一种基于非晶层粘性流动的机械化学抛光模型

通过分析单个微纳米磨粒滑动接触的分子动力学模拟的研究结果，提出了在典型的机械化学抛光（CMP）过程中芯片表面材料的去除应为表面非晶层物质粘性流动所致的新观点。基于这种机理，应用微观接触力学和磨粒粒度分布理论建立了一种新的表征CMP过程材料去除速率的数学模型。模型中引入了一个表征单个磨粒去除芯片表面非晶层能力的比例系数k，k综合反映了磨粒的机械作用、抛光液对芯片表面的化学作用和芯片的材料特性。通过实验验证发现该模型的理论预测值与实验测定值十分吻合。     

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。     

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。     

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。     

集成电路芯片制造中电化学机械平整化技术的研究进展

大马士革(Damascene)结构的Cu/低k介质材料互连技术为集成电路芯片制造提出了方向和挑战。电化学机械平整化(ECMP)作为化学机械平整化（CMP）的一种拓展加工手段,可对传统CMP技术进行补偿,可对含有易损多孔电介质材料的新型互连结构进行低压力平整化。比较了ECMP和CMP 的特点,
对ECMP技术的研究现状和发展趋势进行了综述。指出ECMP过程控制的深层次的技术基础是摩擦电化学理论,只有深入系统地研究ECMP过程中的外加电势、摩擦磨损、化学反应三者间的相互作用,才能揭示ECMP过程中材料的加速去除原理和超光滑无损伤表面的形成机理。     

磨粒特征随滑动磨损进程的变化规律

为提高基于磨粒的机器状态监测的准确性,研究了磨粒特征随滑动磨损进程的变化规律.在球一盘磨损试验机上模拟可靠润滑和润滑不足2种工况下的摩擦磨损试验,分析了磨损过程中不同磨损阶段的磨粒尺寸分布和磨粒表面粗糙度,探讨了磨损进程中磨粒尺寸分布与磨粒表面粗糙度之间的关系.研究结果表明磨损进程中的磨粒特征的变化对机器状态监测极为有效.     

磨粒磨损的磨粒接触热分析

针对磨粒磨损机制,采用球形磨粒模型和分形磨粒2种模型,利用有限元软件ANSYS分析磨粒磨损的滑动过程,探讨磨粒与磨损表面接触区內的温度变化、热应力分布及其随表层深度的变化情况,并对2种模型的分析结果进行对比分析。研究结果表明:球形磨粒模型中磨粒温度较高,接触体温度较低,磨粒与磨损表面温差较大,磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较分散;而分形磨粒模型中接触体温度较低,磨粒温度更低,磨粒与磨损表面温差较小,磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较集中,并且应力最大值比球形磨粒模型的大。     

采用AFM研究单晶硅纳米加工特性

为获得AFM金刚石微探针在纳米尺度上加工脆性材料的加工特性,在AFM系统上对单晶硅表面进行了刻划、加工实验.实验结果与宏观车削加工结果进行了对比,得出在纳米尺度上进行的加工属塑性域加工.采用AFM金刚石微探针加工硅表面的加工质量主要受材料残留高度和形成的切屑在已加工表面的粘结两个因素影响.验证了AFM作为一种加工工具,受其刻划方向的影响,可以很容易地实现纳米量级材料的去除,得到厚度为数个纳米的切屑.     

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。     

磨粒磨损的接触分析

磨粒磨损作为磨损的主要类型之一,影响机械使用寿命。针对犁沟磨损机制,采用球形磨粒模型和分形磨粒模型,对于磨粒磨损的压入、滑动和压碎3个过程,利用有限元软件ANSYS,分析磨粒与磨损表面接触区的Mises应力和剪应力分布以及应力随表面深度的变化情况,并对2种模型的分析结果进行对比。研究结果表明,球形磨粒模型中,磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较分散,且应力峰值较小,在相同材料和压力下磨粒和表面均未压碎;然而分形磨粒模型中,磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较集中,且应力峰值较大,磨粒和表面均压碎。2种模型中,采用分形方法构造的分形磨粒形状与实际情况中的磨粒形状更加相似。     

在线微磨损检测技术的应用

本文叙述了在线表面粗糙度检测技术在动态微磨损研究中的应用。通过设计环块试验机模拟部分膜弹性流体动力润滑(PEHL)下的微磨损工况,考察了在线检测技术在润滑条件下对微磨损检测的有效性。该套技术成功地在不停机的情况下测得微磨损过程中表面粗糙度的变化,并通过计算获得了磨损表面的微磨损量。该项技术不仅可以应用到对PEHL下动态磨损的研究,也可应用到一些运动工件表面形貌的检测。     

Analysis of Feature-Scale Wear in Chemical Mechanical Polishing: Modeling and Experiments

An asperity-scale wear model was developed to predict feature-scale wear in chemical–mechanical polishing (CMP), and was compared to the measured evolution of a lithographically patterned feature during full-scale CMP tests. To conduct this study, a lithographic technique was used to pattern a set of raised square features into a Cu-coated silicon wafer. Two-dimensional contact profilometry was used to measure the topography of an isolated feature on each wafer both before polishing and at various intervals throughout the polishing process. In the wear modeling formulation, a pad deflection-based contact mechanics model was developed and combined with a particle-based wear model to predict the wear evolution of the sample during CMP. The predicted wear of the sample feature was found to agree well to experimental results.     

利用三维格子Boltzmann法研究化学机械抛光中压力分布

利用三维格子Boltzmann法(LSM),对化学机械抛光(CMP)的润滑过程做了数值模拟,得到了不同晶片和抛光垫转速下的压力分布,并讨论了抛光液黏度对高压涡中压力最大值的影响.数值模拟结果表明,晶片自转是产生"双涡图"的主要原因,抛光垫旋转则主要产生"单涡图",抛光垫和晶片旋转的综合作用一起影响抛光效果,其中抛光垫的转速的改变对去除率影响较大.利用格子Bohzmann法模拟润滑问题,所得结果与求解Reynolds方程的结果一致,并具有计算效率高、几何直观等特性,能实现CMP过程的三维模型,且较容易实现对多相流的模拟.     

Mechanisms of Chemical-Mechanical Polishing of SiO2 Dielectric on Integrated Circuits

One of the fundamental mechanisms of chemical-Mechanical polishing (CMP) is the mechanical interaction between the wafer and polishing pad. This interaction was simulated in experiments. The vertical displacement of the wafer with respect to the polishing pad, the fictional drag of the wafer against the pad, and the pressure of the slurry trapped between the wafer and pad were measured. These experiments were performed over a range of commercially common CMP conditions. In addition, polishing rates were measured for CMP performed under induced hydrodynamic conditions where the wafer was separated from the pad by a film of slurry.

It was found that no appreciable polishing occurred under hydrodynamic CMP conditions. Under commercial CMP conditions, it was found that the wafer contacts the polishing pad asperities as evidenced by near-zero wafer displacement and high friction coefficients (?0.4). It was also found that pad conditioning (intentional roughening) causes a suction force to develop between the wafer and pad. This suction force draws the wafer into further contact with the pad, by as much as 20 μm, and corresponds to peak slurry vacuum pressures of 12 kPa (1.7 psi).     

化学机械抛光过程中护环对硅片表面接触压强分布和宏观轮廓的影响

为了获得单晶硅片化学机械抛光过程中护环对接触压强分布的影响规律,根据有护环化学机械抛光实际出发,建立了抛光过程的接触力学模型和边界条件,利用有限元的方法对有护环抛光接触状态接触压强分布进行了计算和分析,并利用抛光实验对计算获得结果进行了验证;获得了硅片与抛光垫间的接触表面压强分布形态,以及护环几何参数对压强分布的影响规律;结果表明护环抛光接触压强的分布也存在不均匀性,而且在硅片外径邻域内接触压强最大,这些也能导致被加工硅片产生平面度误差和塌边,选择合理地护环几何参量和负载比,可以改善接触压强场分布的均匀性。     

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.     

硅片化学机械抛光时运动形式对片内非均匀性的影响分析

分析了目前几种常见的化学机械抛光机中抛光头与抛光垫的运动关系，针对不同的硅片运动形式，计算了磨粒在硅片表面的运动轨迹；通过对磨粒在硅片表面上的运动轨迹分布的统计分析，得出了硅片在不同运动形式下的片内材料去除非均匀性。从硅片表面材料去除非均匀性方面，对几种抛光机的运动形式进行了比较，结果表明，抛光头摆动式抛光机所产生的硅片内非均匀性最小。该研究为化学机械抛光机床的设计和使用中选择和优化运动参数提供了理论依据。     

添加剂对电诱导GaN晶片化学机械抛光的影响

为研究添加剂对氮化镓(GaN)晶片化学机械抛光(CMP)材料去除率的影响,采用直流电源对n型GaN晶片进行电化学刻蚀,利用X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)研究电诱导辅助下GaN晶片CMP过程中,对苯二甲酸(PTA)和H 2O 2对其材料去除的影响。结果表明:在添加电流的条件下,随着H 2O 2体积分数增大,GaN材料去除率先升高后降低;随着PTA浓度的增加,GaN材料去除率先增加后减少;在H 2O 2体积分数为4%,PTA浓度为10 mmol/L条件下,GaN晶片的化学机械抛光材料去除率最高,为693.77 nm/h,抛光后GaN晶片表面粗糙度为0.674 nm;通过XPS分析,电诱导后GaN晶片表面的Ga 2O 3含量增加,表明电流作用促进了GaN材料表面的氧化腐蚀作用,进而提高了其CMP材料去除速率。     

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.