新型抛光垫沟槽及其在化学机械抛光中的作用研究进展

化学机械抛光过程中,抛光垫性能是影响抛光质量和抛光效率的重要因素之一,而抛光垫的性能又受其表面沟槽结构形状的影响。在介绍几种常见抛光垫沟槽结构形状的特性及其作用研究的基础上,介绍了新型抛光垫沟槽的研究进展,总结了几种新型抛光垫沟槽对抛光效果的影响,为抛光垫沟槽特性的进一步研究提供参考。     

化学机械抛光中抛光垫修整的作用及规律研究

抛光垫修整是化学机械抛光的重要过程之一.修整后抛光垫的性能主要由修整器的性能和相关的工艺参数决定.本文介绍常用金刚石修整器的颗粒性能、胎体材料及相关工艺参数,总结金刚石修整器在不同条件下对修整性能的影响规律,发现:金刚石颗粒的类型影响修整效率,RAS越大,修整效率越高;颗粒尺寸的增大有利于提高修整效率;粘结力的增大,可以提高修整效率和使用寿命;颗粒的均匀排列有助于抛光垫表面沟槽的形成;使用陶瓷作为胎体材料,可以提高使用寿命;修整压力及转速的增大,可以提高修整效率;修整温度会对抛光垫的沟槽、微孔及硬度产生影响,温度的升高,可以改善修整质量;修整密度越大,抛光垫的磨损率越高.最后对金刚石修整器的发展趋势做出展望.     

聚合物抛光垫修整和抛光的研究

通过试验了解聚合物抛光垫的修整和抛光原理,分别用尼龙、聚碳酸酯和聚氨酯在含3 %氧化铝颗粒的抛光液中与铜销对磨,测定修整后的抛光垫的表面性能,测量抛光试验中抛光垫的磨损和摩擦因数.结果表明,聚碳酸酯和聚氨酯抛光垫的接触角随表面粗糙度的增大而增大,尼龙则趋向于相反的规律;修整后的表面粗糙度对尼龙和聚碳酸酯抛光垫磨损机制的影响要大于对聚氨酯抛光垫磨损机制的影响;之前的研究表明,在化学机械抛光过程中,摩擦会引起材料的转移,在研究中,更进一步地考察了修整和抛光过程中材料转移的效应;与尼龙和聚碳酸酯相比,聚氨酯的化学、材料和摩擦学性能更为稳定.这使得聚氨酯成为化学机械抛光中较独特的材料.     

化学机械抛光中抛光垫的研究

抛光垫是化学机械抛光(CMP)系统的重要组成部分。它具有贮存抛光液，并把它均匀运送到工件的整个加工区域等作用。抛光垫的性能主要由抛光垫的材料种类、材料性能、表面结构与状态以及修整参数等决定。本文介绍CMP过程常用的抛光垫材料种类、材料性能、表面结构，总结了抛光垫的性能对CMP过程影响规律，认为：抛光垫的剪切模量或增大抛光垫的可压缩性，CMP过程材料去除率增大；采用表面合理开槽的抛光垫，可提高材料去除率，降低晶片表面的不均匀性；抛光垫粗糙的表面有利于提高材料去除率。对抛光垫进行适当的修整可以增加抛光垫表面粗糙度、使材料去除率趋于一致。与离线修整相比较，在线修整时修整效果比较好。     

硅片化学机械抛光技术的研究进展

随着硅片厚度的增大和芯片厚度的减小,硅片在加工中的材料去除量增大,如何提高其加工效率就成了研究的热点之一。由于化学机械抛光过程复杂,抛光后硅片的质量受到多种因素的影响,主要包括抛光设备的技术参数、耗材(抛光垫和抛光液)的性质和硅片自身在抛光时的接触应力状态等。本文介绍了硅片化学机械抛光技术的研究进展,讨论了影响硅片抛光后表面质量和表面材料去除率的因素,如抛光液、抛光垫、抛光压力等,并对目前用于硅片化学机械抛光的先进设备进行了综述。      

抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响试验

抛光垫是影响抛光加工效率和表面质量的关键因素之一,但影响规律和作用机理尚不清晰。为研究抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响规律,制作有、无固结磨料的表面六边形微细结构抛光垫,分别对YG15硬质合金、单晶Si和单晶4H-SiC三种硬度差异较大的工件进行抛光试验。结果表明：各抛光垫对不同硬度工件抛光效果的影响规律一致,随着抛光工件的硬度增大,各抛光垫的材料去除率（MRR）减小,表面粗糙度Ra增大。抛光垫内的固结磨料能将MRR提高5～10倍,但也会导致Ra增大5～20倍。抛光垫表面微细结构会使得抛光过程中有效接触面积Ap和有效磨粒数Ns减小而导致MRR下降,而抛光垫硬度的增加能够部分弥补抛光垫表面微细结构造成的影响,抛光工件硬度越大,弥补效果越好。增加游离磨料能够有效降低抛光后Ra并提高硬度较大工件的MRR（上升约8%）,但对硬度较小工件的MRR有抑制作用（下降约27%）。根据抛光试验结果,建立工件-磨料-抛光垫接触模型,深入分析抛光垫表面微细结构、表面硬度对不同硬度工件抛光MRR和表面质量的作用机理,为不同工件抛光时抛光垫的选择提供了理论基础。     

铜粉含量对亲水性固结磨料抛光垫加工性能的影响研究

通过向亲水性固结磨料抛光垫中添加铜粉,改善抛光垫的抛光性能,研究铜粉添加量对抛光垫的理化特性及加工K9光学玻璃的材料去除率和工件表面质量的影响。结果表明:随着铜粉添加比例的增加,抛光垫的硬度增加,其材料去除速率呈现先增大后减小的趋势,当铜粉质量分数为5%时,抛光垫的材料去除速率达到最大值58.18 nm/min。同时加工后K9玻璃表面粗糙度也对应地呈现出先增大后减小的趋势,粗糙度Sa最大值为9.28 nm,最小值为2.53 nm。     

非晶态合金薄膜铜衬底超精密抛光的实验研究

本文采用聚氨酯抛光盘和绒布抛光垫对铜衬底进行超精密抛光工艺研究,对铜衬底的表面粗糙度、材料去除率以及铜衬底表面组织结构变化过程进行了研究,并讨论了铜衬底在超精密抛光时,不同抛光条件对其表面粗糙度和材料去除率的影响,以及抛光压力对铜衬底的表面形成过程的影响。结果表明,采用聚氨酯抛光盘和绒布抛光垫可以消除划痕,抛光后的铜衬底表面粗糙度可达Ra6 nm。     

基于分子动力学的压力对纳米抛光碳化硅的影响分析

本文运用分子动力学基本原理建立了金刚石磨粒抛光碳化硅工件的三维模拟模型,对线性增大抛光压力时系统势能、碳化硅工件的温度与材料去除量的变化规律进行了深入分析。研究结果表明:随着抛光压力的线性增加,系统势能和工件温度首先明显增大,然后增速变得缓慢,最后趋于动态平衡的状态,工件表面的材料去除形式由压实去除转变为犁沟去除,直至大变形切削过程,工件表面的原子去除数量近似指数函数变化。     

磨粒和抛光垫特性对蓝宝石超声化学机械抛光的影响

抛光磨粒和抛光垫对蓝宝石超声化学机械抛光起重要作用,为研究磨粒和抛光垫特性对蓝宝石材料抛光效率和质量的影响,利用自制超声弯曲振动辅助化学机械抛光装置,研究金刚石、氧化铝和二氧化硅3种不同磨粒,以及表面多孔且无沟槽的聚氨酯抛光垫、IC1000抛光垫、IC1000和SubaⅣ复合抛光垫对蓝宝石材料去除率及抛光后表面粗糙度的影响。由质量损失求得的去除率和原子力显微镜表面形貌测试结果表明：二氧化硅抛光液的去除率3.2 μm/h接近氧化铝抛光液去除率3.8 μm/h,远大于金刚石抛光液去除率0.3 μm/h,且其抛光后的蓝宝石表面光滑、无损伤;3种抛光垫抛光后的蓝宝石粗糙度接近,约0.10 nm,但聚氨酯抛光垫的去除率为3.2 μm/h,远大于IC1000抛光垫的去除率1.9 μm/h及复合垫的去除率1.6 μm/h。二氧化硅抛光液和聚氨酯抛光垫适宜蓝宝石超声化学机械抛光工艺,可获得高去除率和原子级光滑表面。     

冰粒型固结磨具抛光锗片的温度场仿真与实验研究

利用ABAQUS软件建立有限元分析模型,获得了冰粒型固结磨具在不同抛光时刻的温度场等温图及融化厚度值,并通过实验验证了有限元模型的结果。结果表明:摩擦生热并非是导致冰盘升温的主要原因,周围的空气对流换热对于温度场的影响较大,磨具温升速率为先快后慢;冰盘圆环带呈现中间温度高于两侧,外侧高于内侧的分布规律;摩擦生热效应随着抛光时间的增加逐渐显现;当抛光时间大于1366 s,环境温度略高于0℃,气缸压力为20 N,转速为200 r/min时,冰粒型固结磨具具有好的自锐性和长的使用寿命。      

CMP Pad Break-in Time Reduction in Silicon Wafer Polishing

This paper investigated the correlation between the surface conditions of the polishing pad and the break-in phenomena during silicon wafer polishing. The break-in is defined as pad conditioning to insure first polishing is consistent with second and following wafer polishing. A piezoelectric force sensor and an infrared (IR) sensor were installed on a silicon wafer polisher. The signals for friction force and temperature of the pad surface were measured simultaneously for monitoring the break-in phenomena during the polishing process. As a result of monitoring, the pad surface condition had the most significant effect on the break-in phenomena than compared to the other polishing parameters. Therefore, the control of the surface condition of the pad ensures the reduction of the break-in time during silicon wafer polishing.     

双磨粒抛光单晶Si的分子动力学模拟

目的 通过分子动力学(MD)模拟,获得双金刚石磨粒抛光单晶Si的去除机理.方法 采用一种新的单晶硅三体磨粒抛光方法,测试双磨粒的抛光深度和横向/纵向间距对三体磨粒抛光的影响,从而获得相变、表面/亚表面损伤等情况,并获得抛光过程中温度及势能的变化情况.结果 对比抛光深度为1、3 nm时配位数的情况,发现抛光深度为1 nm时,抛光完成时相变的原子数是4319,而抛光深度为3 nm时,相变原子数为12516.随着磨粒在Si工件表面抛光深度的加深,抛光和磨蚀引起的相变原子和损伤原子的数目增加.仿真结果还表明,单晶Si相变原子的种类和数目随磨粒横向间距的增加而增加,随着纵向间距的增加反而减少.系统的初始温度设为298 K,抛光深度为1 nm时,抛光完成时的温度是456 K,而抛光深度为3 nm时,温度是733 K.抛光完成时,纵向组和横向组的温度仅相差30～40 K.在抛光深度、横向间距和纵向间距3个对照组中,抛光深度对亚表面损伤的影响最大.抛光深度为3 nm时,亚表面的损伤深度最大,从而导致更多的材料从单晶Si工件表面去除.结论 双磨粒的抛光深度和间距不仅对硅的表面微观结构产生影响,还对相变产生影响.模拟参数相同时,较大的抛光深度和横向间距下会产生更多的相变原子,因此相变受抛光深度的影响最大,受纵向间距的影响最小.     

磁流变微结构动压平面抛光试验研究

为提高集群磁流变平面抛光效率,在抛光盘表面增加微结构,以增强加工过程中的流体动压作用。使用平面抛光盘和表面加工有孔洞、V形槽、U形槽、矩形槽等不同微结构的抛光盘进行抛光试验及抛光压力特性试验,研究了加工间隙和工件转速对加工效果的影响。结果表明:抛光盘表面微结构对工件材料去除率影响较大,不同微结构盘材料去除率从大到小顺序为V形盘>U形盘>平面盘>孔洞盘>矩形盘,其中V形盘的材料去除率比平面盘高25%以上;所有抛光盘均能获得纳米级（R_a在8 nm以内）表面。当加工间隙为0.9~1.0 mm、工件转速为550 r/min时,加工效果较好。      

Evaluation of the wafer polishing pad capacity and lifetime in the machining of reliable elevations

The purpose of the wafer polishing process is to ensure wide planarization, uniformity, a precise surface finish and a non-defective surface. Its significance is increasing with the trend toward large-diameter wafers. The polishing pad used in these processes is an important factor that influences the wafer surface finish. Maintenance of the pad capacity plays a key role in the machining of reliable elevations. If the machining time increases, the pad capacity decreases, creating the need for a suitable shift time. A rough pad surface condition can contain microscopic holes that serve as an exhaust pathway for minute chip particles. Such particles become reaction materials on the pad surface.In this study, a dressing effect on the machining capacity, deformation degree and pad lifetime are investigated. A 300 mm silicon wafer was polished and the dressing defect and control condition were compared and analyzed with no change of the other machining conditions. The pad capacity and lifetime were evaluated in terms of the pad deformation degree, pad surface variation and silicon wafer surface finish under various pad deformation conditions. The AE (Acoustic Emission) signal of various pad surface conditions was detected using a AE sensor during the silicon wafer polishing process. The polishing process was monitored and analyzed using the AE raw signal, RMS (Root Mean Square) conversion data and FFT (Fast Fourier Transformation) analyses. The AE signal is a spontaneous elastic wave signal caused by a change in the stress condition of each material. Using a loadcell with the wafer head fixture, variations in the applied pressure signal were detected and compared while varying the condition of the pad surface and final wafer surface finish.The silicon wafer polishing process has sensitive machining characteristics due to the interaction between various complex process factors. These can include the pad, slurry, applied pressure, rotation speed, dressing condition and the machining temperature. Among these important machining factors, the pad capacity and lifetime evaluation as they pertain to the dressing control were assessed. These characteristics were investigated through an analysis of the deformation of the pad, the wafer surface finish, the detected sensor signal and the signal process.     

单层磨料凝胶抛光垫的加工性能研究

目的 研究单层磨料凝胶抛光垫的加工性能,为提高磨料利用率以及降低磨料对凝胶基体的破坏提供解决思路.方法 使用自行搭建的测力装置,对磨粒与基体的界面结合强度进行研究,分析磨料粒度和偶联剂对界面结合强度的影响,研究磨料粒度和结合剂厚度对磨粒附着的影响,并将制备的单层磨料凝胶抛光垫与常规多层磨料凝胶抛光垫分别在湿抛光和干抛光工艺条件下加工碳化硅衬底,对比两者的材料去除率、表面粗糙度和工具的磨损情况.结果 200/230目金刚石磨粒的界面结合强度是80/100目的4倍有余,添加偶联剂后,80/100目金刚石磨料与基体的界面结合强度提高了75％.粗粒度的W40多层磨料容易破坏凝胶基体的结构,而细粒度的W5单层磨料不会破坏凝胶基体结构,且单层磨料工具的凝胶体涂覆厚度应低于0.6 mm.湿抛光条件下,单层磨料工具能达到多层磨料工具的抛光效果;干抛光条件下,单层磨料工具的材料去除率相比多层磨料工具提升11.5％;湿抛光和干抛光条件下,单层磨料凝胶工具的耐磨性都显著强于多层磨料工具.结论 单层磨料凝胶工具在湿抛光条件下具有与多层磨粒凝胶工具等效的加工能力,但是在干抛光条件下,单层磨料凝胶工具的加工能力和使用寿命要显著优于多层磨料凝胶工具.     

化学机械抛光垫的研究进展

化学机械抛光(CMP)作为一种超精密加工技术,在集成电路制造、计算机硬盘、微机电系统、光学元件加工等领域得到了广泛的应用。抛光垫设计制备、抛光垫磨损、抛光垫修整均会对化学机械抛光产生影响。首先从抛光垫基体、抛光垫表面纹理、抛光垫结构等3个方面对抛光垫设计制备相关研究进行了综述,重点介绍了不同基体材质抛光垫的抛光性能,指出了各材质抛光垫的优缺点。其次,介绍了抛光和修整过程中的抛光垫磨损,对比了各研究者建立的抛光垫磨损模型,概述了抛光垫磨损监测技术的研究现状,并指出目前抛光垫磨损状态的监测手段较为单一,采用融合多传感器信号对抛光垫磨损状态进行监测,可以提高其监测精度。为了进一步探究抛光垫修整对抛光性能的影响,归纳了修整器的结构参数,以及修整参数对修整效果的影响,介绍了几种新型修整器结构,并综述了抛光垫自修整技术的研究进展。最后,总结了目前关于研究抛光垫设计制备、抛光垫磨损、抛光垫修整等方面存在的问题,并对其发展前景进行了展望。