效提高了氧化铝抛光浆料的分 散性，进一步的研究表明材料去除速率随压力或下盘转速先 增大后减小，随抛光时的延长，材料去除速率初期较人，后 期变化趋于平缓。具有良好的抗静电性和可擦性的A1203抛 光浆料在国内已经研制出来，应用于磁性材料的精密抛光加 工中。有研究表明，通过A1203外层包覆Si02形成壳一核性 结构粒子抛光浆料抛光能很好地提高抛光性能，减低表面损 伤和粗糙度，其机理可能为壳一核结构的缓冲效应和粒子之 间的解聚作用。3化学机械抛光技术发展趋势随着计算机、通信及网络技术的高速发展，对作为其基 础的集成电路的性能要求愈来愈高。集成电路芯片增大而单 晶体管元件减小及多
