化学机械抛光中抛光垫表面沟槽的研究_胡伟
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［ 0， A］ 而减少了抛光液的快速流失 。
光液能力， 所以会对温度及热应力分布产生更大的影 响。
!
表面沟槽尺寸对抛光效果的影响
抛光垫表面沟槽的尺寸 （ 包括宽度和深度） 会影
抛光垫表面沟槽的尺寸会影响新旧抛光液的混和 效率。实验发现， 当晶片 <@ 0 - 旋转一周时， 使用小尺 寸 （ 宽 <@ 58 ==、 深 <@ 70 == ） 的圆环型沟槽抛光垫抛 光时， 加工区域抛光液完全更新的时间为 ?B ; -， 而当 沟槽尺寸增大时 （ 宽 <@ 8< ==、 深 <@ /; ==） ， 抛光液完
［ 5］
抛光垫表面沟槽、 尺寸与相关参数 （ 包括抛光垫 的修整方式、 抛光转速及抛光液流速等） 综合作用， 对 抛光液的平均驻留时间产生重要影响。当抛光转速很 低时， 表面沟槽尺寸对抛光液的平均驻留时间影响不 大， 其原因是离心力较小， 抛光垫易于充满抛光液， 抛 光液的径向流速主要由抛光液的注入速度决定， 而与 抛光垫沟槽及尺寸的关系较小。随着抛光转速的增 加， 当对抛光垫进行离线修整后， 在较大离心力及表面 沟槽的引流作用下， 大部分抛光液脱离了加工区域， 因 此沟槽尺寸的增大会减少抛光液的平均驻留时间， 但 平均驻留时间与沟槽尺寸并不是线性关系。实验表 明， 相同修整条件下， 利用深度为 1< =>( （ ?@ <?; == ） 和 5< =>( （ <@ 8<0 == ） 的网格型沟槽抛光垫进行抛光
关键词： 化学机械抛光
抛光垫
沟槽
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［ 65 ］ 加明显 。
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。因此， 为了提高加工区
域新抛光液的成分， 改善晶片的抛光质量， 抛光垫表面 沟槽的尺寸 （ 特别是沟槽深度） 不宜过大。
!
表面沟槽倾斜角度对抛光效果的影响
抛光垫表面沟槽的倾斜角分为正、 负两种， 图2 是
考
文
献
魏昕， 熊伟， 黄蕊慰等7 化学机械抛光中抛光垫的研究7 金刚石与磨 料磨具工程， 4553 （8） ： 35 9 32 :&,*’", ; <"&=*%, >，>"?*@+A, >，B&@C#DA E7 "-，*’7 7 >",A(% *%+ ［ LB M NE ］ 7 $--H： MM @F*’C*-A&% &G %&F"’ H*+ (@&&F", G&@ #&HH"@ IJK OOO7 "’"#-@&#$"=7 &@( M =""-A%(, M ,#$"+C’"@ M *P,-@*#-, M 465 M 66857 H+G
・. // ・
工艺与检测! "#$%&’(’)* +&, "#-.
［ 1］ 式从边界接触逐渐过渡到局部接触 。
区域， 即该区域抛光液的切向流动方向与其它区域相 反； 抛光垫沟槽的尺寸越大， 逆向混和区域越大， 抛光
［ ;］ 液的切向速度差别也越大 ， 如图 5 所示。
表面沟槽的形状会对抛光效率产生重要影响。经 实验研究发现， 负螺旋对数型抛光垫与晶片之间的摩
带有正、 负倾斜角的圆环型沟槽抛光垫。不同的倾斜 角会对抛光效率及加工区域温度产生重要影响。利用 如图 3 所示的三种不同倾斜角度的圆环型沟槽抛光垫 进行金属铜的抛光实验发现， 沟槽倾斜角为 45& 的抛 光垫的抛光效率和加工区域温度最高， 机械却除速率 较高。其原因是在 !" 值相等的情况下， 抛光过程中的 氧化系数与机械去除系数能较好匹配， 使得氧化过程 和机械去除过程的速率基本达到平衡。而对于另外两 种抛光垫， 机械去除速率相对较小， 抛光效率会受到机 械去除过程的限制， 特别是当 !" 值比较小的时候， 更
!"#$%&’&() *%+ !",-. 工艺与检测
"
化学机械抛光中抛光垫表面沟槽的研究
胡 伟 魏 昕 谢小柱
（ 广东工业大学机电工程学院， 广东 广州 012223 ） 摘
要： 抛光垫表面沟槽是决定抛光垫性能的重要因素之一。介绍了抛光垫表面沟槽的形状、 尺寸和倾斜角 度等因素对抛光过程的影响规律， 认为： 负螺旋对数型沟槽抛光垫的性能最佳， 沟槽的深度和宽度会 影响加工区域抛光液的平均驻留时间、 混和效率及成分， 沟槽的倾斜角度也会影响抛光效率， ! "# 4 倾斜角抛光垫的抛光效率最高。
少， 尚未形成完整的理论， 仅仅停留在沟槽的抛光垫对 化学机械抛光效果影响规律的研究结果， 从而为抛光 垫的合理制备、 选用及修整提供依据。
（ O22OD12O2O21 ） ， 广东省自然科学基金项目 （ 2O21RS ） ， 留学回国人员科研启动基金项目 （ 教外司 ［ O22S ］ 1R 号） ， 广东省 " 广东省科技攻关项目 教育厅人才基金项目 （ 粤教科 ［ O22O ］ RR 号）
［ 8］ 高 。而其它沟槽形状的抛光垫， 具有较强的运送抛
原因一方面是抛光液流速达到一定值时， 径向流速对 于抛光液的运送不再起主导作用； 另一方面是沟槽尺 寸较大时， 抛光液未填满整个沟槽， 晶片很难从抛光垫 的表面凸起部分带入新的抛光液。当抛光垫进行在线 修整时， 抛光垫表面沟槽将提高抛光液的平均驻留时 间， 其原因是修整器能将沟槽中的抛光液带至抛光垫 表面， 使得抛光液均布， 阻碍了抛光液的径向流动， 从
［ 5 6 1］ 最大， 抛光效率最高 。其原因是螺 擦系数 （ 234）
旋沟槽的存在有助于新抛光液的运送和均布， 同时负 对数沟槽的形成方向与抛光垫旋转方向相反， 在离心 力的作用下， 有助于排出旧抛光液及抛光产物， 使得新 抛光液能及时进入加工区域， 晶片与抛光垫之间的摩 擦系数较大， 抛光效率最高。而正对数沟槽的形成方 向与抛光垫旋转方向一致， 晶片与抛光垫之间容易产 生过多的抛光液， 摩擦系数减小， 抛光效率有所降低。 此外， 利用负螺旋对数型抛光垫进行铜金属抛光实验 发现， 当压力转速的乘积 （ !" ） 较小时， 机械去除速率 远小于氧化速率， 从而阻碍了抛光效率的提高； 随着 !" 值增大， 氧化速率基本不变， 机械去除速率逐渐提 高， 并最终达到平衡， 抛光效率显著提高
［ /］ 实验时， 抛光液的平均驻留时间基本保持一致 。其
。
表面沟槽的形状与修整时间相互作用， 也会影响 抛光效率。正、 负螺旋对数型抛光垫经离线修整后， 并 进行铜金属抛光实验发现： 随着修整时间的延长， 负螺 旋对数型抛光垫的抛光效率逐渐提高， 正螺旋对数型
［ 7］ 抛光垫的抛光效率变化不大 。其原因是负螺旋对
［ O］ 加工质量 。但目前关于抛光垫表面沟槽的研究很
表面沟槽的形状会影响晶片与抛光垫之间的接触 模式。通过分析不同表面沟槽的 N-@8K"#P 曲线发现： 当沟槽形状为正、 负螺旋对数型时， 晶片与抛光垫之间 始终处 于 边 界 接 触 状 态； 而 当 表 面 无 沟 槽 时， 随着 N&AA"@?"’+ 系数的增大， 晶片与抛光垫之间的接触模
［ 1， 0］
一， 对抛光效率和加工质量有重要影响。抛光垫表面 沟槽的参数 （ 包括形状、 尺寸和倾斜角度等） 与抛光工 艺条件 （ 包括修整方式、 抛光转速及抛光液流速等） 的 综合作用， 均会对抛光效果有较大影响。因此， 在抛光 垫的制备、 选用及修整过程中应综合考虑沟槽形状及 尺寸等多因素的影响， 从而达到优化抛光垫性能、 改善 抛光效果的目的。 参
数型抛光垫有利于抛光液的排出， 抛光垫与晶片之间 容易产生负压， 接近于边界接触状态， 修整时间的增 加， 使得更多的表面凸起部分与晶片直接接触， 从而提 高了抛光效率； 正螺旋对数型抛光垫与晶片之间储存 了大量的抛光液， 抛光垫表面的凸起部分与晶片之间 存在微小的间隙， 甚至趋于局部接触状态， 修整时间的 增加， 对抛光效率影响不大。 此外， 表面沟槽形状还会影响温度及热分布。实 验表明， 在相同条件下， 相对于无沟槽的抛光垫， 使用 圆环型沟槽抛光垫抛光时， 沟槽的存在会影响热量的 径 向 传 输 及 分 散， 抛光垫和晶片的温度均略有提
・! /0 ・
整后， 沟槽对相邻沟槽区域中新旧抛光液的混和起阻 碍作用， 混和效率较低； 在线修整时， 修整器能带动不
［ /］ 同沟槽中抛光液的流动， 混和效率显著提高 。
!"#$%&’&() *%+ !",-. 工艺与检测 抛光垫表面沟槽的尺寸还会影响加工区域新旧抛 光液的成分比例。当抛光垫进行在线修整时， 沟槽尺 寸越大， 晶片加工表面新抛光液成分越小， 原因是沟槽 底部容纳了大部分抛光液， 不利于新旧抛光液在晶片 加工表面的流动及混和
［ 1］ 传递机械载荷及维持抛光环境等功能 。抛光垫的
1
表面沟槽形状对抛光效果的影响
常见的抛光垫表面沟槽形状有 R 种： 正负螺旋对
［ O， S］ 数型、 圆环型及网格型 ， 如图 1 所示。不同的表面
沟槽形状会对抛光垫性能及抛光效果产生不同影响。
表面沟槽形状及尺寸作为决定抛光垫性能的关键参数 之一， 能对抛光的化学及机械过程产生重要影响。在 化学氧化过程中， 抛光垫的表面沟槽会影响抛光液的 运送及均布， 改变晶片、 抛光垫及抛光液三者的温度， 从而影响化学反应速度、 产物及其浓度； 在机械去除过 程中， 抛光垫的表面沟槽会改变抛光垫与晶片之间接 触区域、 摩擦力及薄膜厚度， 从而影响机械去除速率及
［ ;］ 全更新的时间为 5@ 0 。此外， 当抛光垫进行离线修
响 加 工 区 域 抛 光 液 的 切 向 速 度、 平均驻留时间 （ 9:"） 、 混和效率及成分。 抛光垫表面沟槽的尺寸会影响加工区域抛光液的 切向速度。经不同尺寸的圆环型沟槽抛光垫的抛光实 验发现， 当晶片与抛光垫的转向相同， 且晶片转速大于 抛光垫的转速时， 在靠近抛光垫中心处出现逆向混和
光液能力， 所以会对温度及热应力分布产生更大的影 响。
!
表面沟槽尺寸对抛光效果的影响
抛光垫表面沟槽的尺寸 （ 包括宽度和深度） 会影
抛光垫表面沟槽的尺寸会影响新旧抛光液的混和 效率。实验发现， 当晶片 <@ 0 - 旋转一周时， 使用小尺 寸 （ 宽 <@ 58 ==、 深 <@ 70 == ） 的圆环型沟槽抛光垫抛 光时， 加工区域抛光液完全更新的时间为 ?B ; -， 而当 沟槽尺寸增大时 （ 宽 <@ 8< ==、 深 <@ /; ==） ， 抛光液完
［ 5］
抛光垫表面沟槽、 尺寸与相关参数 （ 包括抛光垫 的修整方式、 抛光转速及抛光液流速等） 综合作用， 对 抛光液的平均驻留时间产生重要影响。当抛光转速很 低时， 表面沟槽尺寸对抛光液的平均驻留时间影响不 大， 其原因是离心力较小， 抛光垫易于充满抛光液， 抛 光液的径向流速主要由抛光液的注入速度决定， 而与 抛光垫沟槽及尺寸的关系较小。随着抛光转速的增 加， 当对抛光垫进行离线修整后， 在较大离心力及表面 沟槽的引流作用下， 大部分抛光液脱离了加工区域， 因 此沟槽尺寸的增大会减少抛光液的平均驻留时间， 但 平均驻留时间与沟槽尺寸并不是线性关系。实验表 明， 相同修整条件下， 利用深度为 1< =>( （ ?@ <?; == ） 和 5< =>( （ <@ 8<0 == ） 的网格型沟槽抛光垫进行抛光
关键词： 化学机械抛光
抛光垫
沟槽
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［ 65 ］ 加明显 。
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。因此， 为了提高加工区
域新抛光液的成分， 改善晶片的抛光质量， 抛光垫表面 沟槽的尺寸 （ 特别是沟槽深度） 不宜过大。
!
表面沟槽倾斜角度对抛光效果的影响
抛光垫表面沟槽的倾斜角分为正、 负两种， 图2 是
考
文
献
魏昕， 熊伟， 黄蕊慰等7 化学机械抛光中抛光垫的研究7 金刚石与磨 料磨具工程， 4553 （8） ： 35 9 32 :&,*’", ; <"&=*%, >，>"?*@+A, >，B&@C#DA E7 "-，*’7 7 >",A(% *%+ ［ LB M NE ］ 7 $--H： MM @F*’C*-A&% &G %&F"’ H*+ (@&&F", G&@ #&HH"@ IJK OOO7 "’"#-@&#$"=7 &@( M =""-A%(, M ,#$"+C’"@ M *P,-@*#-, M 465 M 66857 H+G
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［ 1］ 式从边界接触逐渐过渡到局部接触 。
区域， 即该区域抛光液的切向流动方向与其它区域相 反； 抛光垫沟槽的尺寸越大， 逆向混和区域越大， 抛光
［ ;］ 液的切向速度差别也越大 ， 如图 5 所示。
表面沟槽的形状会对抛光效率产生重要影响。经 实验研究发现， 负螺旋对数型抛光垫与晶片之间的摩
带有正、 负倾斜角的圆环型沟槽抛光垫。不同的倾斜 角会对抛光效率及加工区域温度产生重要影响。利用 如图 3 所示的三种不同倾斜角度的圆环型沟槽抛光垫 进行金属铜的抛光实验发现， 沟槽倾斜角为 45& 的抛 光垫的抛光效率和加工区域温度最高， 机械却除速率 较高。其原因是在 !" 值相等的情况下， 抛光过程中的 氧化系数与机械去除系数能较好匹配， 使得氧化过程 和机械去除过程的速率基本达到平衡。而对于另外两 种抛光垫， 机械去除速率相对较小， 抛光效率会受到机 械去除过程的限制， 特别是当 !" 值比较小的时候， 更
!"#$%&’&() *%+ !",-. 工艺与检测
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化学机械抛光中抛光垫表面沟槽的研究
胡 伟 魏 昕 谢小柱
（ 广东工业大学机电工程学院， 广东 广州 012223 ） 摘
要： 抛光垫表面沟槽是决定抛光垫性能的重要因素之一。介绍了抛光垫表面沟槽的形状、 尺寸和倾斜角 度等因素对抛光过程的影响规律， 认为： 负螺旋对数型沟槽抛光垫的性能最佳， 沟槽的深度和宽度会 影响加工区域抛光液的平均驻留时间、 混和效率及成分， 沟槽的倾斜角度也会影响抛光效率， ! "# 4 倾斜角抛光垫的抛光效率最高。
少， 尚未形成完整的理论， 仅仅停留在沟槽的抛光垫对 化学机械抛光效果影响规律的研究结果， 从而为抛光 垫的合理制备、 选用及修整提供依据。
（ O22OD12O2O21 ） ， 广东省自然科学基金项目 （ 2O21RS ） ， 留学回国人员科研启动基金项目 （ 教外司 ［ O22S ］ 1R 号） ， 广东省 " 广东省科技攻关项目 教育厅人才基金项目 （ 粤教科 ［ O22O ］ RR 号）
［ 8］ 高 。而其它沟槽形状的抛光垫， 具有较强的运送抛
原因一方面是抛光液流速达到一定值时， 径向流速对 于抛光液的运送不再起主导作用； 另一方面是沟槽尺 寸较大时， 抛光液未填满整个沟槽， 晶片很难从抛光垫 的表面凸起部分带入新的抛光液。当抛光垫进行在线 修整时， 抛光垫表面沟槽将提高抛光液的平均驻留时 间， 其原因是修整器能将沟槽中的抛光液带至抛光垫 表面， 使得抛光液均布， 阻碍了抛光液的径向流动， 从
［ 5 6 1］ 最大， 抛光效率最高 。其原因是螺 擦系数 （ 234）
旋沟槽的存在有助于新抛光液的运送和均布， 同时负 对数沟槽的形成方向与抛光垫旋转方向相反， 在离心 力的作用下， 有助于排出旧抛光液及抛光产物， 使得新 抛光液能及时进入加工区域， 晶片与抛光垫之间的摩 擦系数较大， 抛光效率最高。而正对数沟槽的形成方 向与抛光垫旋转方向一致， 晶片与抛光垫之间容易产 生过多的抛光液， 摩擦系数减小， 抛光效率有所降低。 此外， 利用负螺旋对数型抛光垫进行铜金属抛光实验 发现， 当压力转速的乘积 （ !" ） 较小时， 机械去除速率 远小于氧化速率， 从而阻碍了抛光效率的提高； 随着 !" 值增大， 氧化速率基本不变， 机械去除速率逐渐提 高， 并最终达到平衡， 抛光效率显著提高
［ /］ 实验时， 抛光液的平均驻留时间基本保持一致 。其
。
表面沟槽的形状与修整时间相互作用， 也会影响 抛光效率。正、 负螺旋对数型抛光垫经离线修整后， 并 进行铜金属抛光实验发现： 随着修整时间的延长， 负螺 旋对数型抛光垫的抛光效率逐渐提高， 正螺旋对数型
［ 7］ 抛光垫的抛光效率变化不大 。其原因是负螺旋对
［ O］ 加工质量 。但目前关于抛光垫表面沟槽的研究很
表面沟槽的形状会影响晶片与抛光垫之间的接触 模式。通过分析不同表面沟槽的 N-@8K"#P 曲线发现： 当沟槽形状为正、 负螺旋对数型时， 晶片与抛光垫之间 始终处 于 边 界 接 触 状 态； 而 当 表 面 无 沟 槽 时， 随着 N&AA"@?"’+ 系数的增大， 晶片与抛光垫之间的接触模
［ 1， 0］
一， 对抛光效率和加工质量有重要影响。抛光垫表面 沟槽的参数 （ 包括形状、 尺寸和倾斜角度等） 与抛光工 艺条件 （ 包括修整方式、 抛光转速及抛光液流速等） 的 综合作用， 均会对抛光效果有较大影响。因此， 在抛光 垫的制备、 选用及修整过程中应综合考虑沟槽形状及 尺寸等多因素的影响， 从而达到优化抛光垫性能、 改善 抛光效果的目的。 参
数型抛光垫有利于抛光液的排出， 抛光垫与晶片之间 容易产生负压， 接近于边界接触状态， 修整时间的增 加， 使得更多的表面凸起部分与晶片直接接触， 从而提 高了抛光效率； 正螺旋对数型抛光垫与晶片之间储存 了大量的抛光液， 抛光垫表面的凸起部分与晶片之间 存在微小的间隙， 甚至趋于局部接触状态， 修整时间的 增加， 对抛光效率影响不大。 此外， 表面沟槽形状还会影响温度及热分布。实 验表明， 在相同条件下， 相对于无沟槽的抛光垫， 使用 圆环型沟槽抛光垫抛光时， 沟槽的存在会影响热量的 径 向 传 输 及 分 散， 抛光垫和晶片的温度均略有提
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整后， 沟槽对相邻沟槽区域中新旧抛光液的混和起阻 碍作用， 混和效率较低； 在线修整时， 修整器能带动不
［ /］ 同沟槽中抛光液的流动， 混和效率显著提高 。
!"#$%&’&() *%+ !",-. 工艺与检测 抛光垫表面沟槽的尺寸还会影响加工区域新旧抛 光液的成分比例。当抛光垫进行在线修整时， 沟槽尺 寸越大， 晶片加工表面新抛光液成分越小， 原因是沟槽 底部容纳了大部分抛光液， 不利于新旧抛光液在晶片 加工表面的流动及混和
［ 1］ 传递机械载荷及维持抛光环境等功能 。抛光垫的
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表面沟槽形状对抛光效果的影响
常见的抛光垫表面沟槽形状有 R 种： 正负螺旋对
［ O， S］ 数型、 圆环型及网格型 ， 如图 1 所示。不同的表面
沟槽形状会对抛光垫性能及抛光效果产生不同影响。
表面沟槽形状及尺寸作为决定抛光垫性能的关键参数 之一， 能对抛光的化学及机械过程产生重要影响。在 化学氧化过程中， 抛光垫的表面沟槽会影响抛光液的 运送及均布， 改变晶片、 抛光垫及抛光液三者的温度， 从而影响化学反应速度、 产物及其浓度； 在机械去除过 程中， 抛光垫的表面沟槽会改变抛光垫与晶片之间接 触区域、 摩擦力及薄膜厚度， 从而影响机械去除速率及
［ ;］ 全更新的时间为 5@ 0 。此外， 当抛光垫进行离线修
响 加 工 区 域 抛 光 液 的 切 向 速 度、 平均驻留时间 （ 9:"） 、 混和效率及成分。 抛光垫表面沟槽的尺寸会影响加工区域抛光液的 切向速度。经不同尺寸的圆环型沟槽抛光垫的抛光实 验发现， 当晶片与抛光垫的转向相同， 且晶片转速大于 抛光垫的转速时， 在靠近抛光垫中心处出现逆向混和