化学机械抛光简介

秦圆圆 (国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心,江苏 苏州 215163)

1 化学机械抛光起源

化学抛光，表面完美性好，但是平行度、平整度、抛光一致性差；机械抛光一致性、材料表面平行度好，但是粗糙度较大；而化学机械抛光集化学抛光和机械抛光的优点，既能够获得较完美的表面，又可以得到较高的抛光速率，是能够实现全局平坦化的唯一方法。

化学机械抛光技术（CMP，化学机械平坦化，化学机械研磨），80年代末源于IBM公司，最早是由IBM在1991年在64Mb⁃DRAM的生产中获得成功的应用，从90年代开始进入量产，具有成本低、方法简单等优点，而且该方法能够使晶片表面真正的实现平坦化，并几乎可以用于对所有的表面材料进行加工，因此在工业界得到了广泛认可，世界各国和地区都对此项技术进行研究和开发，并且该行业呈现出了较强的竞争势头。

与传统的纯机械或纯化学的抛光方法不同，CMP技术是通过化学的和机械的组合物技术，通过两者技术相互结合避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤，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，将化学腐蚀和机械磨削作用达到一种平衡。化学机械抛光是在一定压力下及抛光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫做相对运动，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。

图1 化学机械抛光设备图

2 影响抛光效果的因素

2.1 抛光压力、流速、抛光盘转速、抛光头转速

抛光压力对抛光速率和抛光表面质量影响较大，是抛光工艺中的一个重要参数。一般而言，压力越大，抛光速率越大，也正是由于薄膜表面凹凸部位所受压力不同，导致了去除速率的差异，凸出的部位去除速率高，而低凹部位去除速率低，从而达到平整。但是高压抛光是产生表面缺陷（划伤、弹性形变、应力损伤）的主要来源。压力大时，磨料划过表面产生的划痕深造成表面划伤。摩擦力增大，产物大量的热量，层间抛光液又少，不能起到很好的润滑、散热作用，产生局部温度梯度，化学作用增强，抛光速率加大，更易产生桔皮等抛光缺陷。另外，压力大，抛光后氧化层表面活性大，更易吸附杂质等颗粒，使之难以清洗。同时，抛光转速增加，会引起抛光速率的增加，但是抛光转速过高时，将会导致抛光浆料在抛光垫上分布不均匀、化学反应速率降低和机械作用增强，从而影响抛光速率和质量。

2.2 抛光垫

化学机械抛光中抛光垫的主要作用是输送抛光液，传导压力和打磨发生化学反应的材料表面。抛光布的材料通常为聚氨酯或聚酯中加入饱和的聚氨酯。抛光布的各种性质严重影响到抛光晶片的表面质量和抛光的速率，主要有抛光布的纤维结构、孔的尺寸、抛光布的粘弹性、抛光布的硬度和厚度、耐化学系和反应性等。硬布有助于达到全局平面化，但是其质量传输能力不够，因此不能及时地将新鲜的浆料传输到抛光表面，也不能将废料及时地带走，这样就大大降低了对抛光表面的CMP作用和抛光的一致性，因而也就降低了抛光速率。软布的多孔结构和纤维绒毛能提高浆液的传输，但是因为步的刚性不够，很难达到抛光全局平面化。为了均衡全局平面化和一致性这两方面的要求，采用双层结构。顶部硬的表面提供好的全局平面化，底部弹性好，提供大范围的良好接触，保持好的一致性。

2.3 抛光液（组成：磨料、溶剂、添加剂等；制备方法：加料顺序等）

2.3.1 磨料类型、浓度、尺寸

磨料在化学机械抛光中的主要作用是将抛光对象表层的凸部去除，提高工件表面的平整度。半导体加工工艺中，SiO2、Al2O3、Ce2O3是最常用的磨料，其中Ce2O3磨料常用于玻璃抛光。由于氧化铈研磨颗粒表面具有对于氧化硅极强的活性的路易斯酸位置，可与其形成氧桥键结，特别适用于浅沟槽隔离制程，具有提高选择比的优点，可提供足够的研磨速率。磨料颗粒的硬度对去除速率有直接的影响，由于加大了机械作用，去除速率随磨料颗粒硬度的增加而增大。同时，磨料含量在一定范围时，能够提高抛光速率，但是磨料的含量过高时，容易导致抛光液流动性较差，造成管道堵塞，从而增加成本，同时对材料表面的抛光效果也较差。

半导体加工工艺中使用的绝大部分化学机械抛光磨料的平均颗粒尺寸在50-200nm之间，大颗粒的磨料会在晶片表面产生微小的擦痕，破坏产品质量，对化学机械抛光加工的效果有直接影响。

2.3.2 pH值

pH值影响被抛光表面和磨料材料的分解和溶解度、被抛表面膜的形成。抛光液中磨料的悬浮程度、即胶体的稳定度，也受到pH值的影响。研磨液的pH值是液体介质中酸碱度的表征，在CMP应用过程中，许多研磨液是按“缓冲”溶液配制的，稍加稀释或添加少量的酸或碱，其pH值的变化不大。由于化学机械抛光时主要以化学腐蚀作用为主，OH-会与硅原子发生反应，其反应速率直接会影响硅片的抛光速率，因此抛光液的pH值通常要求处在一个比较稳定的范围。同时，抛光液pH值的设定通常需要跟抛光压力、抛光温度、抛光材料等参数相匹配。

2.3.3 密度

对于研磨液而言，其密度与研磨液中磨料的含量相关。

2.3.4 粘度

粘度，又称动力粘度，是牛顿流体粘滞力的量度参数，是牛顿粘性定律中剪切力和法向速度梯度之间的比例常数。研磨液的粘度和温度有关，并且，粘度影响研磨液的传递特性，还是磨料分散体系中胶凝化的重要参数。

2.3.5 ζ电位

当颗粒与流体相接触时（例如研磨颗粒在研磨溶液中时），考虑一个表面带负电荷并均匀分布的颗粒，在该颗粒非常临近的区域包围着一层正电离子，随着与该颗粒距离的增加，正负离子的浓度逐渐减少，最终和流体主体相中的浓度相等。主体相中的离子和颗粒所吸引的离子间的电荷差异形成ζ电位。ζ电位可以用于预测和控制CMP研磨液中胶体分散的稳定性。ζ电位越大，研磨液的分散性就越好，因为带电的颗粒会排斥其他颗粒，从而避免彼此间的聚结。

3 结语

抛光压力、流速、抛光盘转速、抛光头转速、抛光垫通常为影响化学机械抛光的机械因素，而抛光液的组成为影响抛光效果的决定性因素，各大公司和研究所也通常着重于抛光液组成的研究，同时根据抛光对象的不同对抛光液的组成进行调整，以获得较好的抛光速率和抛光效果。

[1]刘玉玲等.超大规模集成电路衬底材料性能及加工测试技术工程.冶金工业出版社，2002.