CMP(化学机械抛光)技术发展优势及应用.doc

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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0.355m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^-25nm的范围时，粒径和粗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Preston公式:NRR=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)，V1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、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