CMP材料去除机制的研究进展
分散剂对铜CMP材料去除率和表面粗糙度影响的实验研究
分散剂对铜CMP材料去除率和表面粗糙度影响的实验研究李庆忠;金洙吉;张然;康仁科;郭东明【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2007(032)003【摘要】使用5种分散剂,SiO2水溶胶为磨料、H2O2为氧化剂,分别进行抛光实验.结果表明:二乙烯三胺和吡啶2种分散剂相对较好,二乙烯三胺(质量分数0.05%)对铜的材料去除率达到570.20 nm/min,表面粗糙度为Ra 1.076 0 nm,吡啶(质量分数0.75%)的材料去除率为373.69 nm/min,表面粗糙度为Ra 1.577 6 nm;二乙烯三胺提高了抛光液的碱性并增强了对铜金属的腐蚀作用是材料去除率提高的主要原因,其多胺基的极性吸附和与胶体分子羟基的化学键作用提高了抛光液磨粒胶体表面的zeta电位,较大的分子链有效地提高了磨料粒子间的空间排斥力,故较好的纳米磨料粒子分散性使抛光表面粗糙度降低.【总页数】4页(P70-72,109)【作者】李庆忠;金洙吉;张然;康仁科;郭东明【作者单位】大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连,116024;沈阳航空工业学院,辽宁沈阳,110034;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连,116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连,116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连,116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连,116024【正文语种】中文【中图分类】TN405【相关文献】1.有机碱对铜CMP材料去除率作用的实验研究 [J], 李庆忠;于秀坤;苏建修;郭东明2.电火花线切割电参数对Cr12MoV材料去除率与表面粗糙度的影响 [J], 殷静凯;李文斌3.放电参数对线切割加工A8工具钢表面粗糙度与材料去除率的影响 [J], 王磊;弓满锋;连海山4.铣削参数和刀具角度对TC4钛合金表面粗糙度及材料去除率的影响 [J], 王奔;赵家兴;张秀云;张棋;庄鑫5.侧铣削参数对TC4钛合金表面粗糙度及材料去除率的影响 [J], 王奔;赵家兴;张秀云;张棋;庄鑫因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于快速抛光技术的光学元件材料去除模型研究
基于快速抛光技术的光学元件材料去除模型研究林涛;杨炜;王健【摘要】In order to accurately control the material removal in polishing stage,and achieve the deterministic polishing processing of toptical element,the quantitative mean volume removed by a single particles per unit time and the number of the active particles on the wafer-pad interface are obtained from the force applied on an abrasive particle and the number of all particles on the wafer-pad contact area.An optical element fast polishing material removal model is established based on the analysis of fast polishing principle and fast polishing material removal mechanism.Research shows that,under the experimental conditions of different polishing liquids,polishing pads and optical elements,the theoretically predicted results of the material removal model are well coincident with the experimental results,and the error of material removal can be controlled within 9％.The proposed model is verified to be suitable for the optical element fast polishing technology,thus deterministically controling the fast polishing time and efficiency.%为精确控制抛光阶段材料去除,实现光学元件的确定性抛光加工,在分析快速抛光原理和快速抛光材料去除机制基础上,从单颗磨粒受力和抛光垫峰点捕获的磨粒数出发,获得量化的单颗磨粒瞬时切除体积和抛光接触区参与有效磨粒数,从而建立一种光学元件快速抛光材料去除模型.研究结果表明:以材料去除量为实验对象,在不同抛光液、抛光垫和光学元件实验条件下,材料去除模型的理论预测结果与实验结果较为吻合,材料去除量误差可以控制在9％以内.验证了该模型对于光学元件快速抛光技术的适用性,从而可以确定性的控制快速抛光时间和效率.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】7页(P527-533)【关键词】机械制造工艺与设备;光学元件;快速抛光;材料去除模型【作者】林涛;杨炜;王健【作者单位】厦门大学航空航天学院,福建厦门361005;厦门大学航空航天学院,福建厦门361005;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TN205针对激光核聚变研究，我国相关部门已建成神光Ⅰ、神光Ⅱ高功率激光装置，现在进行的神光Ⅲ装置的建设和研究更是一项庞大而又复杂的巨型工程，其中使用了大量的光学元件，光学元件超精密加工表面质量控制问题已经成为惯性约束聚变研究中重点关注的问题，直接影响着强激光系统的使用性能[1-3]。
2024年化学机械抛光(CMP)技市场前景分析
化学机械抛光（CMP）技术市场前景分析引言化学机械抛光（CMP）技术是一种用于平整表面的先进加工方法。
它与传统的机械抛光相比，能够实现更高的抛光精度和更好的表面平整度。
CMP技术在半导体制造、集成电路、光学器件等领域有广泛的应用。
本文将对CMP技术的市场前景进行分析。
CMP技术的发展CMP技术的发展已经相对成熟，并在多个领域得到了广泛应用。
随着电子产业的迅猛发展，半导体晶圆制造的需求不断增加，从而推动了CMP技术的不断发展壮大。
此外，CMP技术在光学器件、平板显示器等领域的应用也在逐渐扩大。
CMP技术市场规模根据市场调研数据显示，CMP技术市场在过去几年中保持稳定增长的趋势。
2020年，全球CMP技术市场规模达到XX亿美元，并预计在未来几年内将持续增长。
主要推动CMP技术市场增长的因素包括：半导体产业的快速发展、高性能电子器件的需求增加以及新兴应用领域的不断拓展。
CMP技术市场应用1. 半导体制造CMP技术在半导体制造过程中的应用主要包括晶圆平坦化和金属化程式。
晶圆平坦化是半导体制造过程中的重要步骤，用于去除晶圆表面的凹陷和突起，以达到更高的电子器件性能和制造精度要求。
金属化程式则用于在晶圆表面形成金属导线，实现电路连接。
2. 光学器件CMP技术在光学器件制造中的应用主要是为了提高光学器件的表面平整度和精度。
例如，在光学镜片的制造过程中，使用CMP技术能够去除镜片表面的微小瑕疵，提高镜片的光学性能。
3. 平板显示器CMP技术在平板显示器制造中的应用主要是为了提高显示面板的平整度和色彩鲜艳度。
CMP技术能够去除显示面板表面的不均匀性和缺陷，使得显示屏的视觉效果更加出色。
CMP技术面临的挑战和机遇挑战：1.技术进一步提升：CMP技术需要不断提升抛光效果、减小表面残留物、降低抛光时间等方面的要求，以适应不同应用领域的需求。
2.成本控制：对于一些高精度的领域，CMP技术的成本较高，需要进一步降低成本，以提高竞争力。
cmp（化学机械抛光）技术发展优势及应用【最新】
CMP(化学机械抛光)技术发展优势及应用CMP-化学机械抛光技术它利用了磨损中的“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。
在一定压力及抛光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫作相对运动，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151. CMP 技术最广泛的应用是在集成电路(IC)和超大规模集成电路中(ULSI)对基体材料硅晶片的抛光。
而国际上普遍认为，器件特征尺寸在0.35 5m以下时，必须进行全局平面化以保证光刻影像传递的精确度和分辨率，而CMP是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术。
其中化学机械抛光浆料是关键因素之一。
抛光磨料的种类、物理化学性质、粒径大小、颗粒分散度及稳定性等均与抛光效果紧密相关。
此外，抛光垫的属性(如材料、平整度等)也极大地影响了化学机械抛光的效果.随着半导体行业的发展，2003年，全球CMP抛光浆料市场已发展至4.06亿美元.但国际上CMP抛光浆料的制备基本属于商业机密，不对外公布。
1化学机械抛光作用机制CMP作用机理目前还没有完整的从微观角度的理沦解释。
但从宏观上来说，可以解释如下:将旋转的被抛光晶片压在与其同方向旋转的弹性抛光垫上，而抛光浆料在晶片与底板之间连续流动。
上下盘高速反向运转，被抛光晶片表面的反应产物被不断地剥离，新抛光浆料补充进来，反应产物随抛光浆料带走。
新裸露的品片平面又发生化学反应，产物再被剥离下来而循环往复，在衬底、磨粒和化学反应剂的联合作用下，形成超精表面，要获得品质好的抛光片，必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。
如果化学腐蚀作用大于机械抛光作用，则会在抛光片表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹;反之，机械抛光作用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层.为了进一步了解CMP作用的本质，近年来国内外有很多关于CMP作用微观机理的研究.清华人学王亮亮、路新春的研究表明:CMP中主要是低频、大波长的表面起伏被逐渐消除，而小尺度上的粗糙度并未得到显著改善;当颗粒直径在10^-25 nm的范围时，粒径和粗糙度不存在单调的增减关系;桔皮的产生主要是抛光浆料中碱浓度过高所致。
碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展
第53卷第4期2024年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.53㊀No.4April,2024碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展孙兴汉1,李纪虎2,张㊀伟1,曾群锋2,张俊锋3(1.中电建(西安)港航船舶科技有限公司,西安㊀710100;2.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室,西安㊀710049;3.上海船舶设备研究所,上海㊀200031)摘要:化学机械抛光已经成为半导体制造中关键的工艺步骤之一,该技术是目前实现碳化硅晶片超精密加工的一种常用且有效的方法,可用于加工晶片表面,以获得高材料去除率㊁高表面质量和高表面平整性的晶片㊂然而,在碳化硅晶片化学机械抛光中,晶片表面材料去除非均匀性一直是一个具有挑战性的问题,减小晶片表面材料去除非均匀性对确保半导体器件的高性能和稳定性至关重要㊂本文介绍了碳化硅材料的性质及应用与化学机械抛光工艺,研究了不同碳化硅化学机械抛光技术的材料去除机理㊁不同化学机械抛光技术的发展状况和性能及优缺点,综述了碳化硅晶片化学机械抛光中材料去除非均匀性影响因素,如:抛光压力㊁抛光液(磨粒)和转速等因素,最后对未来碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究做出了展望㊂关键词:碳化硅;化学机械抛光;材料去除;抛光压力;抛光液;抛光垫中图分类号:TG175;TM23;TQ163+.4㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2024)04-0585-15Research Progress on Material Removal Non-Uniformity in Silicon Carbide Chemical Mechanical PolishingSUN Xinghan 1,LI Jihu 2,ZHANG Wei 1,ZENG Qunfeng 2,ZHANG Junfeng 3(1.Power China (Xi an)Port Nevigation Shipbuilding Technology Co.,Ltd.,Xi an 710100,China;2.Xi an Jiaotong University Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System,Xi an 710049,China;3.Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)Abstract :Chemical mechanical polishing (CMP)has become a critical process step in semiconductor manufacturing.This technique is a commonly used and effective method for achieving ultra-precision processing of silicon carbide wafers,playing a key role in the fabrication of semiconductor devices.CMP is employed to process the wafer surface,resulting in high material removal rates,excellent surface quality,and superior surface planarity of the chips.However,in the CMP of silicon carbide (SiC)wafers,the non-uniformity of material removal on the chip surface has been a challenging issue.Reducing the non-uniformity of material removal is essential for ensuring the high performance and stability of semiconductor devices.This article introduces the properties and applications of silicon carbide,along with the CMP process.It investigates the material removal mechanisms of different CMP techniques for silicon carbide,explores the development status of various CMP technologies,and evaluates the performance and pros and cons of different CMP techniques.The article provides an overview of the factors influencing material removal non-uniformity in CMP of silicon carbide wafers,including factors such as polishing pressure,polishing slurry (abrasives),and rotation speed.Finally,the article provides prospects for future research on material removal non-uniformity in silicon carbide CMP.Key words :silicon carbide;chemical mechanical polishing;material removal;polishing pressure;polishing slurry;polishing pad ㊀㊀收稿日期:2023-10-27㊀㊀基金项目:陕西省自然科学基金(2022JM-251)㊀㊀作者简介:孙兴汉(1988 ),男,陕西省人,硕士研究生㊂E-mail:sunxingh@ ㊀㊀通信作者:曾群锋,博士,副教授㊂E-mail:xiaozeng0011@0㊀引㊀㊀言碳化硅单晶作为电力电子器件的新一代衬底材料,表面质量至关重要㊂要求其具有超光滑和超平坦的586㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷表面,以确保单晶衬底表面粗糙度低于0.3nm,从而满足外延薄膜生长的要求[1-2]㊂然而,碳化硅单晶的高硬度和化学惰性造成了在抛光加工中的困难,因此需要寻求更加适用的抛光技术,这对于确保材料的质量和性能至关重要[3-7]㊂化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)技术是半导体晶片表面加工的关键技术之一㊂该技术综合了抛光液的化学腐蚀作用和磨粒及抛光垫的机械去除作用,以实现抛光后工件表面的良好质量㊁无损伤和高面形精度[8]㊂在碳化硅晶片的CMP过程中,研究者尽管控制晶片表面各点的速度相同并施加均匀载荷,实验结果却显示晶片下表面各点的材料去除率(material removal rate,MRR)不同㊂MRR随着从晶片中心到边缘的位置变化而变化,且边缘处的MRR较高,容易导致 过磨(over-grinding) 现象[9-11],即晶片表面材料去除非均匀性现象㊂在碳化硅晶片CMP过程中,晶片表面材料去除非均匀性受抛光头与抛光盘转速㊁抛光压力㊁抛光垫和抛光液特性等因素,以及这些因素相互作用的影响,这给碳化硅晶片CMP中材料去除非均匀性机理及控制方法等方面的研究带来诸多困难㊂对于材料去除非均匀性的问题,许多学者根据不同的理论和实验,对不同参数下的材料去除非均匀性进行了研究,得出了不同的结论㊂在研究过程中,主要关注抛光压力㊁抛光液㊁相对转速㊁温度和抛光头的摆动参数等因素对非均匀性的影响[12-15]㊂目前,关于材料去除非均匀性形成机制的研究还不够深入,由于涉及多个因素和复杂的相互作用,存在争议和不确定性[16-17]㊂尤其是电力电子器件的发展对CMP技术提出了很高要求,研究碳化硅CMP中材料去除非均匀性对提高碳化硅CMP技术水平有重要理论意义和应用价值[18]㊂因此,进一步深入研究材料去除非均匀性的机制是必要的㊂本文将从碳化硅材料的基本性质㊁微观结构特点,以及与材料去除特性之间的关联关系出发,阐述碳化硅CMP技术和材料去除非均匀性的机理,研究碳化硅CMP中影响材料去除非均匀性的因素,最后对未来碳化硅CMP中材料去除非均匀性的研究方向做出展望㊂1㊀碳化硅的性质与应用碳化硅又称金刚砂,分子式为SiC,每一个C原子周围通过共价键形式连接四个Si原子,每一个Si原子周围通过共价键形式连接四个C原子,即:碳化硅是由诸多CSi4单元和SiC4单元彼此穿插组成的四面体结构,这种四面体结构以共边形式连接形成平面层,通过顶点与下一层的四面体相连形成三维结构㊂这种典型的晶体结构如图1所示,因此,碳化硅优越的力学性能与其自身结构密切相关[19]㊂图1㊀碳化硅结构Fig.1㊀Silicon carbide structure碳化硅的物理性质主要表现在高硬度㊁高耐磨性㊁高导热率等方面,且密度为3.211g/cm3㊁莫氏硬度高达9.5㊁显微硬度在3000~3300kg/mm2,其硬度仅次于金刚石,并且当温度在1500ħ时,碳化硅仍能保持优良的硬度和强度[20]㊂此外,碳化硅还具有出色的热导率(达到4.9W/(K㊃cm))㊁高击穿电场和良好的电学性能㊂因此,它在高频㊁高效㊁高温微电子领域被广泛应用作为大功率元器件㊂同时,碳化硅还具有卓越的抗辐射性能(>103W/cm),使其在人造卫星㊁航空航天和核能等领域得到广泛应用㊂碳化硅的物理性质如㊀第4期孙兴汉等:碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展587㊀表1所示㊂表1㊀碳化硅的物理性质[1]Table 1㊀Physical properties of silicon carbide [1]Property Value Band gap /eV 2.3~3.3Density /(g㊃cm -3) 3.211Thermal conductivity /(W㊃K -1㊃cm -1)3~4.9Saturated electron drift rate /(107cm㊃s -1) 2.0Breakdown field /(MV㊃cm-1)0.8~3.0Microhardness /(kg㊃mm -2)3000~3300Mohs hardness 9.5Melting point /ħ2700碳化硅具有出色的化学和热稳定性㊂在常温下,它不与酸㊁碱发生反应,表现出良好的化学稳定性㊂在碱性环境且存在氧化剂的情况下,能够生成可溶性硅酸盐,这为碳化硅CMP 提供了关键的化学反应原理㊂此外,碳化硅还具备良好的热稳定性,当加热到1300ħ时,在空气中形成的二氧化硅保护层能够防止碳化硅继续被氧化㊂在空气中加热到1627ħ时,碳化硅表面的保护膜开始被破坏,达到最高工作温度,因此,工业高温使用时,温度一般控制在1600ħ以下㊂2㊀碳化硅CMP 技术简介CMP 技术是半导体制造过程中实现晶片表面平坦化的关键工艺[17,19],该工艺结合传统纯机械和纯化学抛光方法去除晶片表面微米/纳米级不同材料,从而实现晶片表面的高度(纳米级)平坦化㊂根据不同工艺制程要求,每一片晶片都会历经几道甚至几十道CMP 技术步骤㊂CMP 技术中使用的抛光材料包括抛光液㊁抛光垫和清洁剂等,其中占比最大的是抛光液和抛光垫㊂CMP 工作原理示意图如图2所示㊂在碳化硅晶片CMP 技术中,抛光液起到化学去除的作用,抛光液中的化学成分与碳化硅晶片表面进行化学反应,把晶片损伤表面和表面附着物质通过反应转变成更容易抛光的氧化层;抛光垫起到机械去除的作用[21],抛光垫对碳化硅晶片表面研磨,将软化层抛离抛光表面,并使未反应的晶片表面重新暴露出来,从而保证晶片表面化学作用继续进行,如此反复的氧化成膜-机械去除过程可实现有效抛光的目的,其CMP 反应原理如图3所示㊂图2㊀CMP 工作原理示意图[20]Fig.2㊀Schematic diagram of CMP working principle [20]图3㊀CMP 反应原理示意图[22]Fig.3㊀Schematic diagram of CMP reaction principle [22]3㊀碳化硅CMP 中材料去除机理对于碳化硅晶片而言,采用不同的CMP 技术,其MRR㊁加工后表面质量,以及材料去除机理也不相同[23]㊂该部分将从不同碳化硅CMP 技术的材料去除机理出发,研究碳化硅CMP 中材料去除的非均匀性,为后续研究者提供参考㊂588㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷3.1㊀传统CMP在传统CMP 过程中,化学反应和机械磨削相互作用,共同促进碳化硅材料的去除㊂化学反应使表面材料发生溶解或转化,而机械磨削则通过磨料颗粒的切削和磨损作用去除材料㊂同时,通过合理调节抛光液的成分㊁压力和磨料颗粒的特性,可以实现对碳化硅表面的控制去除,获得所需的表面质量和形貌㊂按照磨料的存在状态,碳化硅的传统CMP 分为游离磨粒抛光和固结磨粒抛光[24]㊂图4㊀游离磨粒抛光示意图[24]Fig.4㊀Schematic diagram of free abrasive polishing [24]游离磨料抛光工艺装置主要由旋转工作台㊁工件承载器及研磨液输送装置三部分组成[24],游离磨粒抛光示意图如图4所示,其原理为:将抛光垫固定在旋转工作台上,使组成的部分进行自旋转,同时通过外部承载器给晶片表面施加正压力,使它们能够进行相对运动㊂在传统游离磨料抛光中,通常采用三体摩擦方式对材料进行去除,即晶片表面㊁抛光垫表面和磨料之间的三体相互作用㊂这种三体摩擦方式是实现抛光和材料去除的核心方法,通过控制这三者之间的相互作用,可以实现表面的加工和改进㊂固结磨粒抛光加工装置与游离磨粒抛光装置类似,区别在于抛光垫,即固结磨粒抛光使用的是固结磨粒研磨抛光垫,同时使用树脂结合剂固结磨粒和去离子水及环保的化学试剂作为抛光液㊂该抛光过程的原理为:利用固结磨粒研磨抛光垫表面露出的磨粒尖端对晶片表面实现材料的有效去除㊂固结磨粒加工技术的核心是固结磨粒研磨抛光垫,其结构图如图5所示㊂图5㊀固结磨粒垫结构图[24]Fig.5㊀Schematic diagram of bonded abrasive pad structure [24]游离磨粒抛光和固结磨粒抛光均属于传统CMP 方式,这两种方式均结合了化学反应和机械力的去除作用,实现碳化硅晶片表面的材料去除,但是在碳化硅晶片上,机械力可能在不同区域施加得不均匀,导致材料去除的非均匀性,且抛光效率低,这些因素使传统CMP 在处理碳化硅时面临更大的挑战㊂3.2㊀等离子辅助抛光(plasma assisted polishing ,PAP )PAP 技术由日本大阪大学的Yamamura 于2010年首次提出[26-27]㊂碳化硅PAP 是一种在传统CMP 过程中引入等离子体辅助作用的技术㊂PAP 的材料去除机理主要涉及等离子体化学反应和机械磨削作用,即:通过化学反应实现晶片表面的无损伤加工,同时结合机械磨削作用对材料进行去除,提高晶片表面材料的去除率㊂PAP 技术结合了离子体化学反应和机械磨削作用两者的优势,不会对晶片亚表面造成损伤㊂碳化硅PAP 的原理为[28]:首先,对碳化硅表面改性,即进行等离子体辐照;其次,具有强氧化性等离子体中的自由基与碳化硅表面的原子发生化学反应,生成较软的改性层;最后,使用软磨料对改性层进行抛光,去除该改性层㊂如此交替进行的过程,使晶片的表面逐渐变平整,最终产生无损伤的晶片平坦表面㊂PAP 技术的原理如图6所示㊂PAP 加工装置由以下两个单元组成:等离子体发生单元㊁材料去除单元㊂其中,等射频电源产生离子体,载气使用惰性气体,使用强氧化性自由基团的气体作为反应气体㊂PAP 加工装置示意图如图7所示㊂㊀第4期孙兴汉等:碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展589㊀图6㊀PAP技术原理图[28]Fig.6㊀Schematic diagram of PAP technology principle[28]图7㊀PAP加工装置示意图[28]Fig.7㊀Schematic diagram of PAP processing equipment[28]在PAP碳化硅中,材料去除率不仅受活性自由基及氧化层生成速率较低的影响,还受磨料硬度的影响,因此在PAP碳化硅中要解决以上因素的影响㊂另外,PAP设备价格昂贵,加工费用较高,限制了PAP碳化硅晶片的推广㊂3.3㊀催化剂辅助刻蚀(catalyst-assisted reactive etching,CARE)CARE的材料去除原理为:碳化硅在催化剂的作用下,其表面反应生成硬度较低的氧化层,然后在磨料机械去除的作用下,去除晶片表面的氧化层,最终获得高质量的晶片表面㊂Okamoto等[29]以铂作为催化剂,氢氟酸(HF)或水(H2O)作为刻蚀剂,研究CARE工艺对碳化硅晶片表面材料的去除过程㊂在铂催化剂的作用下,刻蚀剂的分解物与晶片反应生成硬度较低的氧化层,其中氧化层与HF反应生成H2SiF6,以形成新鲜的表面,最终获得高表面质量的晶片㊂该技术不需要添加磨料即可实现晶片表面的加工,但是效率较低㊂其加工装置示意图如图8所示㊂3.4㊀紫外线辅助化学机械抛光(ultraviolet-assisted chemical mechanical polishing,UV-CMP)紫外光催化反应是一种强氧化反应,其原理为:在紫外光的作用下,电子捕捉剂与光催化剂发生光催化反应,生成氧化性较强的活性自由基(㊃OH)㊂其次,活性自由基(㊃OH)与碳化硅的表层发生氧化反应生成硬度较低的SiO2氧化层,然后使用磨料进行机械抛光,去除晶片表面的SiO2氧化层,最终获得高质量的晶片表面㊂叶子凡等[30]选取催化剂作为紫外光的吸收剂,催化剂在紫外光的辐射下发生能级跃迁,产生电子-空穴对,并用氧化剂产生的活性自由基对晶片表面进行改性处理,生成硬度较低的氧化层,最后在磨料的机械去除作用下去除氧化层,以实现高质量的晶片表面㊂同时,提出了紫外CMP抛光模型:他认为紫外系统会对碳化硅晶片表面生成的SiO2氧化层厚度有影响,当加入紫外系统,晶片表面的MRR有很大的提高,其抛光模型如图9所示㊂590㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷图8㊀CARE 加工装置示意图[29]Fig.8㊀Schematic diagram of CARE processing equipment [29]图9㊀UV-CMP 抛光模型[30]Fig.9㊀UV-CMP polishing model [30]在UV-CMP 碳化硅中,引入紫外光可进一步提高晶片表面的氧化速度,促进晶片表面材料的有效去除,但是在操作中很难控制紫外光和催化剂生成活性自由基的速率,从而影响晶片表面材料去除的速率与材料去除的非均匀性㊂3.5㊀基于芬顿反应的化学机械抛光(Fenton reaction-based chemical mechanical polishing ,Fenton-CMP )芬顿反应是法国科学家Fenton 最早发现并提出的,该反应为:二价铁离子(Fe 2+)与过氧化氢(H 2O 2)发生反应,生成羟基自由基(㊃OH),以氧化分解有机物[31-32]㊂基于芬顿反应碳化硅CMP 原理为:用芬顿反应生成的含有游离氧气(O 2)的㊃OH 溶液,对SiC 表面进行氧化处理,使其表面生成硬度较低且结合力小的SiO 2氧化层[33],然后在磨料的机械作用下去除该氧化层,最终获得高质量的晶片表面㊂其化学反应为Fe 2++H 2O 2ңFe 3++OH -+gOH (1)SiC +4gOH +O 2ңSiO 2+2H 2O +CO 2ʏ(2)Fe 3++H 2O 2ңFe 2++H ++gOOH (3)由以上反应可以发现:羟基自由基(㊃OH)是基于芬顿反应碳化硅CMP 的关键,且Fe 2+在反应中仅起催化的作用㊂从式(3)的化学反应可以看出:生成的㊃OH 浓度越高,晶片表面的化学反应速度越快,促使更多的高硬度晶片表面转化为更多软质的SiO 2氧化层,进而促使机械去除过程更容易[34]㊂因此,芬顿反应生成的㊃OH 浓度对晶片表面材料的高效去除至关重要[35]㊂碳化硅Fenton-CMP 技术材料去除过程示意图如图10所示㊂图10㊀碳化硅Fenton-CMP 技术材料去除过程示意图[34]Fig.10㊀Schematic diagram of the material removal process in silicon carbide Fenton-CMP technology [34]在Fenton-CMP 碳化硅中,无法控制羟基自由基(㊃OH)的产生量,且在操作过程中耗时,使晶片表面的氧化效率较低,从而影响晶片表面材料去除的速率与材料去除的非均匀性㊂3.6㊀电化学机械抛光(electrochemical mechanical polishing ,ECMP )ECMP 技术的原理为:利用电化学改性原理促使碳化硅表面的改性层硬度降低,即生成氧化层,然后在氧化铝等磨粒的机械作用下去除该氧化层,最终获得高质量的晶片表面[36]㊂其加工装置示意图如图11所示㊂㊀第4期孙兴汉等:碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展591㊀图11㊀电化学机械抛光装置[36]Fig.11㊀Electrochemical mechanical polishing device [36]王磊等[37]使用ECMP 技术对碳化硅晶体的材料去除进行了研究,对比了三种电解液(NaOH㊁NaNO 3和H 3PO 4)对碳化硅晶体的电化学氧化效果,并选择了浓度为0.6mol /L 的NaNO 3作为电解液,同时使用金刚石-氧化铝混合磨粒的机械去除作用对碳化硅晶体进行了表面处理,得到了高质量的晶体表面,混合磨粒的去除机理示意图如图12所示㊂Murata 等[38]开发了一种环保高效的碳化硅ECMP 方法,该方法不需要含有催化性化学物质,并使用由固体聚合物电解质和CeO 2组成的复合垫,实现了约15μm /h 的高MRR,几乎是传统CMP技术获得的碳化硅晶片的10倍㊂在ECMP 碳化硅中,通过外加电场和化学作用使晶片表面氧化层硬度降低,可进一步快速提高晶片表面MRR,同时通过控制电流强度可提高晶片表面精度㊂另外,控制好晶片表面的氧化速率和材料去除率是高效获得光滑表面与解决材料去除非均匀性问题的关键㊂图12㊀混合磨粒去除机理示意图[37]Fig.12㊀Schematic diagram of the hybrid abrasive material removal mechanism [37]3.7㊀化学机械磁流变复合抛光(chemo-mechanical magnetorheological finishing ,CMMRF )碳化硅CMMRF 是一种先进的表面加工技术,可实现对碳化硅材料的高效材料去除㊂通过梁华卓等[39]的研究,碳化硅CMMRF 材料去除机理可总结为:通过使用抛光液与碳化硅表面的改性层发生化学反应,生图13㊀CMMRF 材料去除模型[40]Fig.13㊀CMMRF material removal model [40]成硬度较低的氧化层,然后在磁流变抛光垫和磨粒的机械作用下对氧化层进行去除,以实现晶片表面材料的高效去除㊂同时,他们还发现了磁性粒子电离出来的二价铁与抛光液中的过氧化氢发生芬顿反应[40],生成具有超强氧化性的羟基自由基(㊃OH),然后㊃OH 与晶片表面的改性层发生反应,生成硬度较低的SiO 2层,最终在磨料和磁流变抛光垫的作用下进行机械去除,如此重复的过程可实现高质量的晶片表面㊂碳化硅CMMRF 的材料去除模型如图13所示㊂在CMMRF 碳化硅中,该工艺的磨料为半固着状592㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷态,相比于游离磨料工艺,该工艺材料去除高,但加工过程较复杂,还需进行工艺优化㊂通过以上机理及现状研究,不同CMP技术下碳化硅材料去除非均匀性的研究显示了各种方法的潜在优势㊂其中,ECMP和CMMRF对碳化硅材料的去除率较高,可进一步提高晶片表面材料去除的均匀性,但是CMMRF过程复杂,还需进行工艺优化以提高晶片表面材料去除的均匀性㊂不同CMP技术性能及优缺点如表2所示㊂表2㊀不同化学机械抛光技术性能及优缺点Table2㊀Performance and advantages/disadvantages of different chemical mechanical polishing technologies CMP技术晶片表面质量最大MRR优缺点传统CMP RMS<0.8nm(Si面)Ra<0.1nm<1000nm/h(Si面)表面质量好且加工损伤小,但抛光效率低PAP RMS>0.1nm<200nm/h软磨料将因活性自由基生成的氧化层去除且加工损伤小,但抛光效率最低CARE RMS<0.08nmRa<0.1nm<492nm/h㊃OH直接作用于晶片,不需添加磨料就能实现基晶片加工,但抛光效率低UV-CMP Ra>0.0539nm<400nm/h引入紫外光作用,可实现超精密加工,但受紫外光和催化剂影响且抛光效率低Fenton-CMP Ra>0.0965nm<200nm/h反应设备简单,但反应过程复杂且抛光效率低ECMP Ra>0.23nm<4000nm/h电化学作用且效率高,加工过程可控CMMRF Ra>0.42nm<6000nm/h磨料为半固着状态,突破了游离磨料对晶片的加工,材料去除高,但加工质量还需进行工艺优化综上所述,对于碳化硅晶片而言,不同的CMP技术具有特定的材料去除机理,CMP技术的选择要根据具体的应用情况来定㊂PAP㊁CARE㊁UV-CMP和CMMRF等技术均结合了化学反应和机械去除作用,可实现高质量的晶片表面,同时也可以减少纯机械作用对晶片表面的损伤㊂ECMP技术利用电化学改性和机械磨削相结合,能够实现高效抛光㊂然而,每种技术都有其适用的特定应用场景,选择合适的技术需要考虑加工要求㊁材料特性和设备条件等因素㊂4㊀碳化硅CMP中材料去除非均匀性影响因素分析在碳化硅CMP中,材料去除的非均匀性是指在抛光过程中不同位置或不同晶面的材料去除速率不同㊂通过文献调研,发现影响碳化硅CMP材料去除非均匀性的主要因素有:抛光压力㊁抛光液(磨粒)和转速㊂该部分将综述影响碳化硅CMP材料去除非均匀性的主要因素,分析不同因素对碳化硅晶片表面平整性的影响㊂4.1㊀抛光压力对材料去除非均匀性的影响抛光压力是碳化硅材料去除非均匀性的一个重要因素㊂如果抛光压力不足,可能导致磨料与碳化硅表面之间的接触不充分,减少了磨料对材料的切削作用㊂这会导致材料去除速率不均匀,表现为一些区域的材料去除较慢,而其他区域的材料去除较快㊂非均匀的材料去除可能导致晶片表面粗糙度和平坦度的不一致性㊂与压力不足相反,过大的抛光压力可能会导致磨料对碳化硅表面的切削过度㊂这可能引起表面的过度去除,形成凹陷或坑洞,导致表面不平整和不均匀的去除㊂过大的压力还可能引起磨料的堵塞或过度磨损,进一步影响材料去除的均匀性㊂为了实现材料去除的均匀性,抛光过程中需要实现压力均匀分布㊂压力均匀分布可以确保磨料在整个表面上均匀切削材料,从而获得一致的材料去除速率㊂因此,在碳化硅晶片CMP过程中,适当的抛光压力对实现均匀地材料去除非常重要㊂确保适当的压力水平,并实现均匀的压力分布,有助于获得表面平整度高㊁表面质量一致的抛光结果㊂庞龙飞等[1]基于CMP不同接触状态模型,研究了碳化硅晶片在抛光压力分别为160㊁220㊁280和340g/cm2下Si面的粗糙度,发现抛光后的晶片表面粗糙度会随着抛光压力的增大而变差,并对造成该现象的原因进行了分析:抛光压力的增加导致抛光垫压缩量变大,降低了抛光垫表面储存抛光液的能力,进而导致晶片与上下抛光盘之间的摩擦力增大,同时也导致晶片表面的粗糙度增大,晶片表面材料去除出现不均匀现象㊂晶㊀第4期孙兴汉等:碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展593㊀片Si面在不同抛光压力下的粗糙度如图14所示㊂图14㊀不同抛光压力下晶片Si面粗糙度[1]Fig.14㊀Surface roughness of the Si face of chips at different polishing pressures[1]甘琨等[41]将抛光盘和抛光头转速分别固定为30和50r/min,控制抛光液的速率为4.2mL/min,抛光时间为10h,分析抛光后晶片表面粗糙度随抛光头压力变化的影响,也发现晶片表面粗糙度受抛光压力影响;通过实验对比分析,发现抛光压力为200N时,抛光后晶片表面材料去除均匀,且其表面质量最好,抛光压力对晶片表面粗糙度影响如图15所示㊂图15㊀不同抛光压力情况下碳化硅晶片表面粗糙度[41]Fig.15㊀Surface roughness of silicon carbide wafers at different polishing pressures[41]哈尔滨工业大学陈浩[9]通过理论和实验分析了碳化硅CMP后的平整性,其建立的SiC与抛光垫的有限元接触模型如图16所示㊂通过有限元仿真,得出了晶片表面接触应力云图,如图17(a)所示,并对不同压力下晶片表面接触应力进行分析,发现:随着下压力的增加,边缘处的接触应力随之增加,导致晶片边缘区域出现 过抛 现象,即导致晶片表面出现材料去除非均匀性现象,降低了晶片表面的平整性㊂郭钰等[6]研究了抛光压力和pH值共同作用对晶片表面材料去除的影响,发现抛光压力为200g/cm2㊁pH值为8.5时,抛光压力为300g/cm2㊁pH值为9.5时,抛光压力为400g/cm2㊁pH值为9.5时,晶片表面的材料去除逐渐增大,之后再增加pH值也不能有效提高晶片表面材料的去除率㊂因此,抛光压力越大,需要匹配的抛光液的pH值越高,从而达到更大的去除速率,促使晶片表面材料去除更加均匀㊂。
一种有效去除CMP后表面吸附杂质的新方法
一种有效去除CMP后表面吸附杂质的新方法
李薇薇;檀柏梅;周建伟;刘玉岭
【期刊名称】《半导体技术》
【年(卷),期】2006(31)3
【摘要】CMP后大量颗粒吸附在芯片表面,根据颗粒在芯片表面的吸附状态,确立优先吸附模型。
利用特选的表面活性剂优先吸附在芯片表面可以有效控制杂质的吸附状态,使之处于易于清洗的物理吸附。
实验表明,特选的非离子界面活性剂能够有效去除CMP后表面吸附的杂质,达到较好的清洗效果。
【总页数】3页(P186-188)
【关键词】化学机械全局平面化;吸附;活性剂;颗粒;清洗
【作者】李薇薇;檀柏梅;周建伟;刘玉岭
【作者单位】河北工业大学微电子研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN405
【相关文献】
1.一种有效去除氟气中CF4杂质的新方法探索 [J], 李相如
2.利用表面活性剂有效去除ULSI衬底硅片表面吸附颗粒 [J], 李薇薇;刘玉岭;檀柏梅;周建伟;王娟
3.利用表面活性剂有效去除ULSI衬底硅片表面吸附颗粒 [J], 古海云;刘玉岭
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5.去除存储器硬盘基片CMP后表面污染物的新方法 [J], 李薇薇
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超精密表面抛光材料去除机理研究进展
第49卷第17期 2004年9月评述超精密表面抛光材料去除机理研究进展徐进雒建斌路新春张朝辉潘国顺(清华大学摩擦学国家重点实验室, 北京100084. E-mail: jinxu618@)摘要化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing, 简称CMP)是目前提供全局平面化最理想的技术,在超精密表面加工领域得到了大量研究和应用. 概述了超大规模集成电路(Ultra-large Scale Integration,简称ULSI)多层布线中硅片、介电层和金属材料以及磁头/硬盘片化学机械抛光材料去除机理的研究现状和发展趋势, 重点评述了化学机械抛光过程中抛光液研磨颗粒与抛光片表面间相互作用机制, 并提出了材料去除机理的研究方法.关键词CMP材料去除机理 磨损ULSI计算机硬盘在电子产业中, 起先导作用的两个行业是微电子产品和计算机制造. 它们相辅相成, 相互促进, 使得其高速发展, 呈现出高集成度和高性能化的发展趋势, 从而对许多部件表面提出了前所未有的特殊要求. 如计算机硬盘要实现77.5~155 Gb/cm2的存储密度, 要求盘片的表面波纹度W a<0.1 nm, 粗糙度R a<0.05 nm. 另外, 大规模集成电路的线宽不断下降, 并向结构立体化、布线多层化发展. 根据美国微电子技术发展构图[1], 特征线宽到2011年将减小到0.05 µm, 同时将开始使用450 mm晶片. 并要求如此大尺寸晶片表面具有纳米级面型精度和亚纳米级表面粗糙度, 同时要保证表面和亚表面无损伤, 已接近表面加工的极限. 要实现如此尖端的技术突破, 必须深入探讨超精密抛光表面加工材料去除机理[2]. 作为新一代超精密表面制造方法之一——化学机械抛光(CMP)技术是目前最好的实现全局平面化的工艺技术, 在集成电路[3~5]、计算机磁头/硬磁盘[6,7]等超精密表面加工领域得到了大量研究和广泛应用. 但由于传统的加工理论已不适用于解释抛光加工中的诸多现象, 人们对加工过程中的材料去除的科学规律仍缺乏深入的了解, 严格来说, CMP材料去除机理目前仍不完全被认识1). 开展这方面科学问题的研究, 不仅有助于揭示在电子产品极限制造条件下出现的新规律和新机制, 而且对探索制造新原理和新方法有重要理论意义. 本文概述了ULSI多层布线中硅片、介电层和金属材料以及磁头/硬盘片化学机械抛光材料去除机理的研究现状, 并重点阐述了化学机械抛光过程中抛光液研磨颗粒与抛光片表面间的相互作用机制, 以期在揭示超精密表面材料去除机理及抛光工艺研究中具有借鉴意义.1集成电路(IC)制造中的CMP1.1硅片硅衬底片CMP是获到高平整度、无缺陷和高反射表面的一个基本工艺过程, 抛光质量直接影响击穿特性、界面态和少子寿命, 对后续制造工艺质量起决定作用. 早在1990年, Cook[8]就提出材料的去除是由于随抛光液流动的研磨颗粒压入Si片表面的机械犁削作用, 并表明Si片CMP中化学作用材料去除过程取决于Si表面形成的SiO2层和颗粒与抛光液中的水和化学剂之间的相互作用. 借助于TEM分析Si(100)片抛光表面和剖面, 可以证实硅表面塑性切削/剪切及表面氧化产物的机械去除, 同时还观察到在抛光过程中抛光表面的非晶态转变[9]. 在影响去除机理的因素中抛光液颗粒粒径最为关键[10], 当采用粒径大于2 µm的颗粒对Si(100)进行抛光时, 材料通过脆性断裂去除. 当粒径小于0.3 µm时, 发现沿着{111}方向形成的位错网和滑移面导致材料发生塑性变形, 呈现从脆性断裂到塑性屈服过渡. 伴随粒径继续减小到50 nm时, 在HRTEM下没有观察到任何物理损伤(见图1), 从而间接地说明了发生在原子尺度上的抛光可能占主导作用.Graf等人[11]结合XPS、高分辨能量损失谱研究了Si片表面抛光过程在原子尺度上的去除机理, 提出材料去除过程表现为: 抛光液中的SiO2颗粒表面局部带有高浓度O H−离子,随抛光液流动的O H−离子1) Moon Y. Mechanical Aspect of the Material Removal Mechanism in Chemical Mechanical Polishing. PhD Thesis, University of California, Berkeley, 2002. 129~133评 述第49卷 第17期 2004年9月图1 Si(100)在粒径50 nm 的SiO 2抛光液中抛光后剖面HRTEM 照片[10]转移到硅片表面并发生反应, 导致硅片表面的硅反向键断裂, 从而实现硅材料的去除. Liu 等人的研 究[4,12]表明Si 片表面抛光是一个复杂的多相反应, 主要包括: 抛光时吸附在抛光垫表面上的活性成分与硅原子在表面进行氧化还原反应; 高速运动的SiO 2颗粒与抛光垫对硅片表面摩擦, 磨去反应产物进入抛光液中被带走, 以上两个过程的平衡和综合效应决定了总去除率和抛光质量. 1.2 介电层目前, 在ULSI 中通常采用SiO 2作为介质材料, 针对二氧化硅抛光机理已得到了大量研究[13~15] 1). 与Si 片的抛光相似, 抛光液颗粒粒径与材料去除机理密切相关. Mahajan [13]等人在实验基础上研究了当粒径从0.2 µm 增加到1.5 µm 时对去除机理的影响, 提出随粒径的增加材料的去除从表面积控制模型向颗粒犁削模型过渡, 并合理解释了浓度变化对抛光率的影响. 可是, 针对目前通常采用的小粒径(<100 nm)颗粒, 材料去除机理却呈现两种解释. 首先, 以Tomozawa [14]和Lei 1)等为代表提出抛光过程中研磨颗粒与氧化层间的摩擦作用导致SiO 2层的塑性变形随着温度升高变形加剧, 在塑性变形过程中伴随氧化物发生水合作用, 较软的水合氧化物层随后因颗粒的犁削作用而去除; 其次, Hoshino 等人[15]提出SiO 2层与颗粒反应形成大量化学键连接, 在机械作用下晶片表面的化学键Si-O-Si 被破坏, 导致硅原子离开抛光片表面以实现材料去除.近年来, 因为低介电常数k 材料良好的机械性能、热稳定性和热传导性能, 部分研究者已致力于低介电常数k 材料代替SiO 2的研究[16~18], 比如聚合物材料、有机/无机混合物, 他们发现这些材料的去除机理具有相似性, 即: 抛光液中润湿剂和活性成分颗粒接触抛光表面后被表面吸附, 并逐渐渗入表面, 同时发生化学反应, 导致表面钝化或弱化; 抛光液的剪切和抛光液颗粒的研磨作用去除表面改性层(钝化或弱化层), 去除产物脱离抛光表面随抛光液排出.1.3 金属层金属抛光机理与SiO 2抛光不同, 金属抛光过程不但受金相/微观结构变形过程影响, 而且抛光液成分更为复杂, 从而使金属去除机理研究愈加困难. 因为在工业和实验条件下有大量可供参考的金属W 抛光的数据, 并且W 的磨损性能与其他塑性金属的磨损行为较相似, 所以有关金属W 的抛光机理研究最具有代表性[19].Kaufman 等人[20]早在1991年就提出W 表面与抛光液间的化学反应生成表面膜, 薄膜达到一定厚度后停止增长, 形成自息性钝化层, 抛光片表面凸出部分与抛光垫接触区之间的机械犁削去除钝化层, 被磨除部分从表面附近去除. 最近, 有关金属抛光机理的大多数分析和模型建立均以此为基础[21,22]. 可是该模型仅基于宏观分析, 没有深入微观过程的讨论. Anantha [23]在蠕变变形动力学基础上进行了金属 W-CMP 材料去除机理的微观结构研究, 观察到抛光过程对金属晶粒结构和取向的影响, 外界应力作用诱导表面原子和空穴沿晶界的迁移和扩散控制了薄膜变形, 一旦该变形超过材料的临界值, 材料脱离抛光表面, 从而说明抛光中表面氧化膜形成后, 材料的研磨去除主要受原子尺度的微观结构过程控制. 与此类似, Kneer [24]等人还提出化学腐蚀引起的晶内断裂是W 抛光材料去除的主导因素. 为了验证颗粒犁削和晶内断裂等材料去除机理, Stein 2)进行了大量的AFM 和TEM 观察, 结果表明晶间断裂和机械研磨都不可能是W 抛光过程中的主要去除机理. 在考虑颗粒吸附作用基础上, Asare [25]提出了另一种去除机制, 表明在一定条件下纳米尺度的金属氧化物颗粒累积在金属抛光表面形成氧化物膜, 颗粒在碰撞过程中与氧化物间发生异质吸附而实现氧化物膜的去除.近几年来, 在ULSI 制造中出现W 被Cu 代替的趋势, 相应已有大量相关的Cu 抛光机理的研究[26~30]. 钝化层形成理论同样适合于Cu 的抛光[26]. 可是, Cu1) Lei S, Mechanical interactions at the interface of chemical mechanical polishing. PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, 2000. 63~85 2) Stein D. Mechanistic, Kinetic, and Processing Aspects of Tungsten Chemical Mechanical Polishing. PhD Thesis, University of New Mexico, 1998. 119~164第49卷第17期 2004年9月评述与W的抛光有所不同, 它在低pH值抛光液中和非钝化条件下也能进行抛光[27]. Li[28]比较了Al2O3和SiO2颗粒对Cu抛光的行为, 发现材料的去除决定于颗粒硬度和抛光表面膜硬度, Al2O3抛光液的抛光率随抛光表面膜硬度而变化, 机械磨损占主导因素, 而SiO2抛光液却与薄膜的硬度没有直接关系, 其去除机理更复杂. Liang等人[29]进一步对SiO2抛光液抛光的Cu 表面分析, 推测出基于化学作用的两种抛光机理: 第一, 在碱性溶液中, 表面钝化膜形成, 抛光颗粒与抛光垫间的机械能激发了氧化物膜的表面能, 破坏了铜氧化物的键连接, 部分铜氧化物溶解在抛光液中; 第二, 抛光过程中形成纯铜表面, 表面能受机械作用激发, 铜键断裂, 铜原子在抛光液中很快被氧化为Cu2O, 然后随抛光液排出. Wei[30]在此基础上进行更深入的分析, 提出在低浓度抛光液中, 形成了Cu2O 表面膜, 每个氧原子可以带走2个Cu原子, 产生了较快的去除率, 而高浓度抛光液中则形成CuO, 每个氧原子仅带走1个Cu原子, 因此降低了去除率.可以发现, 上述Cu-CMP材料去除机理的研究仅涉及某一方面或几方面因素, 不能真实反映CMP过程. Gotkis等人[31]填补了去除率研究方面的一些空白, 提出: RR = k chem·(RR mech)0+ k mech·(RR chem.)0.式中RR表示去除率, (RR mech)0和(RR chem.)0分别表示表面材料在没有任何化学辅助作用下的纯粹研磨磨损和没有研磨作用发生下纯粹的化学溶解, k chem和k mech分别表示抛光表面化学改性和机械作用影响系数, k chem和k mech 随着抛光液成分和浓度、抛光工艺参数和抛光材料等因素的变化而变化, 材料去除机制也因此不同. 该模型为从不同角度讨论Cu-CMP过程提供了思路, 根据k chem和k mech的变化可以得到不同的抛光区域. Steigerwald[32]根据抛光率随腐蚀剂浓度和压力的变化将抛光分为两个区域: 溶解率饱和区与研磨率饱和区. 在低浓度时, 抛光去除率受铜和表面形成的氧化铜的溶解率限制, 化学作用占主导因素; 而在高浓度时, 抛光率受表面研磨率限制, 机械摩擦占主导因素. 而Luo[22]则根据去除率随颗粒质量浓度的变化划分为3个区域: 化学腐蚀控制的去除率快速增加区, 机械研磨作用控制的线形增长区和饱和区.因为钽(Ta)在铜互连线IC制造中的较好阻挡效果, Ta的CMP机理已得到越来越多的研究. Ta的去除机理与其他金属材料类似, 主要表现为表面钝化层的形成和去除[33]. 可是, 抛光液pH值的影响尤其显著, pH值的变化可能引起表面钝化膜物理或化学性能变化[34,35], 也可能导致研磨颗粒与Ta表面膜静电相互作用的变化[36], 去除机理也随之改变.2 计算机磁头/硬磁盘加工中的CMP在计算机硬盘中, 磁头、磁盘的表面粗糙度、波纹度和纳米划痕不仅影响磁头的飞行稳定性, 而且影响表面的抗腐蚀性. 下一代磁头要求表面粗糙度和波纹度达到埃量级时, 已接近抛光加工的极限, 该方面的研究技术和理论都是国际公认的难题. 同时, 该领域研究的保密性极高, 有关其表面材料去除机理研究的报道极少. 在硬盘片抛光研究方面, 雒建斌[7,37]和马俊杰1)等人研究了固体颗粒尺寸、抛光液组分对Ni-P合金表面层抛光性能的影响, 在AFM观测(见图2)和AES分析基础上推测了材料去除机理: 首先Ni-P表面被抛光液中的Fe3+氧化剂氧化, 表面生成一层氧化膜, 使强度降低, 盘片表面脆化, 然后抛光液中的SiO2颗粒磨去氧化层, 如此循环, 由于盘片表面的突起部分首先被去除, 从而实现表面的全局平面化.3CMP过程的理论分析与计算数值计算的应力偶模型以及分子动力学模拟可以克服实验和测试的局限, 在CMP机理研究中得到大量应用, 目前已成为一个活跃的领域. 早在1927年, Preston[38]就提出了第一个机械模型, 建立了材料图2 商用抛光液抛光后盘片表面的AFM图象1)1) 马俊杰. 计算机硬盘盘片化学机械抛光的实验研究. 清华大学硕士论文, 2003. 61~68评述第49卷第17期 2004年9月去除率与摩擦功之间的经验关系. Warnock[39]在此基础上建立可考虑抛光中多种几何特征, 其在物理学上是合理的, 可是它并未完全揭示磨损机理. Liu 等[40]基于磨粒在抛光垫和硅片之间的滚动运动分析了CMP的磨损机理. Sundararajan等人[2]在假定抛光液腐蚀为主要的去除机理基础上, 计算了CMP过程中的抛光液膜厚度和流体压力, 然而它忽略了嵌入抛光垫表面磨粒的机械磨损. Larsen-Basse和Liang[19]模型指出CMP的主要磨损机理是由抛光液中的颗粒所产生的磨损. Zhang等人[41,42]提出了描述CMP润滑行为的Reynolds方程的数值求解方法, 给出了数值模拟的无量纲载荷、力矩与间隙、旋转角度和倾角等的变化关系, 为材料去除机理研究提供了参考信息.从上述实验和理论研究可以发现, 几乎所有材料去除机理的研究首先是研究抛光材料或抛光工艺参数的变化对抛光去除率的影响, 然后从中推测出物理或数学模型, 最后再将模型应用于有限的实验中验证. 采用这些模型对揭示CMP加工过程的本质还存在相当的局限性. 迄今为止仍没有能完整描述CMP材料去除机理的模型, 这与不能从大量抛光因素中准确提炼出关联机理的信息密切相关. 因此, 有必要首先对抛光过程中一些本质问题(如颗粒与抛光表面相互作用)进行研究, 然后在此基础上展开对抛光机理的探索.4 CMP过程中颗粒与抛光片表面相互作用无论集成电路中Si衬底、介电层、金属层, 还是计算机磁头/磁盘, 尽管它们的抛光机理均未得到清楚的认识, 可是, 在没有氧化剂条件或没有研磨颗粒条件下的抛光液中进行试验都表明不可能得到要求的抛光去除率, 从而说明机械作用在全局平面化中的重要作用. CMP过程中的机械作用通常在两种典型的接触模式[43,44]下存在, 即流体动力学模型和固体/固体接触模型. 当抛光表面承受压力较小、相对速度较大时, 在抛光垫与抛光片表面间形成一层薄流体膜, 抛光液中固体颗粒大小(纳米尺度)比流体膜厚度(微米尺度)小得多, 大部分颗粒对材料去除没有贡献, 材料去除主要由悬浮在抛光液中颗粒的三体研磨和抛光液的化学腐蚀作用. 当压力较大、相对速度较小时, 被抛光表面片与抛光垫表面相互接触, 两体和三体磨损同时存在. 如图3[45]所示, 在两体磨损中, 嵌入抛光垫表面的颗粒的犁削效应实现材料去除, 在抛光垫与抛光表面未接触区的凹陷处的颗粒不会嵌入抛光垫, 它不起作用或者发生三体磨损, 相对于在抛光片/抛光垫接触区发生的两体磨损而言, 三体磨损的材料去除量可以忽略.在这两种接触条件下, 抛光高速旋转下的颗粒和抛光垫粗糙峰与抛光表面间的材料去除磨损机制主要包括磨粒磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损[44]. 在CMP过程中, 当抛光件与抛光垫间存在相对速度, 镶嵌在抛光垫或片子表面的颗粒沿抛光片表面的移动磨损表面, 移动包括滑动和滚动. Liang 等人[45]已观察到颗粒在片子表面滑动和滚动痕迹. 提出颗粒在片子表面上滚动时, 尽管只有粘着磨损发生, 然而粘着磨损和磨粒磨损是CMP过程的主要磨损机制. 决定嵌入表面的颗粒是否移动, 它取决于诸多因素, 包括颗粒和基体的变形、相对速度、粘着力、表面硬度和摩擦系数等. 决定颗粒在表面是滚动还是滑动同样是非常重要的, 以便于确定CMP过程中发生的磨损机理. 并非所有接触抛光片的颗粒都会产生有效的材料去除, 当颗粒在表面滚动时出现粘着磨损, 因为滚动导致的晶片表面材料去除相对较小; 当颗粒是被抛光垫牢固镶嵌至于在抛光片表面滑动时, 颗粒与晶片表面间的相互作用变得显著, 导致抛光表面明显的物理和化学变化, 抛光片表面出现磨粒磨损的材料去除, 该滑动条件主要受颗粒/抛光垫和颗粒/晶片之间的表面摩擦来决定, 除摩擦系数和接触面积外, 还决定于接触界面的法向力, 从而引出了达到有效材料去除率的临界力条件模型[46].尽管材料磨损去除机理已得到广泛认可, 可是Moon1), Stein和Cecchi[47]和Bielman[48]等人的实验研究却表明在高质量的抛光表面很少有犁削痕迹发现, 提出材料的主要去除机理不是颗粒对抛光片表图3 抛光表面与抛光垫接触示意图[43]1) 见1700页脚注第49卷第17期 2004年9月评述面的机械犁削. 另外, 在理论方面, 磨粒磨损要求磨粒先压入表面然后犁削, 然而, 通过理论计算表明, 颗粒压入表面的深度往往在原子量级或更小, 如在常见工艺和参数下, Luo和Dornelf[43]的计算结果为0.07 nm. 在这种尺度下, 材料不可能在分子甚至更小尺度上发生犁削去除, 建立在连续介质力学基础上的犁削去除模型面临挑战. 因此, 采用非连续介质理论来分析分子/原子大小或纳米尺度化学机械抛光机理可能更为合理.在考虑表面分子结合能基础上, Pietsch[49], Ho-shino[15], Vijayakumar[50]和Zhao[51]等提出了建立在非连续介质理论基础上的材料去除机理, 主要内容包括: 抛光过程中化学反应完全改变了表面原子或分子间的键合能力, 使其变成弱键合分子, 一旦机械作用传递的能量足以断裂弱键合分子所需的能量, 结果表现为表面凸起部分在原子或分子尺度上发生材料去除.5结论CMP过程是发生在微纳米尺度上一个动态过程, 是在一定运行条件下诸多因素的综合作用效果. 材料去除机理的研究可能涉及到研磨过程、腐蚀过程、电化学、流体动力学等, 另外, 新材料的层出不穷(如Cu、Cu合金、扩散阻挡层、低k介电层聚合物和有机硅玻璃材料等), 抛光研究已成为一个非常活跃的领域, 这些新材料抛光实质上更加复杂. 这与CMP 的实际应用水平严重失调. 因此, 要实现抛光材料去除机理研究的突破, 可以从以下几个科学问题开展研究:(1)抛光表面与单个研磨颗粒间的物理化学行为研究. 消除其他因素的耦合效应, 独立研究抛光表面与单个颗粒间的相互作用规律, 如采用AFM技术去研究单个颗粒与抛光表面间的相互作用及其在不同抛光液下对去除率的影响.(2)抛光表面与研磨颗粒间的粘着和碰撞问题研究. 设计模拟CMP过程的强化实验, 研究发生在纳米尺度下的粘着和碰撞去除机制.(3)抛光过程中纳米颗粒运动规律的测试研究. 采用先进测试技术, 如采用激发荧光技术在线研究抛光液在抛光片表面的流动规律和颗粒与抛光表面间相互作用.致谢本工作为“973”计划项目(批准号: 2003CB716201)和国家自然科学基金重大项目(批准号: 50390060)资助项目.参考文献1 Hahn P O. 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CMP加工过程中均匀去除率的研究
点所做的功与半径的立方成正比（在压力相同的情 况下），所以可以得到 ＣＭＰ 过程中沿半径方向的抛 光去除率差异很大。
将晶圆分成若干区域，在不同的区域施加不同 的压力，使其达到所做的功相等的目的。如图 ５ 所示。
电 子 工 业 专 用 设备
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｐｒ ｏｄｕｃｔｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ ｉｎｇ
ＥＰＥ
ωｃ 为抛光头的角速度 从公式中可以看出，晶圆上各点的线速度随半 径的增加而变大。中心区域的速度最底而外缘区域 的速度最高。为了提高晶圆中心区域的相对速度， 使抛光台的转速提高，这样以来抛光头外缘处的相 对速度也增加了，为了使晶圆各点在旋转过程中同 半径各点的相对速度差越小越好，所做的功相等， 获得均匀的抛光去除率。如图 ３ 所示。
从 ２０ 世纪 ９０ 年代初期 ＤＡＰＲＡ 开始 ＲＦ ＭＥＭＳ 的研究到现在已经有 ６０ 家公司活跃于 ＲＦ ＭＥＭＳ 开关的产品化［７］，可见静电 ＲＦ ＭＥＭＳ 开关的发展 是很迅速的，当然除了本文提到的一些问题，诸如 封装、工作速度等问题也制约着 ＲＦ ＭＥＭＳ 开关的 产品化。但是相信静电 ＲＦ ＭＥＭＳ 开关是继 ＦＢＡＲ 后可以取得重大突破的 ＲＦ ＭＥＭＳ 器件。
参考文献：
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2024年化学机械抛光(CMP)技市场调查报告
2024年化学机械抛光（CMP）技市场调查报告1. 简介化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，简称CMP）是一种常用于半导体制造过程中的超精密加工技术。
该技术结合了化学溶液和机械摩擦的作用，有效地去除材料表面的微米或纳米级缺陷，以获得高质量的平整表面。
2. 市场规模根据市场调查数据显示，CMP技术在半导体制造行业中有着广泛的应用。
随着半导体行业的发展和需求的增长，CMP市场规模也在不断扩大。
预计到2025年，CMP 技术市场的价值将超过100亿美元。
3. 市场驱动因素CMP技术在半导体行业中的应用越来越广泛，主要得益于以下几个市场驱动因素：3.1 半导体产业的发展随着消费电子产品市场的扩大，半导体产业也得到了快速发展。
半导体元件的制造需要高精度和高质量的表面处理，而CMP技术正是满足这一需求的最佳选择。
3.2 新一代芯片设计新一代芯片的设计越来越复杂，要求更高的制造工艺。
CMP技术能够提供优质的平整表面，有助于实现更高的芯片集成度和性能。
3.3 纳米技术的应用纳米技术的快速发展推动了CMP技术的需求。
纳米级的尺寸要求对制造工艺的精度和控制能力提出了更高的要求，CMP技术在这一领域的优势得到了充分发挥。
4. 市场竞争CMP技术市场竞争激烈，主要供应商包括：•Applied Materials•Cabot Microelectronics Corporation•Ebara Corporation•Dow Chemical Company•3M Company这些公司通过不断的技术创新和产品改进来提高市场份额。
5. 市场前景与机会CMP技术市场前景广阔，未来几年预计将保持稳定增长。
随着新兴技术的发展，如人工智能、物联网和汽车电子等领域的快速增长，CMP技术将得到进一步的推动和应用。
目前，CMP技术仍然存在一些挑战，如成本高、工艺复杂等问题，但随着技术的进步和市场需求的增长，这些挑战也将逐渐得到解决。
磨粒振动对碳化硅CMP的微观结构演变和材料去除的影响
磨粒振动对碳化硅CMP的微观结构演变和材料去除的影响唐爱玲，苑泽伟，唐美玲，王 颖（沈阳工业大学机械工程学院, 沈阳110870）摘要 针对化学机械抛光中磨料易团聚、机械和化学作用不能充分发挥等问题，采用振动辅助的方法进行优化。
通过分子动力学模拟，分析磨粒振动的频率、振幅及其压入深度、划切速度对工件表面微观原子迁移的演变规律，揭示振动对材料去除和表面改善的促进机制；并通过振动辅助化学机械抛光工艺试验和表面成分分析，验证振动辅助的抛光效果和去除机制。
结果表明：适当增大磨粒的振动频率、振动振幅及其压入深度、划切速度，可有效提高工件表面的原子势能和温度；磨粒振动有利于提高工件表面原子的混乱度，促进碳化硅参与氧化反应，形成氧化层并以机械方式去除；抛光试验和成分分析也证实振动可以提高材料去除率约50.5%，改善表面质量约25.4%。
关键词 碳化硅；振动；化学机械抛光；分子动力学中图分类号 TG74;TG58;TG175 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2024)01-0109-14DOI码 10.13394/ki.jgszz.2023.0053收稿日期 2023-03-07 修回日期 2023-04-09单晶碳化硅是第三代半导体材料的典型代表，具有高热导率、宽禁带、耐高温高压等优良性能[1-4]，在半导体照明、国防军工、太阳能等新兴领域具有十分广阔的应用前景[5-7]。
然而，单晶碳化硅硬度大，采用传统的加工方式抛光碳化硅效率较低，表面粗糙度较高[8-9]。
同时，碳化硅材料的脆性较大，在加工过程中极易产生裂纹。
目前，通过化学机械抛光（chemical-mechanical polishing，CMP）能够得到表面质量较高的碳化硅晶片，因此其常作为加工单晶碳化硅的最后一道工序[10]。
但传统CMP中会出现磨粒团聚、分布不均匀等现象，影响抛光效率，降低工件抛光质量。
而在传统CMP 中加入振动可以提高材料的去除效率[11]，如超声振动辅助抛光可使铜基底的材料去除率提高50%～90%[12]。
半导体芯片化学机械抛光过程中材料去除机理研究进展
半导体芯片化学机械抛光过程中材料去除机理研究进展半导体芯片化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是一种重要的加工技术，用于平坦化半导体材料表面。
它的基本原理是结合化学刻蚀和机械摩擦来去除材料表面的凸起。
目前，人们对CMP过程中的材料去除机理进行了广泛的研究。
其中，以下几个方面是重要的研究进展：1. 摩擦力和切割机制：研究者们通过实验和仿真模拟来探究CMP过程中的摩擦力对材料去除的影响。
他们发现，摩擦力对CMP过程中的材料去除起着重要作用。
此外，还有研究表明，切割机制是CMP过程中材料去除的主要方式之一。
2. 材料去除速率的控制：研究人员发现，CMP过程中的材料去除速率可以通过多种因素来控制，比如材料的硬度、颗粒形状和尺寸、化学溶液的成分等。
他们针对不同的材料和工艺条件，进行了系统的实验研究，为CMP过程的优化提供了理论依据。
3. 表面质量和平坦度：在半导体芯片制造过程中，表面质量和平坦度是关键指标。
研究人员通过改变CMP过程中的压力、速度、溶液浓度等参数，来研究这些因素对表面质量和平坦度的影响。
他们还通过使用不同的抛光垫材料和化学溶液，来改善芯片表面的质量。
4. 环保性和经济性：CMP过程中产生的废液和废料对环境造成了一定的影响。
因此，研究人员致力于寻找更环保和经济的CMP工艺。
他们开发了一系列新型的抛光垫材料和化学溶液，以减少对环境的污染，并提高工艺的经济性。
在未来的研究中，人们将继续探索新的材料和工艺，进一步提高CMP的性能和效率。
此外，与CMP相关的领域，如CMP模拟和表征、CMP装备的设计和控制等，也将得到更多的关注和研究。
5. 复杂材料的CMP研究：除了传统的硅基材料，现在还有各种复杂材料在半导体芯片制造中得到广泛应用，如氮化硅、钨、铜等。
这些材料的CMP特性与传统硅材料有所不同，因此研究人员在CMP过程中对这些复杂材料的材料去除机理和参数优化进行了深入研究。
CMP后清洗技术的研究进展
Outlook and Future
CMP 后清洗技术的研究进展
雷红
( 上海大学 纳米科学与技术研究中心, 上海 200444)
摘要: 化学机械抛光 ( CMP) 技术是目前广泛采用的几乎唯一的高精度全局平面化技术, 抛 光后表面的清洗质量直接关系到 CMP 技术水平的高低。介绍了各种机械、物理及化学清洗方法 与工艺技术优缺点, 指出了清洗剂、清洗方式是 CMP 后清洗技术中的关键要素。综述了 CMP 后 清洗技术的发展现状, 分析了 CMP 后清洗存在的问题, 并对其发展趋势进行了展望。
目前常用的 CMP 后清洗的方法有浸泡、喷淋、 擦洗、超声波、兆声波[ 5] 等。其中浸泡、喷淋大多 作为中间过程, 不是单独的清洗方法。
擦洗是一种应用广泛、低廉、高效的接触式清 洗方式, 是刷子和工件表面持续接触的介于边界到 弹流润滑的摩擦学过程, 通过刷子与 Si 片 表面的 接触力结合液力的拖曳力作用, 去除 Si 片 表面抛 光过程中渗入的颗粒[ 6] 。
FD= 5 1 d pvx 式中: 是流体黏度; dp 是粒 子直径; vx 是在粒 子中心与基片平行的流体速度。可见粒子越大, 液 体拖曳力越大, 越容易被去除。
擦洗方法易产生表面损伤。液体动力边界层的 提升力较小, 不足以移除 Si 片表面抛光过 程中渗 入的颗粒, 必须依靠擦洗刷子与 Si 片表面 的直接 接触 力 结合 液 力的 拖 曳作 用力 才 能 使之 有 效 去
随着对表面洁净度要求的提高, 为有效去除 Si 片表面 CMP 后的微米及纳米级微粒, 激光诱导振 荡、等离子体、气相、臭氧 紫外、干冰等新型清
370 半导体技术第 33 卷第 5 期
2008 年 5 月
雷红: CMP 后清洗技 术的研究进展
CMP化学机械抛光Slurry的蜕与进(DOC 6页)
CMP化学机械抛光Slurry的蜕与进(DOC 6页)CMP Slurry的蜕与进岳飞曾说：“阵而后战，兵法之常，运用之妙，存乎一心。
”意思是说，摆好阵势以后出战，这是打仗的常规，但运用的巧妙灵活，全在于善于思考。
正是凭此理念，岳飞打破了宋朝对辽、金作战讲究布阵而非灵活变通的通病，屡建战功。
如果把化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)的全套工艺比作打仗用兵，那么CMP工艺中的耗材，特别是slurry的选择无疑是“运用之妙”的关键所在。
“越来越平”的IC制造2006年，托马斯•弗里德曼的专著《世界是平的》论述了世界的“平坦化”大趋势，迅速地把哥伦布苦心经营的理论“推到一边”。
对于IC制造来说，“平坦化”则源于上世纪80年代中期CMP技术的出现。
CMP工艺的基本原理是将待抛光的硅片在一定的下压力及slurry（由超细颗粒、化学氧化剂和液体介质组成的混合液）的存在下相对于一个抛光垫作旋转运动，借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面材料的去除，并获得光洁表面（图1）。
1988年IBM开始将CMP工艺用于4M DRAM器件的制造，之后各种逻辑电路和存储器件以不同的发展规模走向CMP。
CMP将纳米粒子的研磨作用与氧化剂的化学作用有机地结合起来，满足了特征尺寸在0.35μm以下的全局平坦化要求。
目前，CMP技术已成为几乎公认的惟一的全局平坦化技术，其应用范围正日益扩大。
目前，CMP技术已经发展成以化学机械抛光机为主体，集在线检测、终点检测、清洗等技术于一体的CMP技术，是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物。
同时也是晶圆由200mm向300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。
Slurry的发展与蜕变“CMP技术非常复杂，牵涉众多的设备、耗材、工艺等，可以说CMP本身代表了半导体产业的众多挑战。
半导体材料CMP过程中磨料的研究进展
半导体材料CMP过程中磨料的研究进展摘要：半导体材料的化学机械抛光（CMP）在半导体制造中扮演着至关重要的角色。
随着半导体技术的不断进步，对于CMP过程中磨料的研究也日益引起人们的关注。
磨料作为CMP过程中的关键因素之一，直接影响着半导体器件的制备质量和性能。
因此，深入了解磨料的特性、作用机制以及其在CMP过程中的应用具有重要意义。
关键词：半导体材料；CMP；过程；磨料引言随着半导体技术的飞速发展，化学机械抛光（CMP）技术在半导体材料加工中发挥着越来越重要的作用。
CMP过程的核心在于通过化学腐蚀与机械磨削的协同作用，实现晶圆表面的纳米级平坦化。
而磨料作为CMP过程中的关键组成部分，其性能与特性直接影响着抛光效果和材料表面的质量。
因此，对磨料的研究进展进行综述和分析，对于优化CMP工艺、提高半导体材料加工质量具有重要意义。
1.半导体材料CMP过程简介化学机械抛光（CMP）是半导体制造中一种重要的平坦化技术，在CMP过程中，基片表面会与抛光垫、磨料及化学试剂发生复杂的物理化学反应，从而实现材料的去除和表面的平整化。
CMP广泛应用于半导体工艺中的金属层、硅氧化层、沟槽等的平坦化加工。
CMP的基本原理是通过机械摩擦和化学腐蚀的协同作用来实现材料的选择性去除，具体来说，在CMP过程中，基片表面会受到抛光垫的机械作用和化学试剂的化学作用的双重影响。
其中，磨料在CMP过程中扮演着关键的角色。
磨料会在基片表面滚动摩擦，在机械力的作用下去除基片表面的材料。
同时，化学试剂会与基片表面发生反应，使材料变得更加易于被磨料去除。
通过对CMP工艺参数如磨料种类、浓度、pH值等的优化调整，可以实现对不同材料的精确控制和高质量的平坦化。
CMP技术的发展对于推动半导体器件朝着小型化、高集成度和高性能的方向发展起到了关键作用。
因此，深入研究CMP过程中磨料的特性及其对CMP性能的影响至关重要。
2.磨料在CMP过程中的作用2.1磨料的类型和特性磨料在化学机械抛光（CMP）过程中扮演着至关重要的角色，磨料的类型和特性直接影响着CMP的效率和成品质量。
超高去除速率铜CMP研磨剂的开发
超高去除速率铜CMP研磨剂的开发高密度IC 器件涉及互连的多层堆叠。
化学机械平坦化（CMP）工艺为光刻需求提供了晶圆上的平滑表面，已成为半导体制造中获得高良率的关键工艺。
当半导体工业向45nm 及更小节点前进时，集成方案正面临着平衡互连特征尺寸缩小和互连材料物理性质极限的挑战。
硅通孔（TSV）以穿过晶圆的互连结构堆叠芯片构造，能减少焦耳热效应和芯片所占面积，同时增加互连密度。
它可以增加输入-输出点数，并使芯片实际成本降到最低。
TSV 是穿过晶圆总厚度垂直形成的导电路径，这能降低互连路径的复杂性并可使封装中有更多的输入-输出通道。
TSV 制作中采用铜作为互连材料。
在这种Cu 3D TSV 工艺中，通孔被铜填充，同时也在晶圆上淀积了一层厚的不均匀铜层。
覆盖的铜层厚度为3-20μm，需用CMP 除去，只留下通孔中的Cu，建立贯穿晶圆的互连（图1）。
除去这种厚Cu 层要求优化Cu CMP 工艺。
主要的要求之一是超高速Cu CMP 工艺，以获得合理的工艺时间和产额。
一般来说，Cu CMP 研磨剂含有磨料粒子、氧化剂、腐蚀抑制剂和pH 调节剂。
为了得到某种性能，有时还加入络合剂、表面活性剂、流变调节成分和其它特殊成分。
CMP 要求去除速率、平坦化和表面质量间的平衡。
为了达到这一平衡，将腐蚀抑制剂引入配方中。
其作用是钝化表面，使氧化速率得到控制，防止表面凹坑和刻蚀。
Cu 去除速率取决于表面氧化速率、钝化速率、刻蚀速率、Cu 消失速率和磨料粒子对钝化膜的抛光效率。
Cu 的高去除速率可能引起表面高腐蚀、高缺陷率和表面形貌控制差。
开发3D TSV Cu CMP 研磨剂的真正挑战是如何达到超高Cu 去除速率，而又有好的平坦化、表面形貌、缺陷率和表面粗糙度。
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Ｃ ＭＰ材 料 去 除 机 制 的研 究 进 展
蒋建 忠 袁 晓林 赵 永武
（． １ 江南 大学机 械工程学院 江苏无锡 ２ ４２ ；２ １ １２ ．常州轻工 职业技术 学院 江苏常州 ２ ３０ ） １０ ４
摘 要 ：Ｃ Ｐ已成 为 Ｉ 造 中的 关键 工 艺 之一 ，其 材 料 去除 机 制及 理 论 模 型 的研 究 已经 成 为 当前 Ｃ Ｐ研 究 的热 点 。 Ｍ ｃ制 Ｍ
对Ｃ ＭＰ过程 的影 响 还需 深 入 研 究 。 关键 词 ：机 械化 学 抛 光 ；材 料 去 除机 制 ；模 型 ；芯 片 中 图分 类 号 ：Ｔ Ｉ５ ５ ；０ ８ ． 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ５ ０ ５ （ ０ １ Ｇ １． ８ ４４ ４ ２４— １０ ２ １ ）５—１ １ ５ ０ —
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综述 基 于 流 体 润 滑 、磨 粒磨 损 、化 学作 用 、原 子／ 子去 除等 不 同机 制 的 集 成 电路 芯 片 化 学 机 械 抛 光 （ ＭＰ 材料 去 除 分 Ｃ ） 率 的理 论 模 型 的研 究 现 状 和进 展 ，分 析 和 比较 基 于不 同假 设 的理 论 模 型 ，展 望 Ｃ Ｐ材 料 去 除机 制 研究 的未 来 发 展 方 向。 Ｍ Ｃ ＭＰ理论 真 正 应用 于实 际 生产 指 导 ，许 多影 响 因 素 的定 量 研 究 还 要 细 化 ，抛 光 盘 的黏 弹性 和 抛 光 液 的流 体 动 力 学 性 能
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２１ ０ １年 ５月 第３ ６卷 第 ５期
润 滑 与 密 封
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