考虑氧化作用的CMP接触去除模型分析

针对目前大多数化学机械抛光(CMP)材料去除模型没有考虑到氧化薄膜作用的现象,提出一种考虑氧化后的芯片与磨粒之间的接触模型,该模型的建立基于接触力学理论和接触微凸体由弹性变形向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化过程,并将该模型与传统的塑性去除模型进行了对比分析。结果表明:低压CMP精抛过程中,磨粒在外载荷的作用与氧化后的芯片表面发生接触去除,且随着工作载荷的增大,芯片表面的压痕深度、卸载回弹量、最大应力和材料去除量也随之增大;当载荷为1200-4250n N时,芯片弹塑性接触去除率小于传统理想塑性接触去除率;当载荷约为1650n N时,相对误差达到最大值28%。因此,氧化后的芯片与磨粒并非简单的塑性去除,考虑氧化后的芯片去除将更有利于后续精确地统计实际CMP去除率,为进一步优化CMP工艺提供一定的理论基础。     

CMP过程芯片表面氧化膜生成速度影响因素的分析

根据理论和试验分析,将机械化学抛光(CMP)过程分成两个阶段:化学作用主导阶段和机械作用主导阶段,并从机械作用角度导出CMP过程两个阶段芯片表面材料去除率的数学模型,模型全面地考虑了抛光盘特性参数(弹性模量、硬度、表面粗糙度峰的尺寸分布)、CMP工作参数(压力和抛光速度)、抛光液中磨粒的机械作用和氧化剂种类、氧化剂浓度等化学作用的影响。然后根据这两个阶段的平衡点导出定量描述芯片表面氧化膜生成速度的数学模型。详细分析机械作用因素(磨粒的浓度、磨粒的粒度分布特性)、化学作用因素(抛光液中氧化剂种类、浓度)以及磨粒/芯片/抛光盘的材料特性参数对芯片表面氧化膜生成速度的影响规律。该CMP过程芯片表面氧化膜生成速度定量模型的导出,对进一步深入研究CMP材料去除机理和更加准确地控制CMP过程,具有一定的指导作用。     

超精密抛光材料的非连续去除机理

通过对表面原子／分子氧化去除动态平衡模型的分析，应用概率统计方法推导了单个磨粒的多分子层薄膜的非连续去除模型，该模型考虑了化学机械抛光（CMP）中化学作用与机械作用的协调性，同时考虑了芯片新鲜表面的直接去除和多层氧化薄膜的去除。在特定条件下，应用图形分析法找到了化学作用与机械作用协调的半经验公式。研究结果表明：材料去除率与去除层数呈指数关系；一直增加化学作用并不能增大材料去除率；机械化学协调作用时，去除率始终保持极值去除。模型预测结果和试验结果相吻合。     

基于AFM的化学机械抛光磨粒模拟研究

当前的化学机械抛光(CMP)磨损模型中大多数都缺少微观试验数据的支持。为进步揭示CMP中纳米磨粒对材料表面的磨损机制,提出了采用原子力显微镜(AFM)来模拟CMP中的单个磨粒的试验方案,并验证该模拟试验方案的可行性。结果表明:采用AFM探针来模拟CMP过程中单个磨粒对芯片表面的磨损与相互作用的试验方案是完全可行的;可以通过AFM探针对芯片表面的相互作用与磨损,模拟得出单个磨粒对芯片表面的作用与磨损状况,并可以在此微观试验数据的基础上建立起新的CMP磨损模型。     

CMP过程磨粒压入芯片表面深度的影响因素分析

根据芯片/磨粒/抛光盘三体接触当量梁的弯曲假设,建立了更加准确合理的CMP过程磨粒压入芯片表面深度的理论模型。新模型包含了更加丰富的信息,包括磨粒的直径、磨粒的浓度、磨粒的密度、抛光盘的弹性模量、芯片的表面硬度,特别是磨粒的浓度和密度的影响,在前人的模型中往往被忽视。最后对理论模型进行了试验验证,结果表明,理论预测规律与试验结果基本一致。     

单晶硅超精密磨削过程的分子动力学仿真

对内部无缺陷的单晶硅超精密磨削过程进行了分子动力学仿真,从原子空间角度观察了微量磨削过程,解释了微观材料去除、表面形成和亚表面损伤机理,并分析了磨削过程中的磨削力和磨削能量消耗。研究表明:磨削过程中,在与磨粒接触的硅表面原子受到磨粒的挤压和剪切发生变形,堆积在磨粒的前方,当贮存在变形晶格中的应变能超过一定值时,硅的原子键断裂,即完成了材料的去除;随着磨粒的运动,磨粒前下方的硅晶格在磨粒的压应力作用下晶格被打破,形成了非晶层,非晶层不断向前向深处扩展,造成了单晶硅亚表面的损伤;同时部分非晶层原子在压应力的作用下与已加工表层断裂的原子键结合,重构形成已加工表面变质层。     

ULSI制造中铜化学机械抛光的腐蚀磨损机理分析

以超大规模集成电路(ULSI)芯片多层互连结构制造中的关键平坦化工艺——铜化学机械抛光(Cu—CMP)为研究对象，针对Cu—CMP中存在的抛光液的化学腐蚀作用和磨料的机械磨损现象，采用腐蚀磨损理论分析了Cu—CMP材料去除机理。提出铜CMP的材料去除中存在着机械增强的化学腐蚀和化学增强的机械磨损，并分析了Cu—CMP的静态腐蚀材料去除、机械增强的腐蚀去除与化学增强的机械去除机理。     

原子级光滑表面的制造技术与机理研究

报告中国国家重点基础研究发展计划(973计划)项目《高性能电子产品设计制造精微化、数字化新原理和新方法》中有关于原子级光滑表面制造的基础研究中所取得的进展和阶段性成果.包括CMP的若干关键技术的突破,化学机械抛光的机理研究,CMP中纳米粒子行为的计算机模拟和实验研究. 开展原子级光滑表面制造和化学机械抛光开展的实验研究,理论分析和计算机模拟.内容包括固体磨粒材料的选择,磨粒的表面修饰和分散,磨粒大小和含量的优化;抛光液中氧化剂,络合剂,缓释剂和其它化学助剂的作用机理;抛光压力速度等工艺参数的优化,抛光中纳米粒子的行为以及纳米团簇-硅基体碰撞过程的分子动力学模拟,纳米粒子与基体的冲击实验,抛光过程和二相流动中纳米粒子运动的荧光跟踪观察等.研究结果表明,抛光液中的固体磨粒对抛光中的材料去除和高质量表面的形成具有重要的贡献.减小颗粒的粒径一般有利于改善表面质量,但关键是保证粒子的大小均匀,因为大颗粒容易造成表面划痕或缺陷.通过对固体磨粒的含量和大小尺寸的优化,可以获得高质量的抛光表面、同时保证较高的抛光去除速率.除了固体磨粒外,抛光液中还包含氧化剂,络合剂,缓释剂,以及多种化学助剂.氧化剂与抛光工件表面发生化学反应形成软质钝化层,以便通过抛光垫和磨粒的机械作用加以去除,形成“氧化去除-氧化”的材料去除循环.但钝化层的形成阻碍了氧化反应过程的继续发展,络合剂的作用是与氧化反应产物形成流动性较好的络合物,从而增加了钝化层的化学活性,使氧化反应和材料去除得以继续发展,高品质的抛光液的研制取决与对抛光液中各种化学成分的精心调配和长期的潜心试验.我们在计算机磁头,磁盘基片,硅片和集成电路芯片等化学机械抛光研究中取得了重要的技术进展,研制出多种高品质CMP抛光液,成功地实现了原子级光滑表面的抛光,表面粗糙度和波纹度的参数Ra和Wa的测量值达到或优于国际著名商用抛光液的水平.在硅片抛光中,运用复合螫合和创新性制作工艺等关键技术,成功解决了抛光液循环使用过程中pH值不稳定、使用寿命短等难题.通过对SiO2纳米团簇与单晶硅基体碰撞作用的分子动力学模拟研究了抛光中纳米粒子的行为.模拟表明具有一定动能的纳米粒子与基体的碰撞作用可导致基体变形和非晶化相变,并当粒子速度超过临界值Vcr时通过挤推(extrusion)作用形成撞击坑.临界速度与粒子的入射角度、基体的晶格取向等因素有关.在碰撞过程中纳米粒子的动能大部分转化为基体的变形能和热能,提高粒子动能向基体变形的转化比例,有利于提高材料去除效率.纳米粒子与硅基体的冲击实验中也观察到相似的撞击坑,在基体表层和撞击区域内部均观察到了非晶化相变,在一定程度上验证了模拟结果.此外还利用荧光示踪技术观察了CMP加工抛光液以及二相流动中纳米粒子的运动规律. 有关研究纳米粒子行为的研究是初步的,在分子尺度上模拟了一个粒子的碰撞行为.实际的化学机械抛光过程往往涉及大量固体粒子的碰撞、犁削、磨损与刻划等作用是复合作用,纳米粒子的运动被局限在抛光垫与基体之间的狭窄空间内,粒子行为涉及量子尺度的化学-机械作用耦合和协同,原子尺度的切削与碰撞,介观与宏观尺度的磨损和平整化等跨尺度材料去除过程,这些还需要进行更深入的研究.     

KDP无磨粒抛光微机械作用力学模型建立与仿真

无磨粒化学机械抛光是一种柔和的表面处理方法,可以有效去除磷酸二氢钾(KDP)晶体表面的小尺度飞切刀纹。在抛光过程中不使用磨粒,KDP晶体与抛光垫粗糙峰直接接触,两者之间相对运动,在表面接触应力的作用下,抛光垫对KDP晶体表面产生微机械作用,在实现材料去除和改善表面质量方面具有重要的作用。为了深入了解无磨粒化学机械抛光中微机械去除作用,文章通过研究表面接触应力分布和变化规律,对抛光过程中的微机械作用进行定量分析,建立了KDP晶体与抛光垫粗糙峰接触力学的数学模型并开展系统研究。根据Hertz理论对抛光过程中KDP晶体表面接触应力进行了计算与分析,研究了抛光压力、摩擦系数、抛光垫杨氏模量和抛光垫粗糙峰半径等抛光参数对微机械作用的影响规律,获得了不同抛光条件下最大许用抛光压力。结合实验结果,对KDP晶体与抛光垫之间的微机械作用进行了实验验证,进一步揭示了KDP晶体无磨粒化学机械抛光去除机理。     

非一致曲率表面下的气压砂轮磨粒剪胀及加工试验研究#br#

针对软固结磨粒气压砂轮在加工异形曲面时,工件所受的切削力以及接触区内磨粒速度因工件曲率发生变化,导致工件不同曲率处材料去除量不均匀的问题, 基于修正的Rowe剪胀理论建立砂轮切削力模型,提出了非一致曲率表面下修正的气压砂轮材料去除模型。通过EDEM软件建立了软固结磨粒气压砂轮模型,分析了砂轮下压量为1.5 mm时工件曲率对接触力以及接触区内磨粒速度的影响。搭建气压砂轮加工试验平台,通过光整加工试验验证修正的材料去除模型。研究结果表明：修正的材料去除模型平均绝对值误差为0.095,而原始的材料去除模型平均绝对值误差为0.291,说明修正的材料去除模型可以用于气压砂轮抛光过程中的定量分析,且工件加工表面划痕明显减少。     

A micro-contact and wear model for chemical–mechanical polishing of silicon wafers

A micro-contact and wear model for chemical–mechanical polishing (CMP) of silicon wafers is presented in this paper. The model is developed on the basis of elastic–plastic micro-contact mechanics and abrasive wear theory. The synergetic effects of mechanical and chemical actions are formulated into the model. A close-form equation of material removal rate from the wafer surface is derived relating to the material, geometric, chemical and operating parameters in a CMP process. The model is evaluated by comparing the theoretical removal rates with those experimentally determined. Good agreement is obtained for both chemically active and inactive polishing processes. The model reveals some insights into the micro-contact and wear mechanisms of the CMP process. It suggests that the removal rate is sensitive to the particle concentration in the slurry, more sensitive to the applied load and operating speed and most sensitive to the surface hardness and slurry particle size. The model may be used to study the effects of different materials, geometry, slurry chemistry and operating conditions on CMP processes.     

Modeling the effects of abrasive size, surface oxidizer concentration and binding energy on chemical mechanical polishing at molecular scale

No conclusive results have been proposed for the influence of the abrasive particle size on the material removal during the chemical mechanical polishing (CMP). In this paper, a mathematical model as a function of abrasive size and surface oxidizer concentration is presented for CMP. The model is proposed on the basis of the molecular-scale removal theory, probability statistics and micro contact mechanics. The influence in relation to the binding energy of the reacted molecules to the substrate is incorporated into the analysis so as to clarify the disputes on the variable experimental trends on particle size. The predicted results show that the removal rate increases sub-linearly with the abrasive particle size and oxidizer concentration. The model predictions are presented in graphical form and show good agreement with the published experimental data. Furthermore, variations of material removal rate with pressure, pad/wafer relative velocity, and wafer surface hardness, as well as pad characteristics are addressed. Results and analysis may lead further understanding of the microscopic material removal mechanism from molecular-scale perspective.     

Effect of wafer size on material removal rate and its distribution in chemical mechanical polishing of silicon dioxide film

Chemical mechanical polishing (CMP) is a semiconductor fabrication process. In this process, wafer surfaces are smoothed and planarized using a hybrid removal mechanism, which consists of a chemical reaction and mechanical removal. In this study, the effects of wafer size on the material removal rate (MRR) and its uniformity in the CMP process were investigated using experiments and a mathematical model proposed in our previous research; this model was used to understand the MRR and its uniformity with respect to wafer size. Under constant process conditions, the MRR of a silicon dioxide (SiO₂) film increased slightly along with an increase in wafer size. The increase in MRR may be attributed to the acceleration of the chemical reaction due to a rise in process temperature. Based on the results obtained, the k and α values in the mathematical model are useful parameters for understanding the effect of wafer size on the MRR and its distribution under a uniform, relative velocity. These parameters can facilitate the prediction of CMP results and the effective design of a CMP machine.     

化学机械抛光过程低 k/铜表面材料去除机制及损伤机制研究进展*

针对低k介质/铜表面在平坦化加工中极易造成材料界面剥离、互连线损伤和表面不平整等问题,国内外学者对CMP过程中的材料去除机制以及损伤机制开展了大量的研究工作。对集成电路平坦化工艺——化学机械抛光过程中低k介质/铜界面的力学行为和摩擦损伤特性研究进展进行综述,介绍异质表面的材料去除行为及去除理论研究现状;展望了化学机械抛光过程低k介质/铜表面去除机制研究的研究趋势,即通过对异质界面的分子原子迁移行为研究,揭示异质表面的微观材料去除机制及损伤形成机制,最终寻找到异质表面平坦化及损伤控制方法。     

LED蓝宝石衬底抛光表面原子台阶形貌及其周期性研究

LED蓝宝石衬底的表面质量会极大影响到后续外延质量,进而影响到LED器件性能。蓝宝石研磨片经Al2O3磨粒粗抛液、SiO2磨粒精抛液下进行化学机械抛光(CMP),最终表面经原子力显微镜(AFM)所测表面粗糙度达到0.101nm,获得亚纳米级粗糙度超光滑表面,并呈现出原子台阶形貌。同时,通过使用Zygo表面形貌仪、AFM观察蓝宝石从研磨片经Al2O3粗抛液、SiO2精抛液抛光后的表面变化,阐述蓝宝石表面原子台阶形貌的形成原因,提出蓝宝石原子级超光滑表面形成的CMP去除机理。通过控制蓝宝石抛光中的工艺条件,获得a-a型、a-b型两种不同周期规律性的台阶形貌表面,并探讨不同周期规律性台阶形貌的形成机理。     

Hydrodynamic analysis of chemical mechanical polishing process

Chemical Mechanical Polishing (CMP) refers to a material removal process done by rubbing a work piece against a polishing pad under load in the presence of chemically active abrasive containing slurry. The CMP process is a combination of chemical dissolution and mechanical action. The mechanical action of CMP involves hydrodynamic lubrication. The liquid slurry is trapped between the work piece (wafer) and pad (tooling) forming a lubricating film. For the first step to understand the mechanism of the CMP process, hydrodynamic analysis is done with a semiconductor wafer. Slurry pressure distribution, resultant forces and moments acting on the wafer are calculated in typical conditions of the wafer polishing, and then nominal clearance of the slurry film, roll and pitch angles at the steady state are obtained.     

表面活性剂在集成电路多层布线CMP工艺中的应用研究

随着集成电路(IC)特征尺寸不断缩小,集成电路多层布线加工精度面临更高的要求,而化学机械抛光(CMP)凭借化学腐蚀和机械磨削的耦合协同作用,成为实现晶圆局部和全局平坦化的唯一可靠技术。抛光液作为CMP工艺中关键要素之一,其主要成分表面活性剂的选择以及含量会严重影响晶圆的表面质量。介绍表面活性剂的特性及其类型,回顾近年来国内外表面活性剂在集成电路多层布线相关材料CMP中的应用及作用机制,归纳总结得出表面活性剂在CMP过程中可以起到缓蚀保护、增强润湿、分散磨料、去除晶圆表面残留污染等多种作用,具有广泛的应用领域。同时,对表面活性剂在CMP中的应用前景进行了展望。