化学机械抛光纳米颗粒运动观测实验台设计

3.0 闻远设计 2022-11-17 104 4 222.55KB 9 页 50光币

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第一章绪论

1.1 本课题的研究背景

半导体产业目前是现代电子工业的核心，化学机械抛光（CMP）被广泛用

作半导体制造的重要工具，目前 CMP 能够在地区乃至全球能提供卓越的集成电

路（Integrated Circuit ,IC）晶片并且 CMP 是集成电路晶圆全局平坦化的超精密

表面加工工艺的唯一技术。然而因为底层材料的去除原理既涉及化学又力学的

影响导致 CMP 是一个复杂的过程，直到今天也没有被完全的理解。在众多的可

影响抛光率和表面质量的变量中，在悬浮液中的粒子在 CMP 中起到的影响最大。

在CMP 中描述粒子的运动能帮我们更好地理解 CMP 的基本原理。为了研究

CMP 中粒子的运动状态我们尝试给予观察粒子的实时观测实验台一个水平的旋

转的速度使 CMP 悬浮液中的荧光粒子开始运动从而可以在显微镜下观察到荧光

粒子的运动状态。

为了有效的观察纳米级的荧光粒子的运动状态我们需要借助荧光显微镜来

进行观察，例如雷均荧光显微镜实验中采用的奥林巴斯公司的 BX51 荧光显微

镜以及电子倍增 CCD（Electron-Mulitiplying CCD，EMCCD）组成一个光学系

统，本实验中显微镜配有 10 倍放大物镜和 0.25 的孔径提供了 800*800μm 的视

野。[1 雷均荧光显微镜]

现如今对于 CMP 的基本原理的研究目前主要有两种典型的接触模型：

（1）水动力接触模型（2）固-固接触模型。水动力接触模型中晶片和抛光垫片

直接由液体薄膜分开，大部分的材料去除是依靠悬浮液中的粒子与晶圆之间的

碰撞而形成的，有一些实验结果表明悬浮液中的粒子的运动速度、与晶圆之间

的冲击角度以及撞击对晶圆的表面的影响也不同。另外，在固 -固接触的模型中，

晶圆与抛光垫片没有液体薄膜相隔而是直接接触，悬浮液中的粒子直接卷入到

晶圆与抛光垫片之间或漂浮在悬浮液中，直接卷入到晶圆与抛光垫片之间的粒

子与仍漂浮在悬浮液中的粒子的比例会明显的影响晶圆与抛光垫片之间的相互

作用的结果。因此目前被广泛接受的是固-固接触模型的材料取出基本原理，也

就是说材料的去处主要是因为晶圆与抛光垫片的接触面之间的摩擦。

1.2 化学机械抛光简介

化学机械抛光，又叫化学机械研磨是目前唯一可以实现表面全局平坦化的

半导体加工技术。化学机械抛光是一个移除制程它结合了化学反应与机械研磨

以达到目的。晶圆的制造中随着制程技术的升级、导线与栅极尺寸的缩小光刻

技术对晶圆表面的平坦度要求越来越高因此化学机械抛光技术得到了快速发展

并被广泛应用于半导体制造业。化学机械抛光根据对象的不同主要分为以下几

类：硅研磨（Poly CMP）、硅氧化物研磨（Silicon oxide CMP）、碳化硅研磨

（Silicon carbide CMP）、钨研磨（W CMP）和铜研磨（Cu CMP）

化学机械研磨的耗材有以下几大类：研磨液（Slurry）、研磨垫（Pad）、

金刚石盘（Disk）、研磨头（Head）、清洗刷（Brush）和化学清洗剂与保护剂

（Chemical）等。

区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法，化学机械抛光是化学与机械综

合作用，避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤以及单纯化学抛光造成的效率

低、抛光一致性差等缺点。另外化学机械抛光可以使晶圆平潭话并且从表面消

除晶圆锯切步骤所引起的表面缺陷。

1.2.1 化学机械抛光的原理

化学机械抛光的原理是将晶圆放置在一个表面承载抛光垫的旋转工作台上，

同时将晶圆浸在含有悬浮磨粒、氧化剂、活化剂的酸性或碱性腐蚀溶液中，晶

圆相对于抛光垫运动摩擦，在化学刻蚀与机械摩擦两种材料移除机制的共同作

用下实现了晶圆平坦化。

化学机械抛光设备一般是由以下几个部分组成：抛光晶圆表面的品台、放

置待磨晶圆的晶圆载具，由于化学机械抛光中材料的去除量通常是微米级的，

因此在化学机械抛光的过程中材料去处理较小，因此晶圆的载具的吸附力强度

要求并不高但是要求有较高的平整度，为了应对这种需求目前在化学机械抛光

中晶圆载具的吸附力一般是由石蜡粘结、水的表面张力、多孔陶瓷是真空吸盘、

静电吸盘和薄膜式真空吸盘等方法提供。目前最为广泛应用的是利用真空吸盘

提供晶圆载具对晶圆的吸附力，这是一种利用真空负压来“吸附”工件以达到

固定晶圆的目的，在化学机械抛光进行的同时为了防止晶圆与吸盘之间产生相

对运动吸盘上还会加装的保持环。

在晶圆吸附在晶圆载具上后将载具压在放置了研磨垫的实验台上开始化学

机械抛光制程。在化学机械抛光进行的过程中所需要的研磨液由一条管道输送

到研磨系统中，不断地滴在研磨垫上帮助研磨。优质的研磨液应具有以下优点：

对设备及公建有极好的防锈性、低泡沫倾向，易于清洗、透明度高，有利于监

察工件的表面加工状态、使用寿命长，符合环保要求减少浪费提高生产效率、

对操作工人皮肤无伤害以及对机台油漆无影响且具有保护作用。

以最为普遍的二氧化硅胶体抛光为例，在抛光过程中将二氧化硅胶体浸入

由极细的二氧化硅粉、氢氧化钠和水配置成的胶体抛光液中氢氧化钠与位于表

面的硅发生反应生成硅酸钠，通过二氧化硅胶体的磨削，硅酸钠进入抛光液中，

两个过程不停顿地同时进行从而达到抛光的目的。

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摘要：

第一章绪论1.1本课题的研究背景半导体产业目前是现代电子工业的核心，化学机械抛光（CMP）被广泛用作半导体制造的重要工具，目前CMP能够在地区乃至全球能提供卓越的集成电路（IntegratedCircuit,IC）晶片并且CMP是集成电路晶圆全局平坦化的超精密表面加工工艺的唯一技术。然而因为底层材料的去除原理既涉及化学又力学的影响导致CMP是一个复杂的过程，直到今天也没有被完全的理解。在众多的可影响抛光率和表面质量的变量中，在悬浮液中的粒子在CMP中起到的影响最大。在CMP中描述粒子的运动能帮我们更好地理解CMP的基本原理。为了研究CMP中粒子的运动状态我们尝试给予观察粒子的实时观测实验台一个...

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