化学机械抛光技术概述事常敏，袁巨龙，楼飞燕，王志伟 浙江工业大学机电学院，浙江杭州，3 1 0 0 1 4摘要：化学机械抛光( C h e m i c a lM e c h a n i c a l P o l i s h i n g ，C M P ) 技术有着悠久的历史，由于这项技术可用于硅集成电路( S iI C ) 以及各种高性能和特殊用途的集成电路制造中，现已引起了人们广泛的研究兴趣。本文通过查阅大量的相关文献资料，对国内外化学机械抛光技术的研究发展进行了系统的综述。关键字：化学机械抛光( C M P ) ，超精密加工，集成电路1 引言为了克服传统的化学抛光和机械抛光的缺点，吸收它们的优点，人们提出了将化学作用和机械作用结合起来，称之为化学机械抛光( C h e m i c a lM e c h a n i c a lP o l i s h i n g ，简称C M P ) 。C M P 技术是一种新的 超精密抛光方法，它在机械抛光过程中加进了化学反应，大大提高了抛光精度和抛光速度，从而极大地提高了抛光的质量和生产效率，降低了生产成本，现已成为世界各国研究的首要目标。 C M P 是目前应用最广泛，是获得平面型无表丽损伤层的有效超精密加T 方法。C M P 是一个化学和机械作用同时作用于晶体材料，抛光垫和抛光液的复杂过程，这些交互作用对材料去除率和表面质量的影响还没被完全认识，化学机械抛光过程有待于进一步的认识和发展。2 化学机械抛光原理C M P 是通过化学和机械力获得平滑表面的加工过程，C M P 也指对表面起平滑化作用的化学机械抛 光。其抛光是利用固相反应抛光原理的加工方法。软质磨粒与适当的抛光液一起，在T 件与磨粒接触点上，由于摩擦使一部分机械能转化为热能而产生高温高压，在极短的接触时间里产生固相反应，并 由摩擦力除去反应物，实现纳米级微小单位的去除抛光，其接触模型如图1 所示。以0 0 0 1 1 X m 即纳米级的去除单位来加T ，因此就进入了真正的原子、分子级的极限加T 技术。在这样的条件下，自然便形成要克服原子和分子之间的结合力，这时加T 界面的化学作用具有重大的影响。小反应区图1化学机械抛光接触模型图2 化学机械抛光原理图抛光盘C M P 的机构运动原理如图2 。抛光运动中，主研磨垫平台被下方旋转轴带动，研磨液( S l u r r y ) 卿l导管控制以一定的速度喷出，均匀散布于主研磨垫上，成为中间介质层。而晶片( W a f e r ) 被同定于承载器及主研磨垫间，被施予向下的止压力，并被承载器转轴带动旋转，进行抛光加j T = 。t 嘲家自然科学基金( 5 0 3 7 5 1 4 7 ) ，浙江省青年科技人才培养专项资金( R C 0 2 0 6 6 ) ，浙江省自然剥学基金( 5 0 1 0 9 7 ) 和 浙江省科技厅重点项目( 2 0 0 3 C 3 1 0 5 7 ，2 0 0 3 C 2 1 0 3 6 ) 资助。C M P 具有加工效率高、表面粗糙度低、加工变质层小等技术特点，是目前先进陶瓷加工领域应用 最广泛，抛光质量和效率较高，技术比较成熟的一种抛光方法，理论上可以用于任何一种功能陶瓷的超精密加工，己广泛地应用于各种功能陶瓷、工程陶瓷、金属材料的表面精加工。由于研究人员对影响材料去除因素着重点的差异。有以下几种描述化学机械抛光的术语：1 C h e m o m e c h a n i c a l 或M e c h a n o c h e m i c a lp o l i s h i n g ( V o r ae ta l ，1 9 8 2 ) ，前者认为化学反应是主要驱动力，并由后序的机械作用去除反应生成物，而后者强调伴随有化学反应的机械作用；2 T r i b o c h e m i c a l p o l i s h i n g ( H e i n i c k e 。1 9 8 4 ；F i s c h c L1 9 8 8 ) 强调了反应层之间的摩擦作用：3 C h e m i c a l m e c h a n i c a l p o l i s h i n g ( N a n z 和C a m i l l e t t i 1 9 9 5 ) 强调了特定的抛光液、磨料与工件之间的化学反应。4 P r o g r e s s i v em e c h a n i c a la n dc h e m i c a l p o l i s h i n g ( P - M A C ) 渐进式机械化学抛光，加工初期以机械 接触式的剪力来进行加工。加工中段以机械接触的剪力和化学作用两者并行来进行抛光。最后阶段进行化学式的抛光加工。虽然C M P 己成为世界多数集成电路制造厂的标准制造过程，然而，对化学机理和机械机理的相对 作用仍缺乏了解，这主要是对试片下方( 即试件被加工表面与抛光垫和抛光液之间) 所发生的作用了解甚少，而且欠缺完整严密的理论基础。目前，有四种模型描述C M P 加工过程的研磨机理。第一种模型是基于C M P 过程结果的唯象研究( P r e s t o n ，1 9 2 7 ：B u r k e ，W a m o e k ，) 。这种模型尽管在物理上是合理的，但并未完全揭示磨损机理。第二种模型基于流体动力学理论( R u n n e l s ，1 9 9 4 ；S u n d a r a r a j a n ，1 9 9 9 ) ， 这种模型认为抛光液的腐蚀是主要磨损机理，而忽略了潜入抛光垫表面磨粒的机械磨损。第三种模型基于接触理论的研究( Y u 等，1 9 9 3 ；L a r s e n - B a s s e 和L i a n g ，1 9 9 9 ) ，认为C M P 的主要磨损机理是由抛光液中的磨粒产生的。最后一种模型则建立在接触力学和流体力学的基础上( S r i n i v a s a - M u r t h y , 1 9 9 7 ；r i c h y , 1 9 9 9 ；C h o 和P a r k ，2 0 0 1 ) 。但这些模型在揭示C M P 加工过程的本质上还有一定的局限性。3 化学机械抛光过程化学机械抛光时，旋转的试件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，而由亚微米或纳米级磨粒和化学溶液组成的抛光液在试件与抛光垫之间流动。磨粒的机械作用使试件表面材料变得疏松，加快了化 学反应速度，并使反应生成物从试件表面脱离，或溶于抛光液或被抛光液带走。由于试件表面凸起的部位去除速度较快冈而可使试件表面平整化。这一过程的三个主要组成部分：抛光面、抛光垫和抛光液。3 1 抛光面抛光面即需要抛光的表面，抛光材料的不同，直接影响抛光垫和抛光液的选择。对抛光面晟终接受标准产生影响的参数有很多，例如温度、压力等等。抛光表面的化学、结构、机械性能知识都会影响包括化学和机械力在内的抛光参数。3 2 抛光垫实现高精度平而抛光，关键取决于抛光垫平而精度及其精度保持性。所以，采用高平面精度的抛 光垫是获得T 件高平面精度的加T 基础。因此，抛光小面积的高精度平面工件时要使用弹性变形小，并始终能保持平而度的抛光垫。另外采用特种玻璃或者在平面金属垫上涂一层弹性材料或软金属材料作为抛光垫，都可以得到好的表面加工质量。现在已经有多种材料的抛光垫，如铸铁盘、锡盘、铅盘、石蜡盘、沥青盘和布盘等等。为了获得 无损伤的平滑表而，在T 件材料较软时，例如D n m 光学玻璃时，有时使用半软质抛光垫( 如锡盘、铅 盘) 和软质抛光垫( 如沥青盘、石蜡盘) 。使用软质抛光垫的优点是抛光表面加1 ：变质层和表面粗糙度都很小，缺点是不易保持平面度，冈此影响工件的平面度。3 3 抛光液抛光液通过化学溶解提供化学作用，通过磨粒提供机械作用。高的抛光速度、平面加工性、可选 择性、均匀性、C M P 后清洗的难易程度包括外界环境好坏和安全问题、自身寿命力和扩散能力，这些因素都能优化抛光液的性能。大多数实验都是根据加工材料的不同选择相应的抛光液，并配制不同的浓度，以此达到不同的精度要求。抛光液主要起到冷却润滑、在抛光垫表面均布磨粒的排屑作用。玻璃、水晶、半导体等硬脆材料常用纯水来配制抛光液。添加剂在抛光过程中能起防止磨粒沉淀和凝聚以及对工件的化学作用，以提高研磨效率和质量。3 4C M P 后清洗完成C M P 工艺过程的重要工序就是清洗。从表面清除抛光液而不留下任何可见、不可见或电流作 用缺陷对于工艺过程的有效性是非常重要的。C M P 的抛光液和后化学清理不能引入任何化学物质或其它污染。因此，必须针对特定材料的表面设计特定的清理工序。在下一层薄膜沉积之前。进行的最后现场干式清洗( 或湿式清洗) ，对优化表面与新的沉积物之间的界面是很有必要的。 C M P 的整个过程受到很多参数的影响，必须注意的一点是，许多参数会在根本上影响C M P 的化学和机械作用，但是把某一参数简单地归类于化学参数或机械参数都是不恰当的。因为化学和机械参 数是密不可分的，因此我们不能把参数仅仅作为机械因素或化学因素。实验观察结果表明：存在于工件和抛光垫间的抛光液的流动，能降低晶体表面的结合能；被加工晶体材料表面缺陷能减少表面原子 的结合能。在抛光液中磨粒的冲击，滑擦和挤压等作用下，能实现原子级的材料微去除。同时，机械作用造成工件凸起接触局部高温高压，产生相位移动及材料的化学溶解或与磨粒的固相化学反应，并随抛光液的流动而被去除。化学机械抛光过程中的抛光垫的表面状况，抛光时间，抛光液的酸碱性，磨料种类和粒度以及抛光载荷对材料去除率和抛光表面质量有着复杂的影响。1 电脑控制盘2 研磨剂流量控制马达与分布系统图4 智能型纳米级平面抛光机( N a n o p o l i 一1 0 0 )3 研磨平台与溶液排放措施4 卸载区5 装载区6 清洁区7 整容器8 主悬臂推动器9 主悬臂图3W e s t e e hS y s t e m sM o d e l3 7 2 M 研磨台正视图4 化学机械抛光设备近年来，由于半导体制造技术不断向微细化，高速、高密度方向发展，适用于平坦化丁艺的CMP 技术得以飞速发展，C M P 设备市场从1 9 9 4 年初具规模到目前迅速地增大。目前有美国1 P E C P l a n a r公司生产的化学机械抛光机，有1 P E C 3 7 2 - U 、4 7 2 、6 7 2 。英国L o g i t e e h 有限公司生产的有C P 3 0 0 0 化学 机械抛光机和C P 4 0 0 0 化学机械抛光机。日T o s h i b aM a c h i n e 会社C M S 2 0 0 型单片式化学机械抛光装置。W e s t e c hS y s t e m sM o d e l3 7 2 M 系列化学机械抛光机( 如图3 所示) 为实验T 具机，用于进行硅单晶化学机械抛光加工，其可行无崩缘的高平面度加工。因为以软质粒子剥离反应生成物，反应领域仅几十个 A 以下的微小单位脱落而进行表面加工，故加工面的机械损伤小，几无加工缺陷发生，可满足此实验之表面精度规格要求。而我国对此研究起步较晚。精密加工设各基本上从国外引进，严重地制约了相 关产业的发展。目前国内有南京仪表机械厂，昆明机床厂，以及云南光学仪器厂等企业在生产相关的 研磨抛光设备，基本上都是采用生产光学器件的传统C N C 研磨抛光技术及生产工艺，对此，杭州智邦纳米技术有限公司开发一种具有先进技术水平的智能型纳米级平面抛光机O N a n o p o l i 1 0 0 ) , 其外形如图 4 所示。使用它可高效地使工件获得极高的加工质量，并保证良好的稳定性和一致性。5 化学机械抛光技术的发展及应用最早的C M P 技术是由I B M ，公司于8 0 年代中期利用S t r a s b a u g h 公司的抛光机在E a s t F i s h k l l 工厂 进行工艺而开发的。