抛光垫特性对硬质合金刀片CMP加工效果的影响

目的研究不同种类的抛光垫对硬质合金刀片表面化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing/Planarization,CMP)加工过程的影响,为实现硬质合金刀片高效精密CMP加工提供有效参考。方法利用Nanopoli-100智能抛光机,通过自制的Al2O3抛光液,分别采用9种不同种类的抛光垫对牌号为YG8的硬质合金刀片进行CMP实验,将0~40、40~80、80~120 min三个加工阶段获得的材料去除率和表面粗糙度进行对比,同时观察最佳的表面形貌,分析抛光垫特性对CMP加工效果的影响。结果在抛光转速60 r/min,抛光压力177.8 k Pa的实验条件下,9种不同类型的抛光垫中仅有5种适合用于YG8硬质合金CMP加工。而且抛光垫的表面粗糙度在YG8刀片CMP加工过程中的影响最为显著,抛光垫表面粗糙度越高,CMP加工的材料去除率越高。此外,抛光垫的使用时间对CMP过程也有影响,抛光垫使用时间越长,CMP的材料去除率越小。结论 YG8硬质合金刀片经5种不同类型抛光垫CMP加工后,其表面的烧伤、裂纹等缺陷均得到了极大改善。当使用细帆布加工40 min时,材料去除率最高,为47.105 nm/min;当使用细帆布加工80min时,表面粗糙度最低,为0.039μm。     

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.     

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。     

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.     

金刚石化学机械抛光垫修整器的发展方向与前景（上）

半导体芯片的生产主要依靠化学机械抛光(CMP)工序使硅片表面平坦化，使复杂的集成电路能非常有效地工作。做为电路设计不可避免地趋向于采用高度集成和多层结构。故化学机械抛光技术必须紧跟其需要与发展。化学机械抛光垫性能的关键是采用金刚石化学机械抛光垫修整器工作时，抛光垫工作寿命期间，必须保持恒定的抛光效果。     

硬质合金刀具材料化学机械抛光机理研究

目的研究硬质合金刀具材料化学机械抛光(CMP)机理,为改善硬质合金刀具表面质量提供理论支持。方法分析硬质合金刀具材料在酸性抛光液中的化学反应,研究硬质合金刀具材料CMP的化学反应机理。基于接触力学理论计算抛光垫与工件的实际接触面积和单个磨粒的实际切削面积,在运动学分析的基础上,建立硬质合金刀具材料CMP的材料去除率模型,通过实验验证材料去除率模型的有效性。结果在酸性抛光液中,硬质合金被氧化成Co_3O_4。当工件、抛光垫、磨粒类型、工件安装位置确定时,材料去除率与抛光载荷、磨粒浓度和抛光盘转速有关。常用硬质合金抛光条件下,抛光YG8刀具的修正系数Kcm为8.53,抛光后刀具的最低表面粗糙度能达到48nm,材料去除率为62.381nm/min,材料去除率的理论值和实验值的最大相对误差为13.25%,消除了表面缺陷,获得了较好的镜面效果。结论建立的材料去除率模型具有一定的有效性,对硬质合金刀具材料进行化学机械抛光能消除刀具的表面缺陷,改善表面质量。     

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。     

LiTaO3晶片CMP过程工艺参数研究

采用不同抛光条件抛光LiTaO3晶片,通过测量其加工表面粗糙度和材料去除率,探讨了化学机械抛光去除机理,分析了抛光垫材料和状态、抛光压力、抛光盘转速等因素对LiTaO3晶片抛光表面质量和材料去除率的影响规律,并获得了LiTaO3晶片CMP加工的有效工艺参数.实验表明,为获得LiTaO3晶片超精密表面,可采用沥青和平绒布抛光垫进行粗抛和精抛,然后采用旧无纺布(抛光垫)进行终抛,获得较大工件去除率和较光滑表面,得到良好的综合抛光效果.在修正环型超精密抛光机上,理想的LiTaO3工艺参数为:抛光压力为7.25 kPa,抛光盘转速为60rpm.     

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。     

游离和固结金刚石磨料抛光手机面板玻璃的试验研究

选取不同粒径的金刚石微粉,采用游离磨料和固结磨料两种抛光方法加工手机面板玻璃,比较其材料去除率和抛光后工件表面粗糙度。结果表明：在相同的抛光工艺参数下,磨粒粒径在游离磨料抛光中对材料去除率和抛光后表面质量作用显著,而在固结磨料抛光中作用不显著;采用金刚石固结磨料抛光垫抛光能获得表面粗糙度约为Ra1.5 nm的良好表面质量,并在抛光过程中较好地实现了自修整功能。     

Tribological approaches to material removal rate during chemical mechanical polishing

In this study, the effect of the friction and wear of a polishing pad on the material removal rate of a silicon oxide wafer was investigated during chemical mechanical polishing (CMP) with ceria slurry. Further, the effect of surface properties of the polishing pad, such as surface roughness and hardness, on the variation in the material removal rate was examined. From a tribological viewpoint, the in-situ friction force was monitored during the CMP process, and wear of the polishing pad was controlled by different types of conditioners. After CMP, the pad surface roughness was measured by optical profiling and scanning electron microscopy. Experimental results showed that the material removal rate was almost linearly proportional to the friction force between the pad and the wafer surface, irrespective of the properties of the pad. Experiments on the dependency of the pad wear rate on the material removal rate showed that the material removal rate increased with a decrease in the pad wear rate. Experiments and pad characterization confirmed that such a correlation was attributed to the pad surface roughness and the friction force.     

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。     

Mechano-chemical polishing of silicon wafers

Rapid progress in recent IC fabrication industry has increased the demand of tight specification of non-uniformity (NU) and surface polishing in silicon wafer planarization. Chemical–mechanical polishing (CMP) is currently the most popular method for IC wafer planarization. However, the sub-surface damage problem caused by hard abrasives and chemical waste problem of CMP have decreased the throughput and increased the cost of IC fabrication. This study is to investigate the mechano-chemical polishing (MCP) of silicon wafers by slurry of soft abrasives, BaCO₃ and through experiments to verify that the solid phase chemical reaction (SPCR) is the main reaction process involved in MCP. A planarization mechanism with compliance has been designed and tested through MCP experiments. Experimental results of MCP of silicon wafers have achieved the average of surface roughness improvement ratio (SRIR) to 99% and the surface roughness R_a=0.633 nm measured by atomic force microscope (AFM). The material removal rate (MRR) has been calculated and the significant influence of slurry weight percent and polishing pressure have been found. The NU has also been estimated for evaluation of MCP parameters. The sub-surface damage of silicon wafer has not yet been found in experimental results and hence the MCP process of silicon wafers has been verified to become a green or environment-friendly technology of silicon wafer planarization.     

蓝宝石衬底CMP中氧化硅磨粒粒度分布对抛光液体系性能影响研究

目的 化学机械抛光(CMP)包含化学腐蚀和机械磨削两方面,抛光液pH、磨粒粒径和浓度等因素均会不同程度地影响其化学腐蚀和机械磨削能力,从而影响抛光效果。方法 采用30~150 nm连续粒径磨粒抛光液、120 nm均一粒径磨粒抛光液、50 nm和120 nm配制而成的混合粒径磨粒抛光液,分别对蓝宝石衬底晶圆进行循环CMP实验,研究CMP过程中抛光液体系的变化。结果 连续粒径磨粒抛光液中磨粒大规模团聚,满足高材料去除率的抛光时间仅有4 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.665 nm;均一粒径磨粒抛光液中磨粒稳定,无团聚现象,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高94.7%,能至少维持高材料去除率18 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.204 nm;混合粒径磨粒抛光液初始状态下磨粒稳定性较高,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高114.8%,之后磨粒出现小规模团聚现象,后9 h材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的59.6%,18 h内材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的87.7%,但抛光后的晶圆表面粗糙度为0.151 nm。结论 一定时间内追求较高的材料去除率和较好的晶圆表面粗糙度选用混合粒径磨粒抛光液,但需要长时间CMP使用均一粒径磨粒抛光液更适合,因此,在工业生产中需要根据生产要求配合使用混合粒径磨粒抛光液和均一粒径磨粒抛光液。     

乙醇对低磨料CMP过程中铜膜凹凸处去除速率选择性的影响

根据相似相容原理,在低磨料浓度CMP过程中,利用乙醇对多羟多胺螯合剂的降黏特性来提高铜膜表面凹凸处抛光速率的选择性。根据抛光液中各组分浓度对动态和静态条件下铜膜去除速率的影响获得乙醇加入量的最大值;通过螯合剂、氧化剂与乙醇对动静态条件下铜膜去除速率的相互作用关系来确定各组分的最佳浓度。最终得出当各组的体积分数为:磨料0.5%,螯合剂10%,H2O20.5%,乙醇1%时,铜膜表面拥有最大的凸处和凹处速率比。在MIT 854铜布线片上进行平坦化试验,结果表明:该抛光液能够很大程度的减小布线表面的高低差,拥有较强的平坦化能力。红外光谱检测结果表明:在CMP过程中,铜膜表面不会生成副产物乙酸乙酯。上述结果进一步证实了该抛光液的实用性。     

基于叶序仿生抛光垫的化学机械抛光的运动分析

为了改善化学机械抛光的接触状态和被加工工件的表面形态,基于生物学的叶序理论设计了仿生结构的抛光垫。从单颗磨粒切削理论出发,建立了抛光运动方程和材料去除率分布模型。利用所建立的运动方程和材料去除率分布模型进行了晶片表面材料去除率分布的计算分析,得到抛光机的运动参数及抛光垫的叶序参数对材料去除率的影响规律。结果表明:当抛光盘的转速较大、工件转速适中、摆臂摆动频率较小、摆臂中心角较小及叶序参数取值较小时可以获得更好的材料去除分布。     

RBR控制在超大规模集成电路制造的化学机械抛光工艺中的应用

本论文介绍了RBR过程控制技术在超大规模集成电路（UISI）制造中的化学机械抛光（CMP）这一关键工艺中的应用。CMP工艺中的RBR控制是利用CMP工艺后检测获得的抛光质量数据来调整下一片硅片抛光的输入工艺参数的方法实现的。由于影响CMP过程的参数比较多,并且存在一些复杂的变化过程（如抛光垫老化、更换抛光垫等）,使得其RBR控制是一个多目标、多输入、多输出的控制过程。本文结合CMP工艺分析了RBR控制,并以双指数权重调整方法为例描述了用于CMP的RBR控制算法,最后介绍了RBR控制在CMP工艺应用中的最新研究结果。