蓝宝石衬底CMP中温度控制对速率的影响

牛新环，黄雅欢，王嘉欣，王建超

（河北工业大学 电子信息工程学院，天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300130）

0 引言

随蓝宝石衬底材料需求量的日益增加及表面质量要求的日益提高，对蓝宝石CMP机理及技术的研究就尤为重要.近几年来，以提高蓝宝石衬底材料的CMP质量为目的的研究已成为世界科技界研究的热点之一[1-4].

Kim H J[5]和H L等[6]研究了化学机械抛光中摩擦力和热现象对去除速率的作用机理.前者分析了去除速率随温度变化的关系，指出温度主要通过化学作用影响去除速率，材料去除速率在抛光过程中是不断变化的.后者发现了蓝宝石表面在化学反应中会生成反应层，抛光正压力决定摩擦力.

牛新环[7]和刘玉岭等[8]研究了温度对蓝宝石CMP粗糙度和去除速率的影响.结果表明，抛光温度升高时，去除速率相应提高，质量传递和温度是正相关的关系.

本文研究在蓝宝石CMP过程前期温度变化对抛光结果的影响，探索温度上升过程与去除速率和速率均匀性的关系.

1 作用机理

对蓝宝石衬底抛光时，利用抛光液中的化学物质与衬底片发生化学反应，在抛光片表面生成硬度比基体小的水合层，基体材料及其水合物与碱反应生成可溶的AlO2，同时利用机械力作用于抛光片表面，去除反应产物，达到抛光效果.在蓝宝石抛光过程中有如下反应[9].

影响蓝宝石衬底最终抛光质量的因素很多，如抛光温度、压力、相对转速、抛光液的化学成分、pH值、磨料颗粒尺寸、抛光液供给速度等等，由于蓝宝石衬底抛光过程中是以化学作用为主要过程，所以温度变化对抛光效果影响尤为重要.

2 实验

实验采用2英寸的蓝宝石晶片，晶向c[0001].抛光液为河北工业大学微电子研究所研制的碱性蓝宝石抛光液，pH值10.82，粒径63.1 nm，并加入适当表面活性剂和助剂.实验设备为X62815-1型单面抛光机，抛光垫为天津海伦晶片科技有限公司生产的CP-P830PAD，粗糙度检测采用Agilent5600LSAFM，厚度测量采用HEIDENHAIN ND280厚度测试仪.

工艺采用先轻抛、后重抛、再水抛的方法，压力设定轻抛时为0 MPa，时间1.5m in，重抛时为0.1MPa，转速60RPM，流量70～80m L/m in，时间60m in.每个抛光盘上有8个晶片.

抛光过程中温度是影响化学反应速率的主要因素之一，为确定实验后期抛光稳定时的温度范围，根据范特霍夫规则：K+10K/K 2～4，估算出相对于起始温度，抛光过程温度每提高10K，抛光速率提高2到4倍，结合实验经验，选取抛光过程中温度升高至35℃为稳定状态，并设温度升高至35℃的时间长度为控制变量，前期通过短时间内减小抛光液流量提高抛光温度，之后通过吹风冷却使抛光温度维持在35～38℃，设定6组实验，变量取值分别为10m in、15m in、20m in、25m in、30m in、35m in，如表1所示.

表1 抛光温度上升至35℃所需时间Tab.1 Time of polishing temperature up to 35℃

3 结果分析

图1为抛光速率随着设定时间变化的关系.在设定时间为10 m in时，测得抛光速率为5.03 m/h，在设定时间为35min时，抛光速率为1.94 m/h.在考虑温度与反应速率的关系时，最常用的是Arrhenius方程:

式中： 是反应速率； 是一个与反应物分子相互碰撞有关的常数； 是与材料性质相关的常数； 是绝对温度； 是反应的活化能.

可以看出，式(5)中反应速率与温度成指数关系，温度的上升会加快反应速率.在蓝宝石晶片抛光过程中，前期采用小流量快启动的方式，通过减少抛光液流量，增大抛光过程中晶片与抛光垫间的摩擦力，增大摩擦生热，尽早的使温度提升到一个较高水平，可以提高蓝宝石的有效抛光时间，增加抛光速率.同时由于抛光后期减少温度波动，避免了过高温度出现，抛光蜡的稳定性得到提升，减少了晶片松动导致的抛光不均匀和碎片现象.

图2为片内非均匀性随设定时间变化的规律.

图1 升温时间与去除速率的关系Fig.1 Effectof temperature rising timeon remol rate

图2 升温时间与速率均匀性的关系Fig.2 Effectof temperature rising timeon removl rateun-uniform ity

片内非均匀性的计算公式[10]：

式中： 为 去除速率非均匀性； 为各测试点去除速率均方根，为各测试点去除速率的均值，

由图2可知，在设定时间为10m in时，速率非均匀性为8.06%，在设定时间为15m in时，速率非均匀性为4.73%，在设定时间为35 m in时，速率非均匀性为22.01%，可以看出，当温度上升时间过长时，速率非均匀性值较大，随着温度上升时间减小，速率非均匀性减小，当温度上升过快时，速率非均匀性变大.

将式 (5)取对数得

微分式

将式 (8)从1到2积分

活化能 在实验温度范围内可视为常数，从式 (9)中可以看出，在 较小时比在 较大时提升相同的温度，对反应速率变化率影响更大，对抛光过程来说，晶圆抛光速率的快速变化，会导致晶片各处抛光速率不均匀现象加重，热量传递受影响.

在温度上升过程中，由于热量传递不均衡，不同位置处温度不同，温度高的地方抛光速率快，温度低的地方抛光速率慢，温度差存在的时间越久，抛光厚度差越大，抛光速率非均匀性值越大.当温度维持在一较高范围时，温度变化小，各处温度差值小，抛光速率非均匀性值较小.

图3为设定时间为15m in时抛光前后蓝宝石衬底表面粗糙度的原子力显微镜图像，从图中可以看出，抛光后蓝宝石表面无划痕，粗糙度为0.174 nm.

图3 蓝宝石衬底抛光前后粗糙度测试结果Fig.3 Sapphire surface roughnesspre-CMPand post-CMP

4 结论

综上所述，在蓝宝石抛光过程中，抛光前期应该采取小流量快速启动的方式，在短时间内提高抛光温度，减少低温区抛光时间，在温度达到35～38℃左右时，保持温度，可以得到较高的去除速率和较好的去除速率均匀性.在工作压力为0.1MPa，转速60 r/m in，流量70～80m L/m in时，抛光开始15min后使温度提升到35℃，抛光速率为4.07 m/h，片内速率非均匀性为4.73%，粗糙度为0.174nm，满足工业生产要求.

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