第5期 杜家熙等：单晶硅片化学机械抛光材料去除特性 609。 报道.本文根据CMP过程中硅片表面材料的磨损 Rodel公司生产的IC-1000/Suba IV平抛光垫，实验 行为，对硅片CMP时的材料去除率进行了实验研 用水为18.24M2的去离子水.实验所用的三种抛 究. 光液由天津晶岭电子材料科技有限公司提供：$1号 为FA/0标准单晶硅抛光液：S2为纯磨粒抛光液 1材料去除率的构成 (所用的磨粒加去离子水配制，含量与$1号标准抛 影响硅片CMP过程的因素很多，且每一个影 光液相同)：S3号为无磨粒抛光液. 响因素的变化都会影响到硅片CMP系统输出参数 硅片材料去除率的测量采用德国赛多利斯 的变化，即影响到硅片CMP材料去除的机理，各影 (SARTORIUS)CP225D超精密电子分析天平(0~ 响因素之间还具有微妙的交互作用.从物理和化学 80g时精度为0.01mg).每次抛光前检测硅片质量 的角度分析，可以把众多的影响因素对硅片CMP 并记录，抛光后先用去离子水清洗硅片，然后用超净 材料去除作用机理的影响归纳为化学作用机理、机 压缩空气把硅片吹干再称重，便可计算出材料去除 械作用机理及其交互作用机理.由于硅片化学机械 率. 抛光是化学作用与机械作用相结合的复杂过程，为 2.2实验参数选择 了更进一步理解硅片CMP的材料去除机理，可把 在硅片CMP实际操作中，抛光压力一般在 硅片化学机械抛光的材料去除分解为磨粒、抛光垫 2.068×10~69X10Pa内，常用的是3.5X10~ 的机械作用去除率，抛光液的化学作用去除率，磨粒 4.2×104Pa7,所以取抛光压力Po=4.2X 与抛光液的机械化学交互作用去除率以及抛光垫与 10Pa.根据硅片CMP实际工作条件及实验机台的 抛光液的机械化学交互作用去除率，则总的材料去 实际情况，选择抛光参数为：中心距e=60mm,抛光 除率为： 头摆幅A/2=5mm,抛光头匀速摆动，速度为= M RR=M RR+M RRmP+M RRmAM RRcp+ 2.5mms1,抛光液流量为100 mL'min,抛光时 AM RRe十AM RRm p十△ARRm a(I) 间设置为5min.每次抛光前用抛光垫专用金刚石 式中，MRR为总的材料去除率，MRRc为抛光液化 修整器及去离子水对抛光垫修整15minm,同时在抛 学腐蚀作用引起的材料去除率，M RRmp、MRRm_a 光时还用金刚石修整器对抛光垫进行在线修整. 分别表示只考虑抛光垫、磨粒的机械作用材料去除 3实验结果与分析 率，△MRR。p△MRR。a分别表示由抛光垫、磨粒的 3.1硅片静态腐蚀下化学作用实验结果 机械作用所增强的化学作用材料去除率， 将直径50mm的单晶硅片分别放入S1号标准 △MRRm-P△M RRma分别表示由化学作用所增强 抛光液中浸泡Ih,浸泡过程中不断搅拌抛光液，三 的抛光垫、磨粒的机械作用产生的材料去除率 次材料去除率的平均值为0.05nm°min',说明单 设△MRR为CMP时的机械与化学交互作用去 晶硅片在抛光液中的静态化学作用材料去除率接近 除率，△MRRp为抛光垫的机械与抛光液的化学交互 于零，可忽略不计，则有MRR≈0. 作用材料去除率、△MRB为磨粒的机械与抛光液的 3.2抛光垫及磨粒的机械作用材料去除率分析 化学交互作用材料去除率，则有： 通过用去离子水抛光实验来看，抛光垫引起的 △MMR=△MRRa+△MRRp (2) 材料去除率基本为零.因此，在没有化学作用时，抛 △MRR=△MRRm十△MRRe_a (3) 光垫的机械去除作用很小，可以忽略不计，则有 △MRRp=△MRRm_p+△MRRe_p (4) M RRm_p=0. 图1为不同转速下S2号及S3号抛光液抛光后 2实验 的材料去除率实验结果.由图1中S2号抛光液材 2.1实验设备及实验条件 料去除率实验结果可以看出，因为抛光液中没有化 取直径为2英寸(5.08cm)的单晶硅研磨腐蚀 学作用，所以材料去除率完全是由磨粒及抛光垫的 片试样若干，在美国CETR公司的CP一4抛光机上 机械作用引起的，此时机械作用材料去除率在转速 进行实验，该实验设备可在线测量抛光系统的摩擦 np=nw=200r·min1附近时达到最大值，为 力、摩擦因数和声发射信号等.抛光机放置在1000 114 nm'min-1.可见抛光垫单独的机械作用很小， 级超净室中，环境温度控制在22℃左右.抛光垫为 认为S2号抛光液的材料去除率完全是由磨粒的机报道 .本文根据 CMP 过程中硅片表面材料的磨损 行为, 对硅片 CM P 时的材料去除率进行了实验研 究. 1 材料去除率的构成 影响硅片 CM P 过程的因素很多, 且每一个影 响因素的变化都会影响到硅片 CMP 系统输出参数 的变化, 即影响到硅片 CM P 材料去除的机理, 各影 响因素之间还具有微妙的交互作用.从物理和化学 的角度分析, 可以把众多的影响因素对硅片 CM P 材料去除作用机理的影响归纳为化学作用机理 、机 械作用机理及其交互作用机理 .由于硅片化学机械 抛光是化学作用与机械作用相结合的复杂过程, 为 了更进一步理解硅片 CM P 的材料去除机理, 可把 硅片化学机械抛光的材料去除分解为磨粒、抛光垫 的机械作用去除率, 抛光液的化学作用去除率, 磨粒 与抛光液的机械化学交互作用去除率以及抛光垫与 抛光液的机械化学交互作用去除率, 则总的材料去 除率为: M RR =M RRc +M RRm - p +M RRm - a +ΔM RRc - p + ΔM RRc - a +ΔM RRm - p +ΔM RRm - a ( 1) 式中, M RR 为总的材料去除率, M RRc 为抛光液化 学腐蚀作用引起的材料去除率, M RRm - p 、M RRm - a 分别表示只考虑抛光垫、磨粒的机械作用材料去除 率, ΔM RRc - p 、ΔMRRc - a分别表示由抛光垫 、磨粒的 机械 作 用 所 增 强 的 化 学 作 用 材 料 去 除 率, ΔM RRm - p 、ΔM RRm - a 分别表示由化学作用所增强 的抛光垫 、磨粒的机械作用产生的材料去除率 . 设 ΔM RR 为 CM P 时的机械与化学交互作用去 除率, ΔM RRp 为抛光垫的机械与抛光液的化学交互 作用材料去除率 、ΔM RRa 为磨粒的机械与抛光液的 化学交互作用材料去除率, 则有: ΔMM R =ΔM RRa +ΔM RRp ( 2) ΔM RRa =ΔM RRm - a +ΔM RRc - a ( 3) ΔM RRp =ΔM RRm - p +ΔM RRc - p ( 4) 2 实验 2.1 实验设备及实验条件 取直径为 2 英寸( 5.08 cm) 的单晶硅研磨腐蚀 片试样若干, 在美国 CETR 公司的 CP-4 抛光机上 进行实验 .该实验设备可在线测量抛光系统的摩擦 力、摩擦因数和声发射信号等 .抛光机放置在 1 000 级超净室中, 环境温度控制在 22 ℃左右.抛光垫为 Rodel 公司生产的 IC-1000/Suba IV 平抛光垫, 实验 用水为 18.24 M Ψ的去离子水 .实验所用的三种抛 光液由天津晶岭电子材料科技有限公司提供 :S1 号 为 FA/O 标准单晶硅抛光液;S2 为纯磨粒抛光液 ( 所用的磨粒加去离子水配制, 含量与 S1 号标准抛 光液相同) ;S3 号为无磨粒抛光液 . 硅片材料去除率的测量采用德国赛多利斯 ( SARTORIUS) CP225D 超精密电子分析天平( 0 ～ 80 g 时精度为 0.01 mg ) .每次抛光前检测硅片质量 并记录, 抛光后先用去离子水清洗硅片, 然后用超净 压缩空气把硅片吹干再称重, 便可计算出材料去除 率 . 2.2 实验参数选择 在硅片 CMP 实际操作中, 抛光压力一般在 2.068 ×10 4 ～ 6.9 ×10 4 Pa 内, 常用的是 3.5 ×10 4 ～ 4.2 ×10 4 Pa [ 5-7] , 所 以 取 抛 光 压 力 P 0 =4.2 × 10 4 Pa .根据硅片 CMP 实际工作条件及实验机台的 实际情况, 选择抛光参数为 :中心距 e =60 mm, 抛光 头摆幅 Ac/2 =5 mm, 抛光头匀速摆动, 速度为 Vb = 2.5 mm·s -1 , 抛光液流量为 100 mL·min -1 , 抛光时 间设置为 5 min .每次抛光前用抛光垫专用金刚石 修整器及去离子水对抛光垫修整 15 min, 同时在抛 光时还用金刚石修整器对抛光垫进行在线修整 . 3 实验结果与分析 3.1 硅片静态腐蚀下化学作用实验结果 将直径 50 mm 的单晶硅片分别放入 S1 号标准 抛光液中浸泡 1 h, 浸泡过程中不断搅拌抛光液, 三 次材料去除率的平均值为 0.05 nm·min -1 , 说明单 晶硅片在抛光液中的静态化学作用材料去除率接近 于零, 可忽略不计, 则有 M RRc ≈0 . 3.2 抛光垫及磨粒的机械作用材料去除率分析 通过用去离子水抛光实验来看, 抛光垫引起的 材料去除率基本为零.因此, 在没有化学作用时, 抛 光垫的机械去除作用很小, 可以忽略不计, 则有 M RRm - p=0 . 图 1 为不同转速下 S2 号及 S3 号抛光液抛光后 的材料去除率实验结果.由图 1 中 S2 号抛光液材 料去除率实验结果可以看出, 因为抛光液中没有化 学作用, 所以材料去除率完全是由磨粒及抛光垫的 机械作用引起的, 此时机械作用材料去除率在转速 n p =n w =200 r ·min -1 附近 时达到最 大值, 为 114 nm·min -1 .可见抛光垫单独的机械作用很小, 认为 S2 号抛光液的材料去除率完全是由磨粒的机 第 5 期 杜家熙等:单晶硅片化学机械抛光材料去除特性 · 609 ·