超薄不锈钢基板化学机械抛光运动机理分析*

杨向东，魏 昕，谢小柱，胡 伟

（广东工业大学机电工程学院，广州 510006）

超薄不锈钢基板化学机械抛光运动机理分析*

杨向东，魏 昕，谢小柱，胡 伟

（广东工业大学机电工程学院，广州 510006）

从运动学角度出发，根据超薄不锈钢基板与抛光垫化学机械抛光过程中的运动关系，通过分析磨粒在不锈钢基板表面的运动轨迹，揭示了抛光垫和不锈钢基板的转速和转向等参数对超薄不锈钢基板表面材料去除率和非均匀性的影响。分析结果表明：超薄不锈钢基板与抛光垫转速近似相等、转向相同时可获得最佳的材料去除率及材料去除非均匀性。研究结果为CMP机床设计、CMP运动参数的自动控制和进一步理解CMP的材料去除机理提供了技术和理论依据。

超薄不锈钢基板；化学机械抛光；材料去除机理；材料去除率；非均匀性

0 引言

柔性显示器基板主要有薄玻璃、超薄不锈钢和有机树脂三种材料。相对于其它两种材料，超薄不锈钢基板因为具备高温制程、阻水阻氧功能、机械强度高、R2R制程、热膨胀系数小等特点，成为目前柔性显示器产品中广泛选用的基板材料［1］。化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，简称CMP）在半导体制造行业中是实现表面超精加工、全局平坦化的主流技术［2-3］。使用CMP技术可以满足超薄不锈钢基板厚度较小（＜0.1mm）、表面粗糙度要求极高（Ra＜5nm）、表面平坦度Wa≤2μm的加工要求［4］。尽管CMP被认为是全局平坦化、超精密无损伤表面加工的最有效方法，但CMP运动机理、CMP过程参数对超薄不锈钢表面材料去除机理及无缺陷平坦化加工等研究方面的许多问题还没有完全研究清楚。

目前，在半导体工业中CMP材料去除机理的研究很多。1927年，Preston［5］关于玻璃抛光实验的材料去除率MRR（Material Removal Rate）模型的研究，被广泛应用于后继研究。Luo［6］等人通过铜化学机械抛光实验对Preston公式进行了修正。Zhao［7］等人根据接触力学和磨损原理建立了硅片CMP材料去除率的模型。Luo［8］等人根据弹塑性接触力学和统计学理论建立了晶片-磨粒-抛光垫之间的接触模型，认为三体之间的接触为塑性变形，并研究了磨粒尺寸对材料去除率的影响。蒋建忠［9］以表面分子/原子氧化去除动态平衡原理为基础，提出了一种综合化学机械作用的CMP单分子层材料吸附去除机理模型。在此基础上，陈晓春［10］基于纳米划痕实验，通过研究单晶硅CMP过程的抛光速度、划痕长度等因素得出其材料去除率模型及其相互之间关系。上述研究取得了较好的成果，但还存在一定的缺陷，尤其不能全面解释超薄不锈钢基板作为塑性材料的CMP过程材料去除机理。为此本文根据抛光机运动关系，通过对磨粒在不锈钢基板表面上的轨迹长度及磨粒轨迹分布非均匀性的研究，分析了CMP抛光机运动参数对超薄不锈钢基板表面材料去除率及材料去除非均匀性的影响，从而为进一步揭示超薄不锈钢基板CMP机理提供技术和理论依据。

1 超薄不锈钢基板CMP运动学模型建立

适合于超薄不锈钢基板CMP加工的机械系统由抛光头、承载抛光垫的抛光盘，以及自动供液系统组成。抛光头可以给不锈钢板基板施加向下的压力以及使工件旋转的转矩，同时抛光盘也带动抛光垫旋转［11］。在抛光的同时，自动供液系统以一定的流量向抛光垫供给抛光液，不锈钢基板表面材料在化学与机械共同作用下逐渐被去除。

超薄不锈钢基板CMP过程中，抛光垫多为软质、多孔、粘弹性高分子聚合物，其一般粘贴于抛光盘上随抛光盘一起运动。抛光液中的大部分纳米级游离磨粒在法向压力作用下会嵌入到抛光垫粗糙峰中，并会跟随抛光垫一起运动，对超薄不锈钢工件产生机械材料去除作用。如图1示。其中，δw为单个磨粒法向压入基板深度，δp为单个磨粒嵌入抛光垫的法向深度。D为单个磨粒的直径。

图1 磨粒、超薄不锈钢基板与抛光垫间机械作用原理图

图2 不锈钢基板与抛光盘的运动关系图

1.1 抛光盘上任一磨粒位置

为了便于研究，假设在超薄不锈钢基板化学机械抛光运动过程中，工件盘的表面均覆盖磨粒且在此过程中磨粒滚动受抛光液的影响较小，游离磨粒在抛光运动过程中仅沿初始位置半径所确定圆周方向运动，从而得出超薄不锈钢基板与抛光盘同向旋转时的运动关系图如图2所示。

其中，X1O1Y1是以抛光盘中心O1为原点的坐标系。X2O2Y2是以工件盘抛光头中心O2为原点的坐标系。设Ri为工件上任一磨粒Pi相对于抛光盘中心0的距离。r为工件盘的半径（mm），e为抛光头的偏心距（mm），ωp为抛光盘的角速度（rad/s），ωss为不锈钢工件的角速度（rad/s）。

设工件盘圆周上磨粒Pi起始角为θ0，则可得出；

则该磨粒任一位置随着抛光垫运动的方程为；

将坐标系X1O1Y1平移到固定坐标系X2O2Y2中，则可得到；

将原来的坐标乘以一个顺时针转动的矩阵得出抛光盘上的任一磨粒Pi相对于工件的运动轨迹坐标为；

1.2 抛光盘上任一磨粒任意时刻速度

超薄不锈钢基板CMP过程是通过抛光液的腐蚀使其表面产生氧化物层，然后通过磨粒的耕犁及划擦使其达到材料去除的目的。抛光盘上任一磨粒的速度将会对整个基板的MRR产生影响，其加速度的大小和方向将会影响其MRR去除的效率及非均匀性。对式4进行求导，就能够得到任一磨粒在某时刻与工件在X方向和Y方向上的相对速度，如式5所示；

磨粒在某一时刻的速度就可由X方向和Y方向上的分速度合成求出合速度的大小。如式6所示。其合速度Vi方向的大小θi可由Vxi及Vyi求出。

1.3 抛光运动轨迹任一拱的曲线弧长

由式4可知，抛光盘上任一磨粒的抛光运动为短幅内摆线。抛光运动的每一个周期所形成的轨迹曲线-拱的长度定义为一拱弧长。为了获得较好的加工表面，对于轨迹曲线一拱弧长应尽可能短［12］。设任一磨粒抛光运动周期内的弧长为S，则；

其中，t为抛光运动结束的时间。

单位时间内单颗磨粒划痕弧长长度越长，参与抛光的磨粒数量越多，则MRR越大，磨粒在不锈钢基板表面上的轨迹分布越均匀，则不锈钢基板表面材料去除非均匀性就越小。

2 磨粒运动轨迹分析

2.1 单个磨粒的运动轨迹分析

根据课题组现有超薄不锈钢基板抛光设备ZYP-200实际，选取抛光盘直径为200mm、不锈钢基板直径为80mm进行仿真研究。设偏心距e为60mm，磨粒离抛光盘旋转中心的半径Ri为50mm，同时改变抛光盘转速np和抛光头转速nss使抛光盘与抛光头旋转得到的单个磨粒的运动轨迹如图3所示。

2.1.1 不锈钢基板与抛光垫转向与磨粒轨迹长度的关系

由图3可以明显看出，抛光盘转速np、不锈钢基板nss转向相同时磨粒划过工件的轨迹长度明显大于转向相反及抛光头不转时的磨粒轨迹长度。

图3 不同转速比、不周转向下单个磨粒运动轨迹

2.1.2 转速比对单颗磨粒在不锈钢基板表面的轨迹长度的影响

2.1.3 转速对材料去除率的影响

当np固定不变时，因抛光头位置固定，不影响磨粒的速度，因而nss不影响单位时间内通过不锈钢基板的磨粒数量，但会对其轨迹产生影响。不论np、nss正负如何，np不变，nss增大时，均使磨粒通过不锈钢基板轨迹增大，从而导致基板材料去除率增加。

np、nss均为正时，若nss不变，磨粒在不锈钢基板上的长度随着np的增加而减小，而且单位时间内通过不锈钢基板上的磨粒数量增加，从而使材料去除率增大。

np为正，nss为负时，若nss不变，增加np，存在一临界值时，磨粒在不锈钢钢基板上的轨迹长度缓慢增加，从而使材料去除率增大；λ＜时，磨粒在不锈钢钢基板上的轨迹长度逐渐减小，单位时间内通过不锈钢基板的磨粒数增加，但对材料去除率的影响要综合考虑单位时间内轨迹长度及磨粒数的效果。

图4 磨粒在不锈钢基板表面的轨迹长度示意图

2.1.4 相同转速比下，不同np、nss对磨粒轨迹长度的影响

若抛光盘与抛光头转速比相同，不同np、nss时磨粒在不锈钢基板上的轨迹长度相同，但其单位时间内的轨迹长度随np、nss的增加而增长。如图5及图6所示。

图5 λ=1时，np/nss=60/60，t=0.5s时磨粒运动轨迹

图6 λ=1时，np/nss=120/120，t=0.5s时磨粒运动轨迹

2.2 多颗磨粒运动轨迹分析

由式4可知，多颗磨粒的排布为Ri从（e-40）mm到（e+40）mm以ΔRi=1mm为增量进行仿真，则不同的转速比λ下的磨粒运动轨迹如下所示；当np、nss均为正时，随着λ改变，多颗磨粒的轨迹图如图7所示。当np为正，nss为负时，随着λ改变，多颗磨粒的轨迹图如图8所示。

2.2.1 np、nss大小对磨粒轨迹分布均匀性影响

λ＞1时（如图7a），随着λ的不断减少，磨粒的轨迹总长逐渐增大，轨迹曲率半径不断减少，磨粒轨迹的重叠区域不断从边缘向中心扩大，即随着转速比λ的减少磨粒轨迹分布的非均匀性在逐渐变大。

2.2.2 np、nss方向对磨粒轨迹分布均匀性影响

λ=1时（如图7b），np、nss为正向旋转时，磨粒的轨迹分布均匀性良好。当λ=2时（如图8a），np为正、nss为负时，磨粒轨迹开始出现重叠即非均匀现象。在λ=0.5时np、nss正向旋转时（如图7c）较np、nss反向旋转时（如图8c）的磨粒重复轨迹小。可见，在同等工艺条件下，不锈钢基板与抛光垫同向旋转时基板表面的磨粒轨迹分布均匀性优于反向旋转时的磨粒轨迹分布均匀性。

图7 抛光盘与抛光头转向相同时的多颗磨粒轨迹图

图8 抛光盘与抛光头转向相反时的多颗磨粒轨迹图

2.3 任意磨粒运动轨迹速度分析

由方程5、6、7可知任意时刻抛光垫上磨粒相对不锈钢基板的运动轨迹速度大小与方向。

np、nss为同向旋转时，nss保持不变时，任意磨粒在不锈钢基板上的运动轨迹速度均随np的增加而增加，且在np=nss时，任意磨粒在不锈钢基板上的运动轨迹上的最大速度与最小速度差为0，此时速度均匀性较好，从而可知磨粒在不锈钢基板上的运动轨迹较均匀，如图7b所示。np、nss为反向旋转时，保持nss不变，任意磨粒在不锈钢基板上的运动轨迹上的最大速度与最小速度随着光抛光垫转速np的增加而增加，且二者差值逐渐减小，当λ＞1.5时，二者速度差趋向于定值，且此值比np、nss同向旋转时要大，从而导致任意磨粒在不锈钢基板上的运动轨迹均匀性较抛光垫与不锈钢基板同向旋转时差。

对于CMP设备而言，通过改变抛光垫上磨粒的速度大小和方向可以改变磨粒运动轨迹。

3 结论

经过上述分析，可以得出如下结论；

（1）根据不锈钢基板CMP加工材料去除率及材料去除非均匀性，np、nss应该选取转向相同且数值近似相等。

（2）np对不锈钢基板材料去除率及材料去除非均匀性的影响要综合考虑抛光垫上磨粒相对不锈钢基板运动轨迹的变化及单位时间内通过不锈钢基板磨粒的数量，nss只影响磨粒通过不锈钢基板上的轨迹长度。

（3）由于CMP技术目前还处于“黑箱”阶段，对不锈钢基板CMP运动机理的分析有助于进一步了解其材料去除机理，并对利用计算机自动控制其工艺参数技术及CMP机床设计理论提供有益参考。

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（编辑 李秀敏）

An Analysis of Kinematic Mechanism on Ultra-thin Stainless Steel Substrate in Chemical Mechanical Polishing

YANG Xiang-dong，WEIXin，XIE Xiao-zhu，HUWei
（Faculty of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

；In this paper the kinematic relationships between ultra-thin stainless steel substrate with the polishing pad in the chemical mechanical polishing process are calculated.The parameters of the rotational speed of the polishing pad and the stainless steel substrate′s impact to the ultra-thin stainless steel surface′s material removal rate and non-uniformity are revealed by analyzing the abrasive grains in the surface of the stainless steel substrate trajectory.The analysis results show that；when the ultra-thin stainless steel substrate and the polishing pad speed are approximately equal and its steering directions are the same can get the best material material removal rate and materical removal uniformity.The analytical results provide technical and theoretical guide to design the CMP equipments，the automatic control of kinematic parameters in CMP and further understanding of the material removal mechanism of ultra-thin stainless steel substrate in CMP.

；ultra-thin stainless steel substrate；chemical mechanical polishing；material removal mechanism；material removal rate；nonuniformity

TH122；TG506

A

1001-2265（2015）05-0027-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.008

2015-01-14；

2015-02-15

国家自然科学基金项目（51175092）；教育部高校博士学科专项科研基金项目（20104420110002）；广东省自然科学基金项目（10151009001000036）

杨向东（1980—），男，河南邓州人，广东工业大学博士研究生，研究方向为超精密加工技术，（E-mial）gzyangxd@163.com。