不锈钢CMP抛光液的研制

简单介绍了不锈钢材料表面的几种加工工艺的优缺点,介绍了化学机械抛光(CMP)工艺的机理。介绍了抛光液的各成分及其作用机理,同时列举了一些常用的药品种类。针对不锈钢材料,通过理论分析或者实验对比,合理选择各个成分的药品种类,确定了二氧化硅、柠檬酸、过氧化氢、烷基酚聚氧乙烯醚和苯并三氮唑作为抛光液的主要成分。通过正交实验的方法确定了每个成分的最佳含量。最后采用优化后的CMP抛光液进行不锈钢的CMP实验,并对比不锈钢抛光前后表面质量验证抛光液的有效性。     

8寸CMP设备对小尺寸镀铜InP晶圆的工艺开发

为了实现在8寸化学机械抛光设备上进行小尺寸镀铜InP晶圆的减薄抛光工作,提高设备的兼容性,缩减工艺步骤,减少过多操作导致InP晶圆出现裂纹暗伤和表面颗粒增加等问题,自制特殊模具,使小尺寸InP晶圆在8寸化学机械抛光设备上进行加工,再根据InP晶圆易碎的缺陷问题,通过调整设备的抛光头压力、转速和抛光垫的转速等相关工艺参数,使其满足后续键合工艺的相关需求。实验结果表明：在使用特殊模具下,当抛光头的压力调整为20.684 kPa、抛光头与抛光垫的转速分别为：93 r/min和87 r/min时,InP晶圆的表面粗糙度达到：Ra≤1 nm;表面铜层的去除速率达到3 857×10-10/min;后续与8寸晶圆的键合避免键合位置出现空洞等缺陷,实现2寸InP晶圆在8寸设备上的CMP工艺,大大降低了CMP工艺成本,同时避免晶圆在转移过程中出现表面颗粒度增加和划伤的情况,实现了InP晶圆与Si晶圆的异质键合及Cu互连工艺。     

聚苯乙烯(PS)颗粒抛光液特性对铜表面化学机械抛光的影响

铜互连与低-k介质在集成电路制造中的应用对表面平坦化提出更高的要求。为改善铜层化学机械抛光(Cu-CMP)效果,将聚苯乙烯(PS)颗粒应用于铜的化学机械抛光液,分析PS颗粒抛光液中氧化剂、络合剂、pH值、粒径及颗粒含量对铜的化学机械抛光性能的影响,并通过静态腐蚀及电化学手段对PS颗粒在抛光液中的化学作用进行了分析。实验结果表明,当以过氧化氢(H2O2)为氧化剂,氨基乙酸(C2H5NO2)为络合剂时,优化后的PS颗粒抛光液取得了较高的铜抛光去除速率,达到1μm/min,同时发现PS颗粒的加入增强了抛光液的化学腐蚀作用。     

阴离子表面活性剂及复配对阻挡层抛光液性能的影响

为提高铜互连化学机械抛光(CMP)后表面质量,在抛光液中需引入适当的表面活性剂以改善磨料的稳定性以及CMP后铜的表面粗糙度。研究了十二烷基硫酸铵(ADSA)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)、直链烷基苯磺酸(LABSA)3种不同阴离子表面活性剂,以及非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9)和LABSA复配表面活性剂对钽阻挡层抛光液润湿性、分散性以及对材料去除速率的影响。通过接触角测量仪、纳米粒度仪、扫描电镜和原子力显微镜测试表面张力、接触角、大颗粒数、粒径分布以及CMP后铜的表面粗糙度,并分析复配表面活性剂的作用机制。结果表明：抛光液中加入LABSA后,因其具有直链型结构,抛光液的润湿性和分散性效果最好,抛光后铜表面的粗糙度最低;AEO-9和LABSA进行复配,相较于单一的LABSA,抛光液的润湿性、分散性、稳定性和抛光后铜表面粗糙度均有所改善,体积分数0.1%LABSA+0.1%AEO-9的复配表面活性剂性能最优,CMP后铜表面粗糙度降至0.7 nm。     

软性粒子抛光石英玻璃的材料去除机理

基于阿伦尼乌斯原理和分子振动理论,分析了软性抛光粒子、石英玻璃和抛光垫之间的弹性与超弹性接触,研究了用软性粒子抛光石英玻璃的材料去除机理。基于理论研究进行了大量的抛光试验,建立了软性粒子抛光石英玻璃的材料去除率模型。理论计算与试验结果表明:在石英玻璃化学机械抛光中,材料的去除主要由抛光粒子与石英玻璃的界面摩擦化学腐蚀作用来实现;单个抛光粒子压入石英玻璃的深度约为0.05nm,且材料去除为分子量级;石英玻璃表层的分子更易获得足够振动能量而发生化学反应实现材料的去除;抛光压力、抛光液中化学试剂种类和浓度以及石英玻璃试件与抛光盘的相对运动速度决定了软性粒子抛光石英玻璃的材料去除率大小。     

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。     

超细CeO2磨料对硅片的抛光性能研究

用均相沉淀法制备了不同形状和尺寸的CeO2超细粉体，并配制成不同pH值的抛光液对硅片进行化学机械抛光。研究了不同粒径CeO2磨料的抛光效果，结果表明，微米级的CeO2磨料粒径比较大，切削深度比较深，材料的去除是以机械作用为主。随着磨料粒径的减小，切削深度随之减小，材料以塑性流动的方式去除，最终在2μm的范围内得到了微观表面粗糙度Ra=0．120nm的超光滑表面。实验证明，CeO2磨料对硅片具有良好的抛光效果。     

超声波精细雾化抛光石英玻璃的抛光液研制*

为了配制适用于JGS1光学石英玻璃超声波精细雾化抛光的特种抛光液,以材料去除率和表面粗糙度为评价指标,设计正交试验探究抛光液中各组分含量对雾化抛光效果的影响,并对材料去除机制进行简要分析。结果表明：各因素对材料去除率的影响程度由大到小分别为SiO2、pH值、络合剂、助溶剂和表面活性剂,对表面粗糙度影响程度的顺序为SiO2、表面活性剂、pH值、助溶剂和络合剂;当磨料SiO2质量分数为19%,络合剂柠檬酸质量分数为1.4%,助溶剂碳酸胍质量分数为0.2%,表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮质量分数为0.9%,pH值为11时,雾化抛光效果最好,材料去除率为169.5 nm/min,表面粗糙度为0.73 nm;去除过程中石英玻璃在碱性环境下与抛光液发生化学反应,生成低于本体硬度的软质层,易于通过磨粒机械作用去除。使用该抛光液进行传统化学机械抛光和雾化化学机械抛光,比较两者的抛光效果。结果表明：两者抛光效果接近,但超声雾化方式抛光液用量少,仅为传统抛光方式的1/7。     

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。     

单晶SiC化学机械抛光液的固相催化剂研究

针对单晶SiC化学机械抛光使用的抛光液,研究了产生芬顿反应Fe、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄等4种铁系固相催化剂的效果。结果发现当Fe₃O₄作为催化剂时,SiC表面能够产生明显的化学反应,生成较软易去除的SiO₂氧化层,化学机械抛光时材料去除率最高达到17.2 mg/h、表面粗糙度最低达到R_a2.5 nm。相比Fe、FeO、Fe₂O₃等固相催化剂,Fe₃O₄更适宜用作SiC的化学机械抛光。抛光液中Fe²⁺离子浓度和稳定性是决定芬顿反应速率和稳定性的重要因素,固相催化剂电离自由Fe²⁺能力的差异直接影响了化学抛光液中的Fe²⁺浓度,固相催化剂电离Fe²⁺的能力越强,抛光液中Fe²⁺浓度就越高,芬顿反应速率越快,与SiC进行化学反应速度越快,材料去除率越高,抛光质量越好。     

抛光液pH值等对硬盘玻璃盘基片化学机械抛光的影响

随着硬盘存储密度的增大、转速的提高、磁头飞行高度的降低,对硬盘基板材料及基板表面质量提出了更高的要求。采用纳米SiO2作为抛光磨料,在不同抛光液条件下(pH值、表面活性剂、润滑剂等),对玻璃基片化学机械抛光去除速率和表面质量的变化规律进行了研究,并利用原子力显微镜(AFM)和光学显微镜观察了抛光表面的微观形貌。结果表明,玻璃基片去除速率在酸性、碱性条件下变化趋势相近,即随着pH值的升高,材料去除速率先增大后减小。加入一定量的表面活性剂和润滑剂使得去除速率有一定程度的下降,但是表面粗糙度明显降低,并且表面没有出现颗粒吸附现象。     

颗粒等抛光液组分对硬盘盘基片抛光的影响

硬盘盘基片粗抛光必须在较高材料去除率的基础上获得高表面质量。分别用合成法和粉碎法制得的α-A l2O3颗粒做了抛光实验,并分析了抛光液中氧化剂、络合剂含量和抛光液pH值对材料去除率的影响机制。结果表明:用合成法制得的颗粒抛光后基片表面凹坑严重,降低抛光液配方中氧化剂的含量,虽可使表面粗糙度(Ra)和表面波纹度(Wa)大幅降低,但材料去除率也大幅下降,该颗粒不适合基片粗抛光;用粉碎法制得的颗粒抛光后基片表面划痕密集,加入一定量的减阻剂后基片Ra和Wa大幅降低,材料去除率有所降低但仍维持在较高的水平,因此减阻剂可平衡该颗粒的材料去除率和抛光表面质量;粉碎法制得的颗粒抛光液中,随氧化剂和络合剂的增加,材料去除率均呈先升后降趋势;pH值的升高会使材料去除率下降,但酸性太强会引起过腐蚀,适宜的pH在2.0~3.0之间。     

铜CMP中工艺参数对抛光速率的影响

为了提高铜布线化学机械抛光效果,对其抛光工艺进行了研究。采用二氧化硅胶体碱性抛光液对铜布线进行抛光,讨论了抛光压力、温度、氧化剂含量、 流量等对抛光速率的影响。结果表明。不降低表面质量,在抛光压力为0.15MPa时,抛光片的抛光效果和抛光速率达到最佳;在20—30℃时,能较好地平衡化学作用与机械作用;抛光液流量在200mL／min时,既节约了生产成本又能提高效率;当氧化剂体积分数在2％-3％时,抛光液既保持了较好的稳定性,又能保证氧化能力,从而提高抛光速率。     

脉冲磁场辅助磁性复合磨粒化学机械抛光技术及其加工试验研究

提出一种脉冲磁场辅助新型磁性复合磨粒化学机械抛光技术。该技术利用磁性聚合物微球与SiO2磨粒组成的复合磨粒抛光液,在脉冲磁场辅助作用下,实现磨粒尺寸对硬质抛光盘微观形貌依赖性小、磨粒易进入抛光区域、材料去除率较高的抛光。设计了“之”字形的对位式结构电磁铁,模拟计算表明其磁感应强度沿抛光平面分布均匀,磁性微球受到的磁力一致性好。磁性微球在抛光系统中的受力分析表明：磁性微球受磁力作用时有利于复合磨粒从近抛光区进入抛光区,以二体磨损的方式去除加工表面;磁性微球不受磁力作用时,复合磨粒随抛光液的流动而移动,避免大量聚集形成磁链。以表面粗糙度Ra=1.1μm的硬质抛光盘进行硅片抛光试验,施加不同频率和占空比的脉冲磁场前后,硅片的去除率从137nm/min提高到288nm/min,频率5Hz、占空比50%时获得最大值,硅片表面粗糙度由抛光前Ra=405nm减小到Ra=0.641nm。     

叶序结构抛光垫表面的抛光液流场分析

为了解决在化学机械抛光过程中抛光接触区域内抛光液的分布均匀性问题,基于生物学的叶序理论,设计葵花籽粒结构的仿生抛光垫,建市化学机械抛光抛光液流场的运动方程和边界条件,利用流体力学软件(Fluent)对抛光液的流动状态进行仿真,并获得叶序参数对抛光液流动状态的影响规律.结果表明:抛光液在基于葵花籽粒的仿生抛光垫的流动是均匀的,抛光液沿着逆时针和顺时针叶列斜线沟槽流动,有利于流体向四周发散.     

Ta-W合金的化学机械抛光实验研究

针对Ta-W合金材料圆薄片零件化学机械抛光工艺,设计了Ta-W合金材料化学机械抛光抛光液,并探讨了抛光液各组分的含量及抛光工艺参数对抛光速率和抛光件表面质量的影响。结果表明,当抛光液中磨料SiO2溶胶质量分数为40％-65％时,抛光速率也达到较高值并在一定的硅溶胶含量范围内波动不大;当抛光液中有机碱的质量分数为4％-6％时,抛光速率达到最大值;随着氧化剂含量的增加,去除速率几乎成线性增加,但随氧化剂含量的增大表面状态变差,故应控制氧化剂的含量;随着抛光液流量的增加,抛光速率也增大,但在流量增加到200mL／min后,速率的增加变得缓慢。     

有机碱对铜CMP材料去除率作用的实验研究

分别使用几种有机碱作为络合剂、SiO2水溶胶为磨料、H2O2为氧化剂,复配后分别进行相同工艺参数的抛光试验。试验结果表明:乙二胺强络合作用明显,对铜的去除率最大可以达到850.8 nm/min,表面粗糙度Ra=13.540°A;二羟基乙基乙二胺和二乙醇胺去除率较低,本试验中最大分别为71.8 nm/min和25.1 nm/min。乙二胺适合用于碱性环境下的ULSI铜抛光液,材料去除率较高的原因是有效的强络合作用与抛光参数相匹配以及化学作用和机械作用动态平衡的结果。     

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H₂O₂对其材料去除的影响。结果表明:在添加电流的条件下,随着H₂O₂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H₂O₂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Ga₂O₃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。     

化学机械抛光中抛光垫材料的研究与展望

在化学机械抛光中,抛光垫的材料是重要影响因素之一,它直接影响着抛光效果。本文介绍了化学机械抛光垫的基本材料、材料特性及其对抛光效果的影响,目前化学机械抛光加工中所采用的抛光垫材料及主要用途,对各种抛光垫材料在抛光过程中存在问题进行了分析,同时展望了抛光垫材料的发展趋势。