单晶SiC的电助光催化抛光及去除机理

为满足电子半导体等领域对SiC超光滑、无损伤和材料高效去除的要求，提出了电助光催化抛光SiC的新方法。研究了光催化剂种类及其pH值对抛光液氧化性和抛光效果的影响，讨论了材料的去除机理。结果表明：以p25型TiO2为光催化剂配制抛光液所获得的最大氧化还原电位为633.11 mV，材料去除率为1.18 μm/h，表面粗糙度Ra=0.218 nm；抛光后SiC表面氧化产物中，Si-C-O、Si-O和Si4C4O4的含量明显增加，SiC表面被氧化并被机械去除是主要的材料去除方式。     

HCl-（NH4）2S2O8体系抛光液中钌的化学机械抛光研究

金属钌(Ru)有可能作为集成电路中铜互连阻挡层材料,作为阻挡层必须具有低的表面粗糙度。化学机械抛光技术已经成为集成电路制造中实现局部平面化和全局平面化的关键技术,因此对钌的化学机械抛光研究具有重要意义。利用自制抛光液,研究了在HCl-(NH4)2S2O8体系抛光液中盐(KCl)的浓度、络合剂浓度、pH值和抑制剂(BTA)等对钌的去除速率的影响。实验发现,在HCl-(NH4)2S2O8体系抛光液中,金属钌在1wt.%SiO2、1wt.%过硫酸铵、1wt.%酒石酸、1mmol/L BTA和10mmol/L KCl,pH值为9.0的抛光液中,抛光速率为10.8nm/min。电化学实验发现,在1wt.%SiO2、1wt.%过硫酸铵、1wt.%酒石酸、1mmol/L BTA和1mmol/L KCl,pH值为4.0的抛光液中,金属钌表面化学反应受抑制;在1wt.%SiO2、1wt.%过硫酸铵、1wt.%酒石酸、1mmol/L BTA和1 mmol/L KCl,pH值为9.0的抛光液中,金属钌表面钝化膜较致密、较厚。     

铜抛光液中缓蚀剂5-氨基四唑(ATA)的作用机制研究

采用静态腐蚀实验、接触角测试、XPS等手段,比较在不同pH值下抛光液中缓蚀剂(5-氨基四唑(ATA),苯并三唑(BTA))对铜表面化学机械抛光(CMP)的影响,并探讨ATA在铜表面的作用机制。结果表明,BTA和ATA是优良的铜缓蚀剂,当pH值为3～10时,两者可在铜表面成膜,保护铜表面不受腐蚀,从而降低铜片的静态腐蚀速率和去除率,其中当pH=4时,2种缓蚀剂表现出最佳的缓蚀性能。当pH值为3～5时,ATA的缓蚀性能优于BTA。ATA通过四唑环上的N原子和氨基上的N原子吸附在铜表面,形成保护膜,从而抑制了H2O2对铜表面的腐蚀,改善了表面质量,是一种优良的适用于酸性铜抛光液的缓蚀剂。     

单晶SiC化学机械抛光液化学反应参数研究

选择影响化学机械抛光化学反应速率的参数:催化剂浓度、氧化剂浓度、抛光液的pH值、抛光液温度等进行了试验,研究了它们对基于芬顿反应的单晶SiC化学机械抛光效果的影响规律。发现只有当H_2O_2浓度高于20%、Fe_3O_4浓度高于1.25%时,增大H_2O_2、Fe_3O_4浓度,材料去除率才会显著越高,此时材料去除速率由化学液腐蚀速度与磨料机械去除速度共同决定;低于此范围时由磨料的机械作用决定。温度升高会加速H_2O_2分解,抑制羟基自由基·OH的生成,减缓化学腐蚀,降低材料去除率。当Fe_3O_4浓度、H_2O_2浓度、pH值、抛光液温度分别为1.25%、15%、7、41℃时,化学腐蚀与机械去除的协调性及磨料的分散性较好,表面粗糙度最低;当它们分别为5%、25%、9.3、15℃时,材料去除率最高。     

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。     

BTA与TT-LYK对铜CMP缓蚀效果和协同效应研究

在铜化学机械抛光中,由于典型缓蚀剂苯并三氮唑(BTA)对铜表面化学保护作用非常强烈,造成铜去除速率过低的现象。为了获得更好的缓蚀效果和铜表面质量,在近中性溶液中,对BTA缓蚀剂和新型缓蚀剂2,2′-[[(甲基-1H-苯并三唑-1-基)甲基]亚氨基]双乙醇-(TT-LYK)的缓蚀效果进行比较,并对2种缓蚀剂的复配效果进行研究。结果表明：在近中性溶液中,BTA和TT-LYK均可以有效抑制铜表面腐蚀;2种缓蚀剂复配后具有协同作用,添加到抛光液中可得到更好的铜表面质量和更低的粗糙度,这可能是由于2种缓蚀剂的钝化膜类别相似,使得在一种缓蚀剂形成配合物的基础上,另一种缓蚀剂对生成的钝化膜进行补充,使得双层钝化膜更致密,能更好地保护铜表面不受腐蚀。     

精细雾化抛光TC4钛合金抛光液优化研究*

配制适用于TC4钛合金雾化施液抛光的特种抛光液,通过抛光实验获得纳米级的光滑钛合金表面。研究不同磨料、氧化剂和络合剂含量对钛合金材料去除率和表面粗糙度的影响,通过正交试验优化抛光液组成及配比。优化后的抛光液由质量分数20%的SiO2磨料、0.1%的柠檬酸、1%的聚乙二醇-400、2%的H2O2组成,pH值为4。抛光试验结果表明,优化后抛光液的抛光效果较好,材料去除率及试件表面质量均有所提升,其中材料去除率为549.87nm/min,表面粗糙度为0.678 nm。XPS分析表明,抛光过程中钛合金表层在酸性环境下与H2O2和柠檬酸反应,生成了易于通过机械作用去除的氧化层。     

蓝宝石基片的磁流变化学抛光试验研究

分析了磁流变化学抛光的加工机理,对蓝宝石基片的磁流变化学抛光进行了试验研究。结果表明:磁流变化学抛光可将蓝宝石基片加工到亚纳米级粗糙度的超光滑镜面,材料去除率受化学反应速率和剪切去除作用共同影响,化学反应速率越快,剪切去除作用越强,材料去除率越高;混有硅胶溶液与α-Al2O3磨料的磁流变化学抛光液去除率最高;材料去除率随工作间隙,励磁间隙以及加工时间的增大而减少,随铁粉浓度减少而减少;利用磁流变化学抛光方法加工蓝宝石基片可获得Ra 0.3 nm的超光滑表面。     

用于光学玻璃CMP的高效稀土抛光液研究

以纳米二氧化铈(CeO₂)为磨料,使用球磨与不同化学试剂(如pH值调节剂乙酸、丙酸、植酸和分散剂离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂)的协同分散方法制备纳米CeO₂抛光液,研究酸性体系下不同抛光液的分散性能与抛光性能。研究表明,球磨时以乙酸为pH值调节剂,调节溶液pH值为3,料球比为1∶4,球磨时间为6 h,球磨后纳米CeO₂悬浮液分散效果较好。采用制备的纳米CeO₂抛光液对石英玻璃进行抛光实验。结果表明：在磨料质量分数为1%、pH为4的条件下,石英玻璃的材料去除速率最高为409 nm/min,粗糙度仅为0.03 nm;阳离子、非离子型表面活性剂均有助于提升酸性体系下CeO₂悬浮液的分散稳定性,而加入非离子表面活性剂AEO-9(脂肪醇聚氧乙烯醚)效果最佳,其能够在提高分散稳定性的基础上改善石英玻璃的表面质量。     

磁流变抛光的材料去除数学模型

对磁流变抛光液在抛光区域的固态核分布进行了理论分析。在这基础上,以Preston方程为根据,即被加工工件表面材料去除率与压力参数p成正比的关系,该压力由磁化压力和流体动压力组成,建立磁流变抛光的材料去除数学模型。在自研的试验装置上利用磁流变抛光方法加工BK7平面镜工件,验证了数学模型的合理性。     

Electrogenerated chemical polishing of copper

Stress free polishing method is preferred for a damage free surface of copper with ultra-flatness and ultra-smoothness. Such a surface offers a perfect substrate for integrated circuits and micro-electromechanical systems fabrication. A new polishing method, called electrogenerated chemical polishing (EGCP), is proposed based on the principle of the scanning electrochemical microscope (SECM) and the diffusion controlled chemical reaction. Roughness of a Cu surface is reduced from 100.5 nm to 3.6 nm by the proposed method. To demonstrate the planarization capability of this new method, a patterned Cu surface with an array of micro-columns is planarized with a peak-valley (PV) value from 4.7 μm to 0.059 μm.     

Analysis of the polishing ability of electrogenerated chemical polishing

Electrogenerated chemical polishing (EGCP) had been proved effective in improving both the smoothness and the flatness of copper surface in our previous work. In this paper the polishing ability, defined as the ratio between the material removal rate at the peak and at the valley of a rough surface, is studied theoretically and experimentally. In a mathematical model, the effects of the special wavelength L, the peak-to-valley height h of the workpiece surface profile and the working distance d between working electrode and workpiece surface on the polishing ability are studied. The results show that the polishing ability decreases with increasing the working distance and finally approaches the value (d + h)/d, if L is much larger than d. However, the effect of the working distance on polishing ability is negligible, if L is close to or less than d. The polishing ability also decreases with h decreasing. Based on the above analysis, an analytical expression of the polishing ability of EGCP is given. For validating the theoretical analysis, a copper surface is polished by EGCP and the change of the surface profile is measured and analyzed using the analytical expression. The measured polishing ability agrees well with the simulation results.     

A novel method for micro-gap control in electrogenerated chemical polishing

In the electrogenerated chemical polishing (EGCP), material removal rate (MRR) is inversely proportional to the processing gap. To polish a workpiece with a large area, high and uniform MRR is necessary, which prefers a small and uniform processing gap. Based on the principle of the hydrostatic support, a novel micro-gap control method is proposed. The method uniformly controls the gap between the electrode and workpiece to a micro level over a large area. A relationship between the gap size and the inlet pressure is derived theoretically and verified experimentally. The proposed method is successfully applied to the polishing of a Cu surface with a diameter of 50 mm. Promising results are obtained that surface roughness and flatness are reduced from average roughness (Ra) 82 nm and peak-to-valley (PV) value 290 nm to Ra 4 nm and PV 120 nm, respectively.     

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。     

光助芬顿反应对6H-SiC化学机械抛光的影响

为提高6H-SiC晶片化学机械抛光的材料去除率(MRR)并改善其表面质量,采用光助芬顿反应体系对6H-SiC晶片进行化学机械抛光,研究紫外光功率、抛光液pH值、H2O2质量分数和Fe2+浓度对6H-SiC晶片抛光效果的影响。使用原子力显微镜观察6H-SiC晶片表面质量,采用纳米粒度电位仪测量抛光液中SiO2磨粒的粒径分布及Zeta电位,利用可见分光光度法检测溶液中羟基自由基(·OH)的浓度并通过紫外-可见光谱分析紫外光的作用机制。结果表明:引入紫外光提高了6H-SiC的MRR,增大紫外光功率,MRR也随之增加;随pH值、H2O2质量分数和Fe2+浓度的升高,MRR先增大后减小;pH值影响磨粒间的静电排斥力及磨粒的分散稳定性,从而影响6H-SiC的MRR;与采用芬顿反应体系的抛光液相比,采用光助芬顿反应体系的抛光液中产生的·OH数量较多,说明紫外光能够增加反应体系中·OH的数量,从而促进6H-SiC晶片的表面氧化,提高6H-SiC晶片的MRR,并改善其表面质量。     

化学机械抛光垫沟槽形状的研究及展望

在化学机械抛光过程中,沟槽形状是抛光垫性能的重要影响因素之一,它会直接影响抛光效果。本文介绍了化学机械抛光垫上沟槽的基本形状及其对抛光效果的影响,以及不同复合形状的抛光垫沟槽及其对抛光效果的影响,并就研究中现存的主要问题提出展望。     

磁流变变间隙动压平坦化加工力特性研究

磁流变变间隙动压平坦化加工利用工件的轴向低频振动使磁流变液产生挤压强化效应,可以有效提高加工效果并使光电晶片快速获得纳米级表面粗糙度。通过旋转式测力仪试验研究不同变间隙参数对磁流变变间隙动压平坦化加工过程中抛光正压力的影响规律,结果表明,在工件轴向低频振动作用下,抛光正压力形成脉冲正值和负值周期性的动态变化过程;将工件轴向低频振动过程分解为下压过程与拉升过程,下压速度和拉升速度对动态抛光力有不同的响应特性;随着最小加工间隙的减小抛光正压力会急剧增大;设置最小加工间隙停留时间观察抛光正压力变化,可以发现在工件最小加工间隙停留期间抛光力从峰值逐渐衰减并趋于平稳;挤压振动幅值对抛光正压力影响较小。建立了磁流变变间隙动压平坦化加工材料去除模型,弄清了在动态压力作用下,磨料更新及其附加运动机制,研究了磁流变变间隙动压平坦化加工过程中磨料颗粒对工件表面柔性划擦和微量去除的作用机理,为磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺优化提供了理论依据。     

化学机械抛光工艺中的抛光垫

抛光垫是晶片化学机械抛光中决定表面质量的重要辅料。研究了抛光垫对光电子晶体材料抛光质量的影响：硬的抛光垫可提高晶片的平面度;软的抛光垫可改善晶片的表面粗糙度;表面开槽和表面粗糙的抛光垫可提高抛光效率;对抛光垫进行适当的修整可使抛光垫表面粗糙。