硅晶材料表面的研磨 拋光技術
表面處理網1引言
電子信息產業已經發展成為囯民經濟與社會發展的第一大支柱產業而電子信息產業的基礎產業是集成電路IC產業目前95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路IC是用硅材料制成的
商業化利用太陽能已成為世界趨勢歐盟日本和美國都在致力于開發可再生能源如太陽能以提高能源供應的安全性中國在2008年后成為世界上最大的太陽能利用國之一太陽能已成為中國能源新的希望將為解決石油和煤炭價格上漲以及電力短缺帶來契機
硅系太陽能電池包括單晶硅電池多晶硅薄膜電池等其中單晶硅太陽能電池轉換效率最高光電轉換率可以達到23%在現階段的大規模應用和工業生產中占主導地位
2拋光方法
拋光Polishing是使工件表面成為平滑鏡面的超精密加工技術其目的在于使工件的表面粗糙度及平坦度達到一定的可容許范圍拋光不僅增加工件的美觀而且能夠改善材料表面的性能增加工件的使用壽命
目前常用的拋光方法有
1機械拋光是靠切削材料表面塑性變形去掉工件表面凸出部分而得到平滑的拋光方法
2電化學拋光是一種以電解溶出的原理來去除金屬的拋光方法
3流體拋光是依靠高速流動的液體及其攜帶的磨粒沖刷工件表面達到拋光的目的
4磁流變拋光Magnetorheological FinishingMRF是一套數控拋光系統能夠拋光平面球面及非球面目前磁流變拋光可在直徑10～200mm鏡片加工而且非球面的形狀精度可達0.1～0.6μmp-v
5化學機械拋光Chemical Mechinical PolishingCMP是機械削磨和化學腐蝕的組合技術
6漸進式機械化學拋光Progress Mechanical and ChemicalP-MAC
7液動壓拋光Hydro dynamic PolishingHDP是一種創新的超精密研磨加工法加工后工件表面的形狀精提升到0.1μm表面粗糙度達到納米級
本文主要對化學機械拋光在硅材料加工中的有關技術問題做些闡述
3化學機械拋光技術
為滿足芯片微型化高密度化高速化高數字化和系統集成化的要求對芯片直徑平坦化線寬和金屬互連層數提出了更高要求這也對晶片的精密加工提出了更高要求
半導體晶圓芯片加工工藝流程如圖1所示
由于大規模集成電路ULSI向高度集成和多層布線發展化學機械拋光平坦化已成為集成電路制造不可缺少的關鍵工藝它不僅是硅晶圓加工中最終獲得納米級超光滑無損傷表面的最有效方法也是芯片多層布線中不可替代的層間局域平坦化方法在晶圓芯片制造過程中見圖1多次使用CMP工藝
化學機械拋光過程見圖2使用安裝在剛性拋光平盤上的柔性拋光墊硅片被壓在拋光墊上在拋光液的作用下進行拋光拋光液含有化學液即雙氧水H2O2和納米級磨料硬的硅基陶瓷材料由磨料的機械作用拋光而金屬則由金屬和拋光液內的化學物質之間的化學反應進行拋光即采用化學與機械方法綜合作用去除多余材料而得到平坦化的高質量表面
圖2 化學機械拋光工藝裝置示意圖｜
4化學機械拋光金剛石修整器
修整器的性能要求十分嚴格首先金剛石不能脫落否則會劃傷晶圓表面其次金剛石分布要均勻金剛石尖端必須朝上出刃高度一致因此采用真空釬焊和金剛石有序排列的制作方法比較合適
日本ASAHI旭日金剛石工業公司在研發金剛石化學機械拋光墊修整器過程中采用規則均布金剛石技術開發了三種類型CMP修整器
1CMP-CS型修整器金剛石用NiCr胎體材料強力地化學結合把持以防止金剛石脫落金剛石在胎體材料上的分布具有重復性故其性能非常穩定
2CMP-MEO-UP型修整器其特點是金剛石規則均布每顆金剛石由Ni基胎體單獨專門把持與固定使金剛石的脫落減少到最低程度
3CMP-NEO-U型修整器其特點是金剛石規則均布金剛石出露高度可控金剛石刃端定向排列一致（如圖3）
圖3 CMP-NEO-U修整器特點示意圖
對金剛石化學機械拋光墊修整器的性能要求是
（1）不能有金剛石脫落否則使晶圓表面產生劃痕刮傷與瑕疵
（2）具有恒定的晶圓去除率以保證拋光的質量與穩定
（3）必須有很長壽命因在晶圓拋光整個成本中修整器所占比例最大
（4）批量生產中要求修整器穩定如一
為滿足上述要求金剛石修整器的設計應具有以下特點
（1）不能脫落
（2）金剛石磨料分布有適當的間距
（3）金剛石磨料凸出必須處在同一水平
（4）金剛石晶粒必須充分暴露
（5）金剛石胎體金屬必須耐磨與防浸蝕
以下介紹兩種國外修整器
（1）韓國新韓公司低密度型DET-M修整器
（2）中國臺灣KINIK公司新型PCD修整器
中國臺灣KINIK公司金剛石修整器的設計特點由圖4充分顯示與說明金剛石以固定的間距按預先設計模式Diamond Grid排列金剛石突出高度與水平都嚴格控制整個表面鍍覆一層不易損壞的納米金剛石保護層Diamond Shield防止酸性沖洗液對基體金屬的浸蝕和沖洗液中溶融的金屬銅對芯片電路的損害
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新型PCD修整器是中國臺灣KINIK公司研發的將PCD在6GPA壓力1359℃高溫下燒結成為修整器胎體然后用電火花加工成特定尺寸與形狀的角錐體按預定模式排列的角錐體如圖5所示稱之為ADDAdvanced Diamond Disks
圖5 ADO金剛石拋光盤切割角椎體實例
研究表明ADD可使拋光墊以高密度粗糙度高效拋光晶圓壽命提高一倍角錐體磨蝕后又可再重新加工復新多次使用使成本降低
先進的ADD拋光盤與普通金剛石拋光墊修整器對比優點如下表所示
5影響研磨拋光質量的若干技術因素
5.1 研磨拋光液
在研磨拋光工藝中包含四個基本要素即工件研磨液研磨拋光盤和研磨條件金剛石研磨液是隨著我國電子工業的發展而迅速得到發展的一種液體拋光材料主要在自動研磨拋光機上用其加工陶瓷材料硅片硬質合金等
液體金剛石研磨/拋光液基本有三種形式水基油基和乳化液水溶性金剛石研磨液由于具有易清理不易污染使用方便的特性所以在自動研磨/拋光機上得到了廣泛的應用
水溶性金剛石研磨液使用的金剛石微粉有兩種多晶和單晶金剛石微粉金剛石粒度為0.25～40μm常用規格為1～6μm所添加金剛石微粉粒度不同有不同規格的金剛石研磨液根據所使用金剛石微粉粒度的大小研磨液分別承擔著研磨或拋光的作用
金剛石研磨液的使用屬于研磨拋光加工工藝范疇研磨拋光加工是采用游離磨料對被加工表面產生微細去除作用以達到加工效果的一種超精加工方法從材料的去除機理來看研磨加工介于脆性材料破壞和彈性去除之間的一種方法而拋光加工基本上是在材料的彈性去除范圍之內進行
5.2 拋光墊
拋光墊作為CMP系統中的主要組成部分起著貯存拋光液并把它們運送到工件的整個加工區域維持拋光所需的機械和化學環境傳遞材料去除所需的機械載荷等作用在研磨拋光過程中加工工藝參數和拋光墊結構參數對研磨拋光后工件的質量以及去除速率有著重要影響
目前拋光墊的研究主要集中在物理性能和加工工藝方面對其動態磨損性能與加工精度關系的研究較為缺失根據相關研究可知拋光沿徑向上的磨損不是均勻分布的而研磨拋光過程中的復制效應則將拋光墊的磨損的不均勻性反映到工件表面材料的去除不均勻性影響工件表面的加工精度
5.3 金剛石間距
金剛石間距影響表面切削率與碎屑形狀修整率圖6金剛石間距減小切削率提高修整率降低反之亦然要想得到最佳的金剛石間距應同時考慮正反兩方面的影響否則就會影響到修整性能和晶片拋磨率
如果不對金剛石間距進行控制有的地方金剛石顆粒會過多而有的地方又過少前者不利于切入修整后者會導致局部修整不到而打滑圖7傳統修整器有三分之二的金剛石顆粒位置不合理多余并起反作用容易堵塞拋光液和碎屑的通道增加劃傷晶片的可能性
5.4 金剛石平齊度
控制金剛石間距即可優化修整面積和深度參與修整的金剛石數目是其平齊度來決定的如果金剛石不平齊只有部分出露高的金剛石顆粒工作修整時會形成寬而深的溝槽拋磨晶片時作用不均勻劃傷晶片多
出露高的晶粒在超負荷工作時容易碎裂而劃傷工件即使不碎也會很快變成非常鈍的晶粒鈍化面邊長>70μm失去修整作用妨礙其它晶粒的修整導致晶片拋磨率迅速降低修整器失效｜
5.5 金剛石柵
由于傳統的金剛石修整器不能實時修整必須過量修整磨盤才能保證在不修整時進行拋光因此拋光率是連續下降的金剛石柵可以在磨盤工作的同時對其實施修整不必過量修整不僅提高了拋光率而且由于金剛石柵可保證磨盤平整因此晶片也就平整均勻如圖8所示
金剛石柵容易實現計算機控制修整器的重要特性如金剛石間距出露及平整度都可以定量分析這些參數都和CMP過程的拋光率及其它技術參量相關從而進一步優化修整器和CMP過程下表展示的是金剛石柵的使用優點
5.6 材料去除的非均勻性
隨著超大規模集成電路的發展硅片尺寸不斷增大其面型精度要求也越來越高影響硅片面型精度的主要因素是硅片表面材料去除的非均勻性因為材料去除非均勻性的大小關系到多層布線質量的好壞在超大規模集成電路ULSI制造中化學機械拋光技術Chemical Mechanical PolishingCMP已成為半導體加工行業實現硅片全局平面化的實用技術和核心技術硅片表面材料去除非均勻性有三種表示方法一是硅片內材料去除非均勻性With-In-Wafer NonuniformityWIWNU二是芯片內材料去除非均勻性With-In-DieNonuniformityWIDNU三是片間材料去除非均勻性Wafer To Wafer NonuniformityWTWNU蘇建修等對片內材料去除非均勻性進行了研究
所得到的結論是硅片CMP時表面材料去除非均勻性的大小與拋光盤與拋光頭的轉速比有著密切的關系即在轉速比大于等于1時片內材料去除非均勻性較小因此在選擇拋光機運動參數時應盡量使拋光頭與拋光盤的轉速相同且轉速選擇大于等于1但由于拋光盤的尺寸及重量遠大于拋光頭的尺寸實際的硅片CMP操作時不采用拋光盤的轉速大于拋光頭的轉速尤其是大直徑硅片拋光機更是如此
目前在硅片CMP材料去除非均勻性的研究還有如
Hocheng等人通過對硅片表面相對速度及其影響參數的分析建立了以硅片與拋光墊相對速度為依據的材料去除非均勻性預測模型并研究了單頭拋光機運動變量對硅片CMP材料去除非均勻性的影響
Tso等人通過對雙面拋光機拋光頭與拋光盤的運動關系研究分析了磨粒在硬盤基片上劃痕分布非均勻性及其影響因素
Luo也認為硅片表面上的速度分布非均勻性導致了硅片表面材料去除非均勻性
V.H.Nguyen等人也從硅片表面上的相對速度分布方面研究了材料去除率的非均勻性
5.7 固結磨料加工的綠色特性
研磨拋光加工大都采用氮化鈰或二氧化硅磨料為非環境友好物質不利于國家與社會的可持續發展固結磨料新磨拋光墊的使用大大減輕了拋光廢液的處理成本及其對環境帶來的壓力是一種綠色環保的加工技術符合國家的產業政策和環保要求
在半導體研磨加工過程中需要在保證拋光階段所需加工余量及要求的表面質量的同時盡可能快的去除材料因此材料去除率MRR是研磨階段評價拋光墊的重要指標從圖9中可以看出固結磨料拋光墊FAP可以獲得比傳統游離磨料加工更高的MRR約20倍～30倍這是因為在FAP中破基體把持著的金剛石較游離磨料加工中滾動磨削的金剛石產生更大的犁削力更易去除材料
在研磨用FAP中所添加的磨料和游離磨料拋光光墊加工所用研磨液中的磨粒均為金剛石其粒度范圍為10～14μm
采用親水性固結磨料研磨墊后磨料使用量可節約95%左右每臺研磨機一年可節約近萬元的磨料開支固結磨料研磨墊的使用隔離了鑄鐵盤與磨料之間的接觸可減少每年一萬元左右的耗材開支另外游離磨料加工時研磨廢液無法回收須經處理后排放采用固結磨料研磨由于研磨液中不含磨料可以從廢液中回收硅不僅可以產生可觀的經濟效益還可減少對環境的污染｜
6結語與展望
6.1 在超大規模集成電路ULSI制造中化學機械拋光技術已成為硅晶材料行業實現硅片全局平面化的實用技術和核心技術
6. 2化學機械拋光的最大問題之一是硅材料去除非均勻性它是集成電路對硅片表面平坦化需求的一個重要指標材料去除非均勻性大小關系多層布線質量的好壞因此弄清CMP材料去除非均勻性形成機制才能有的放矢地采取控制硅片表面材料去除非均勻性相應的措施以滿足IC對硅片表面平坦化程度的需求
6.3 根據大量的研究分析在硅片CMP時磨粒的機械作用是硅片表面材料去除的主要機械作用磨粒在硅片表面的運動軌跡不僅最能反映出材料去除率多少也能很好地反映出硅片表面材料去除非均勻性的高低
6.4 拋光墊是化學機械拋光中的重要組成部分其間磨損均勻性是影響加工后工件平面度的重要因素目前拋光墊的研究主要集中在物理性能及加工工藝方面對其動態磨損性能與加工精度間的關系研究較為缺失因此建立以硅片與拋光墊相對速度為依據的材料去除非均勻性預測模型則顯得十分重要
6.5 金剛石的分布金剛石顆粒間的距離是決定研磨拋光速度的關鍵因素金剛石的無序分布將導致弱的金剛石的粘結力低的效率和短的壽命合理控制金剛石間距可更好地利用金剛石降低金剛石濃度和生產成本
6.6 控制好金剛石間距和平齊度晶粒負荷就均勻工作晶粒數就多前者可防止金剛石過早脫落而產生劃傷后者可以延長修整器的使用壽命
6.7 金剛石柵是解決目前CMP過程所面臨問題的最好方法對金剛石間距的控制可以確保磨盤修整的質量穩定晶片磨去率提高使用壽命和穩定性金剛石柵可由金剛石涂層得到進一步保護而延長使用壽命而且這種耐酸的修整器可以進行在線修整
6.8 CMP技術可用于結構復雜的半導體芯片生產
6.9 在CMP過程中拋光是靠化學反應和機械研磨共同完成的硬質陶瓷需要在硬質磨盤上進行強烈的研磨而軟質金屬材料需要在軟質磨盤上進行充分的化學反應除了對研磨盤和研磨液的選擇外對其它的拋光參數進行優選以在不降低表面質量情況下獲得高磨除率如達到20μm/hCMP的效率和效果對半導體薄片的生產成本產量和質量都有著重要的影響
