化学机械抛光压力控制技术研究

－　电子工业毫用设备　・半导体制造与设备・　

化学机械抛光压力控制技术研究　刘涛，高慧莹，张领强，陈学森　（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京１０１６０１）　摘　要：概述了化学机械抛光技术的发展现状，讨论分析了主要工艺参数对抛光机理的影响。重　点论述了化学机械抛光工艺中不同压力控制方法及其技术特点，提出了一种新的压力控制方案，　并通过实验验证了该控制技术的先进性。　关键词：化学机械抛光；抛光机理；压力控制　中图分类号：ＴＮ３０５．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４－４５０７（２０１０）０９－０００９－０５　

Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｕｄｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　

ＬＩＵ　Ｔａｏ，ＧＡＯ　Ｈｕｉｙｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉｎｇｑｉａｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｘｕｅｓｅｎ　（Ｔｈｅ　４５ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０　１　６０　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ（ＣＭＰ），ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＣＭＰ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｅｌｌｓ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｔｅｓｔｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｍｅｅｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＣＭＰ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ（ＣＭＰ）；Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ，化学机械抛光，　简称ＣＭＰ，是一种应用抛光液的化学腐蚀作用和　磨料的机械去除作用相结合的抛光方法，即采用化　学和机械方法使材料的加工表面达到纳米级的超　光滑表面和平整度要求。　ＣＭＰ技术的推广应用起源于２０世纪４０年　代，美国最早将ＣＭＰ工艺技术引入其半导体芯片　工艺生产线，随后，日本于１９９５年也开始将ＣＭＰ　工艺引入其１５０～２００　ｍｍ晶圆、０．５　ｉｘｍ工艺线的氧　收稿日期：２０１０．０８—１１　基金项目：国家８６３项目（２００９５６ＫＹ０２１　化膜平坦化工艺中。现在ＣＭＰ技术的研究应用己　扩展到全球范围，加工领域也从集成电路材料的研　究、制造拓展到多种硬脆性材料的超精密加工，对　于以ＳｉＣ、ａ－Ａ１：Ｏ　为代表的硬度高、化学性质稳定　的晶体材料，目前ＣＭＰ工艺是获得材料表面纳米　级超精密加工唯一的技术途径。　我国在ＣＭＰ工艺技术的研究应用方面起步较　晚，与国外的差距较大，进入２１世纪后，在国家相　关政策的支持下，ＣＭＰ关键技术研究工作取得了　电子工业专用设备　・半导体制造与设备・　

一些成绩，特别是在“十一五”期间，我国在硬脆性　材料表面纳米级抛光工艺技术研究方面取得了突　破性进展，并在蓝宝石衬底产业、宽禁带半导体制　备产业逐步得到了推广‘和应用。　

１　化学机械抛光的基本原理　化学机械抛光是化学腐蚀与机械磨削相结合　的抛光方法，抛光过程中，化学腐蚀和机械磨削相　互作用。一方面，磨料与材料表面相互摩擦产生热　量，提供固相化学反应产生的条件，抛光液中的化　学成分与材料表面发生化学反应，将硬度高、化学　性质稳定的物质转化为结构松软易去除的过渡软　质层，另一方，由于材料与抛光垫表面的相对运动，　抛光液中的磨料在抛光压力作用下，对材料表面的　化学反应层产生磨削作用，将反应层去除，达到超　光滑表面和平整化的要求。　

图１　抛光原理示意图　２　影响化学机械抛光的主要因素　在实验的基础上人们对于化学机械抛光机理　研究有多种理论，最有代表性的理论有３种，既机　械磨削、塑性流动和化学作用。不同的理论对化学　机械抛光的机理有不同的解释，每一种理论都只能　从某个领域单方面对抛光过程中的一些现象进行　解释，很难对抛光过程进行定量的分析。表１列举　了影响抛光效果的各种参数，这些参数无论在化学　作用和机械作用中都是主要的影响因素。　

表１影响抛光效果的主要工艺参数列表　●　Ａ：抛光液Ｂ：抛光垫　Ｃ：过程参数　Ｄ：晶片　ＰＨ值　纤维结构，高度抛光液流量　晶片曲率　缓冲剂　孔径尺寸　温度　晶片粘接　氧化剂　可压缩性　压力　表面应力　分散剂　弹性和剪切模量转速　硬度　浓度　硬度　抛光垫转速　微观结构　介电常数压花或穿孔　摩擦力／润滑剂晶片清洗次序　抛光粉尺寸修整　几何模型　等势点　老化影响　特征尺寸　悬浮型　化学耐用／　模型密度　稳定剂　反应能力　

１９２７年，Ｐｒｅｓｔｏｎ在机械磨削理论的基础上，提　出了一个经验公式，既著名的Ｐｒｅｓｔｏｎ方程　Ｒ＝ＫＰＶ，该数学模型经验地将抛光过程中材料的去　除率和摩擦力的作用联系起来，认为材料去除率与　抛光压力和转速成正比。式中　是方程系数，Ｐ是　抛光压力，　是抛光盘与材料问的相对旋转速度，　是材料去除率。　

３　化学机械抛光压力精密控制技术研究　从Ｐｒｅｓｔｏｎ经验公式可以看出，抛光压力是影响　抛光效果最为关键的参数之一。大量的研究结果表　明，增大抛光压力，使机械磨削作用加强，去除率提　高，但是压力过大影响材料表面抛光液的均匀分布，　导致去除率不均匀，抛光垫磨损过快，抛光区域温度　升高，出现划痕的机率增加等，从而降低了抛光质　量，不易获得较好的表面光洁度，且易产生掉片、碎　片现象。所以，压力小、速率高、可获得较好的抛光表　面，但是去除率会减小，生产效率降低。因此实现压　力精密控制是实现纳米级抛光工艺的重要条件。　

３．１压力控制的基本要求　化学机械抛光的工艺要求，在抛光过程中的不　同阶段，对压力值大小的要求也不相同。在初始阶　段，材料表面粗糙度较低，研磨加工阶段余留的应　力加大，过高的抛光压力易造成碎片、裂片现象，也　会导致抛光垫表面划伤或抛光垫磨损加快，平整度　降低，影响抛光垫的使用寿命，在这一阶段，主要是　－　电子工业董用设备　用较低的压力对材料进行预抛光，对局部的尖点材　料进行去除，同时消除晶片的内部应力。完成预抛　光过程后，中间阶段则需要用较高的压力来满足去　除率的要求，以提高抛光效率。抛光结束前则需要　降低压力，防止抛光表面划伤。　图２　抛光压力控制曲线　运用ＣＭＰ工艺对材料进行超光滑表面加工，要　达到纳米级的抛光效果，不但要求不同的阶段压力值　不同，而且要求每个阶段压力值要尽可能保持恒定不　变，波动性小，这样既能防止碎片又能避免表面划伤，　得到均匀一致的去除率，获得较好的抛光效果。　对于以砷化镓为代表的硬脆性材料，或厚度尺　寸特别小的晶圆，采用ＣＭＰ工艺进行超光滑表面　的精密加工时，实施压力控制是防止碎片的主要技　术保障，有时还需要在零压力状态下进行抛光，压　力控制的精度和灵敏性则显得更为重要。　在化学机械抛光过程中，尤其是对于硬脆性材　料纳米级抛光，不但需要进行压力控制，而且对压　力加载过程也有着特殊要求，要求压力加载过程能　够实现柔性传递，避免冲击，理想的压力控制系统　应当具有的特点：大小可调，波动性小；精密控制，　灵敏性高；柔性加载，冲击性小。　３．２压力控制的主要方法及特点　目前在化学机械抛光工艺中采用的压力控制方　法主要由３种方式，既配重加压方式、气缸加压方式和　气囊结构的加压方式，每种方法具有不同的技术特点。　（１）压力控制系统采用配重的方式，这种方法的　结构是在粘接晶圆的陶瓷盘背面放置配重块，依靠配　重块自身的质量提供抛光过程中所需要的压力。主要　特点是在抛光过程中压力值始终保持恒定，波动性小，　无法根据工艺要求对压力进行动态调整，抛光工艺方　案难以优化，抛光效率低。采用配重加压的抛光设备主　・半导体制造与设备・　要用于实验室进行工艺研究或工艺实验。　ｆ２）压力控制系统采用气缸加压的方式，这种　方法的结构是利用气缸的输出力来满足抛光过程　中所需要的压力，主要特点是通过调整气压改变抛　光压力的大小，由于气压系统的压力稳定性差，抛　光压力波动性大，压力加载会产生冲击现象，在结　构设计上，常采用双气缸组合的方式，使上盘（抛光　头１的升降机构和压力加载机构分离，以提高压力　控制的精度和灵敏性。采用这种压力控制方式的典　型机型以日本ＳＰＥＥＤＦＡＭ公司的系列研磨抛光设　备为主，如图３所示。　

图３　典型研磨抛光设备　（３）压力控制系统采用气囊结构的方式，这种　方法的结构特点是压力加载过程采用气囊进行抛　光压力的传递，其最大的优点是能够实现压力的柔　性传递，有利于压力的均匀分布，同时气囊结构良　好的缓冲性能可以减小抛光过程中波动，图４为东　京精密（日本）ＣｈａＭＰ：３００　ｍｍ机型采用气囊结构　的气浮式磨头“Ｓｙｌｐｈｉｄｅ”。　

图４　压力控制系统采用的气囊结构　载囊　持囊　电子工业专用设备　・半导体制造与设备・　

４　抛光压力精密控制方案的设计　作灵敏性高，有利于实现抛光压力的精密控制。ＢＦ　薄膜汽缸与普通汽缸的灵敏性比较如图７所示。　在充分考虑化学机械抛光压力控制的技术要　Ｒｎ　求的前提下，通过对现有压力控制方法的特点分　ｇ７　０　析，我们提出了一种新的压力控制方案，采用ＢＦ　薄膜汽缸、数字电．空转换器、超精密气动继电器、　３０　超精密减压阀，位置传感器、ＰＬＣ等组成一个闭环　的压力控制系统，控制原理如图５所示。　

５　抛光压力拄制原理示意图　４．１控制方案的技术先进性分析　由于应用了一些新的元器件和先进的控制思　想，本方案具有以下几个特点。　（１）在结构设计中，将升降运动与加压过程设　计成两个独立的运动系统，通过减小加压系统自身　的质量，提高了压力控制系统的灵敏性。　（２）压力汽缸选用精密薄膜气缸，汽缸内部的　薄膜结构在功能上与气囊相似，可以实现柔性压力　加载，避免抛光过程中压力波动和冲击，在低压力　条件下的工艺控制性、稳定性特别突出。图６为薄　膜气缸与普通气缸的低压特性比较，左图为薄膜气　缸在低压条件下的性能曲线。　

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气压／ｋＰａ　薄膜气缸的运动性性曲线　

图６　薄膜气缸与普通气缸低压特性比较　（３）精密薄膜气缸的主要优点是杠杆的运动采　用线性轴承导向，摩擦阻力小，与普通气缸比较，动　

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