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超声精细雾化化学机械抛光机理研究

郭志学

  传统的CMP技术在满足IC对高平坦化的加工要求同时,其本身存在着许多难以克服的固有缺陷,阻碍了化学机械抛光技术的进一步推广应用。为解决目前硬脆材料的表面平坦化处理中存在的一些共性难点问题,创造性的提出了超声精细雾化CMP方法,其原理为:在抛光过程中,把含有特种化学组分的抛光液进行控频超声精细雾化,使其变为索太尔直径为5~25μm的微米级均匀液粒,然后通过特殊方式将其导入到抛光界面,具有高比表面积的液粒强吸附在抛光垫和基片表面,与基片材料发生强活性、高效能的均匀化学作用,并在基片表面形成剪切强度较低的反应膜,该膜由磨粒和抛光垫的机械作用去除,过程反复进行并最终形成光滑无损伤纳米级超精表面。 本文着重对超声精细雾化CMP中存在的理论问题进行了相关研究。首先,对雾化抛光中抛光雾粒的产生、流动特性及附着特性进行了定量研究。计算研究发现,本系统所用雾化方法所得雾液粒径在5.1~10.1μm范围,满足了雾化抛光的需要;通过对抛光雾液在雾化抛光系统中的流动分析,得到了各关键位置气体特性参数的理论计算式,其对实际雾化抛光具有指导作用;通过对雾液附着性能的研究发现,抛光空间的温度和压力的增加可以明显改善抛光雾液在抛光界面的黏附性能。同时,对雾化抛光中抛光液各组分及抛光压力等参数对材料去除率的影响进行了实验研究,试验发现:在抛光中,SiO2磨粒的去除作用是硅片表面材料去除的主要影响因素,其造成的材料去除率在所有因素中所占的最大比例为70.6%,对硅片做微观检测发现,抛光后的硅片表面形貌的粗糙度达到纳米级(<3.8 nm)。 其次,本文对抛光界面上存在的滑动摩擦、摩擦热进行了计算分析,认为雾化抛光中磨粒与工件之间的摩擦包括两者的粘着摩擦和工件的变形摩擦,并分别求出了相关表达式;通过先计算单磨粒与工件之间滑动摩擦产生的摩擦热,而后扩展到多个磨粒的方法,得到了雾化抛光中总的摩擦热,并得到了抛光中温升的表达式。作为相关试验,本文运用ANSYS软件分析了接触区域的物理参数的分布状况,发现接触区域的应力、应变及摩擦热的分布很不均匀,在工件边缘特别是尖角处的应力应变要明显大于其中心区域,这是使工件表面材料去除不均匀的重要原因。 最后,本文对工件表面材料的磨损进行了定量分析计算,认为雾化抛光中的磨损是磨粒磨损、磨粒与工件的粘着磨损和抛光液的腐蚀磨损共同作用的结果,并得到了磨损的理论表达式。相关的,本文进行了硅片表面的纳米压痕试验,以验证雾化抛光时工件表面是否确实存在化学腐蚀磨损。试验发现,用自制抛光液侵蚀过的硅片做压痕试验时,其表面明显产生了纳米级划痕,说明被腐蚀的表面硬度远小于原始材料表面;同时通过对划痕深度的检测,可以对氧化膜的厚度产生一定了解。 本课题的研究结果将为超声精细雾化抛光方法的实际应用提供理论支持。……   
[关键词]:CMP;超声波;精细雾化;材料去除
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:江南大学2012年