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1、I大學(xué)本科生畢業(yè)論文大學(xué)本科生畢業(yè)論文題題 目：化學(xué)機(jī)械拋光原理及其漿料研究目：化學(xué)機(jī)械拋光原理及其漿料研究專專 業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)班班 級(jí)：級(jí)：08 級(jí)應(yīng)用物理級(jí)應(yīng)用物理化學(xué)機(jī)械拋光原理及其漿料研究化學(xué)機(jī)械拋光原理及其漿料研究摘摘 要要隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，多層布線技術(shù)得到了大力開發(fā)，導(dǎo)致人們對(duì)電子元件表面的平整度和光潔性的要求越來(lái)越高。為了滿足這一要求，使得人們對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）的研究力度不斷加大。本文主要對(duì)對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、拋光磨料及漿料的制備以及材料去除機(jī)理作了研究與分析。在化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)中，漿料的選擇決定著是否能夠得到高平整性與高光潔度的拋

2、光元件表面。繼而磨料作為漿料的主要組成部分，得到了人們的大力關(guān)注。磨料主要分為三類：?jiǎn)文チ?、混合磨料、?fù)合磨料。本文主要研究了SiO2、Al2O3、CeO2三種單磨料的特點(diǎn)和制備方法，介紹了混合磨料、復(fù)合磨料的特點(diǎn)。對(duì) CMP 技術(shù)的研究，最主要的是研究被拋光元件表面的材料去除機(jī)理。由于接觸形式不同，所依據(jù)的物理理論也不盡相同。本文主要分析了基于摩擦力學(xué)原理和流體力學(xué)原理的兩種不同的材料去除機(jī)理模型。由分析結(jié)果可知，通過設(shè)定化學(xué)機(jī)械拋光過程中的各種參數(shù)值，可以使人們通過調(diào)節(jié)施加在被拋光元件表面的壓力以及被拋光元件和拋光墊之間所產(chǎn)生的摩擦力來(lái)提高化學(xué)機(jī)械拋光的拋光能力，以得到擁有更高平整度和光潔

3、度的元件表面。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：化學(xué)機(jī)械拋光、磨料、漿料、去除機(jī)理模型AbstractKeywords: chemical mechanical polishing, polishing solution , polishing removal mechanism model目錄目錄摘摘 要要.IABSTRACT .II第一章第一章 引言引言 .11.1 化學(xué)機(jī)械拋光及其原理.11.2 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的發(fā)展.2第二章第二章 國(guó)內(nèi)外對(duì)拋光漿料的研究現(xiàn)狀及漿料的制備國(guó)內(nèi)外對(duì)拋光漿料的研究現(xiàn)狀及漿料的制備 .32.1 拋光漿料簡(jiǎn)介.32.2 國(guó)內(nèi)外對(duì)拋光漿料的研究.32.3 漿料制備方法.5第三章第

4、三章 SIO2、AL2O3、CEO2磨料的簡(jiǎn)介與其制備方法磨料的簡(jiǎn)介與其制備方法.63.1 單磨料的特點(diǎn).63.1.1 對(duì) SiO2磨料的研究.63.1.2 對(duì) Al2O3磨料的研究.83.1.3 對(duì) CeO2磨料的研究.103.2 混合磨料的特點(diǎn).123.3 復(fù)合磨料的特點(diǎn).12第四章第四章 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的拋光機(jī)理和模型構(gòu)建化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的拋光機(jī)理和模型構(gòu)建 .134.1 化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)械去除機(jī)理模型概述.134.2 CMP 拋光機(jī)理模型舉例.134.3 CMP 去除機(jī)理模型分析.144.3.1 基于摩擦力學(xué)原理的典型模型的分析.144.3.2 基于流體力學(xué)原理的典型模型的分析.19結(jié)

5、結(jié) 論論 .23參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .24致致 謝謝 .261第一章第一章 引言引言在 20 世紀(jì) 60 年代以前，對(duì)于各種材料工件拋光還大都沿用單獨(dú)的機(jī)械拋光或者化學(xué)拋光。機(jī)械拋光主要是采用氧化鎂、氧化鋯等拋光顆粒以機(jī)械研磨的方式對(duì)工件進(jìn)行拋光，盡管機(jī)械拋光的速率很高，但是這種方法對(duì)拋光元件的表面損傷常常是非常嚴(yán)重的。同時(shí)對(duì)于化學(xué)拋光來(lái)說，這種方法是以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，因此其對(duì)拋光元件的表面損傷是很小的，并且在拋光后可使元件表面的拋光精度比較高，獲得較好的拋光效果。但是由于化學(xué)反應(yīng)所需的時(shí)間一般都較長(zhǎng)，這就導(dǎo)致了拋光速率變得很低。隨著科技的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在 60 年代獲得了快速發(fā)展，原有的

6、拋光方法已不能滿足需求，這就迫使人們不得不對(duì)拋光方法進(jìn)行改進(jìn)。因此人們便開始嘗試各種各樣的拋光方法，這時(shí)便有人將機(jī)械拋光與化學(xué)拋光結(jié)合起來(lái)，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）便出現(xiàn)了。并且在 1965 年，由Monsanto 第一次提出了化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）這一概念1。1.11.1 化學(xué)機(jī)械拋光及其原理化學(xué)機(jī)械拋光及其原理CMP 技術(shù)將機(jī)械拋光和化學(xué)拋光的各自優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，使之進(jìn)行拋光時(shí)，即可以獲得較好光潔度和平整性的平面，又可以得到比較高的拋光速率。這種技術(shù)是目前能夠?qū)崿F(xiàn)全局平坦化的唯一有效方法2?；瘜W(xué)機(jī)械拋光技術(shù)首先利用拋光液中的催化劑、表面活性劑、氧化劑、流動(dòng)改進(jìn)劑、穩(wěn)定劑等成分與元件表面的原

7、子進(jìn)行一系列的氧化還原反應(yīng)，從而達(dá)到軟化元件表面的目的。然后使用物理機(jī)械的方法去除該軟化層，使之裸露出新的電子元件表面。通過這兩步的循環(huán)交替進(jìn)行，進(jìn)而最終達(dá)到對(duì)元件表面進(jìn)行拋光的目的。以化學(xué)機(jī)械拋光原理為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)易拋光機(jī)如圖 1.1 所示。圖 1.1 CMP 拋光原理圖（1.圓晶片；2.圓晶片固定裝置；3.拋光漿料；4.研漿供料；5.拋光墊；6.旋轉(zhuǎn)盤）2化學(xué)機(jī)械拋光裝置的基本組成部分是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)著的圓盤和一個(gè)被拋光電子元件固定裝置。這兩個(gè)裝置都可施力于電子元件晶片并使其旋轉(zhuǎn)，在拋光液的潤(rùn)滑下完成拋光。用一個(gè)自動(dòng)研磨漿料添加系統(tǒng)就可以保正拋光墊濕潤(rùn)程度保持均勻， 同時(shí)適當(dāng)?shù)厮腿胄卵心{料以保持漿

8、料的成分不變。1.21.2 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的發(fā)展化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的發(fā)展隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，與其相對(duì)應(yīng)的拋光方法也在不斷發(fā)展。并從 80年代中期以后，為了滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)硅元件表面拋光精度的要求，人們開始大力研究化學(xué)機(jī)械拋光這一方法，這也促使 CMP 技術(shù)開始快速的發(fā)展。由于半導(dǎo)體領(lǐng)域中的集成電路快速的發(fā)展，且電子產(chǎn)品的尺寸越來(lái)越小，這就要求電子元件的尺寸要盡可能的小，并且在小尺寸元件上要進(jìn)行高密度的集成。一般來(lái)說，在各種規(guī)模集成電路上，至少有一萬(wàn)個(gè)以上的元件。這就要求小尺寸電子元件上的布線密度要非常的高，而電子元件的表面面積是一定的，為了提高電子元件的利用效率，人們便提出了多層布線技術(shù)

9、。但多層布線技術(shù)對(duì)電子元件的表面的平整性和光潔度提出了更高的要求。但是以往的各種拋光方法（比如機(jī)械拋光、化學(xué)拋光）都不能產(chǎn)生高光潔度和平整性的電子元件表面，而采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)不但能實(shí)現(xiàn)電子元件表面的全程平坦化，而且其優(yōu)點(diǎn)也很多，如加工簡(jiǎn)單、成本低。考慮到化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的一系列的優(yōu)點(diǎn)，使得這一技術(shù)在 80 年代得到了各個(gè)大公司（如摩托羅拉、奔騰、IBM）投入大量資金進(jìn)行了研究和商業(yè)化開發(fā)。目前電子元件層間化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)在美國(guó)的生產(chǎn)廠家已經(jīng)將此技術(shù)實(shí)用化3。Intel 公司的奔騰、IBM 公司、蘋果公司及摩托羅拉公司都采用這種技術(shù)來(lái)進(jìn)行半導(dǎo)體元件的加工。并隨著機(jī)械拋光技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，

10、其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣，如磁頭、光學(xué)玻璃、金屬材料等表面的拋光領(lǐng)域。但總的來(lái)說，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：以鎢和氧化物作為研磨材料的階段，且未出現(xiàn)銅布線工藝；19972000 年，出現(xiàn)銅鑲嵌工藝；開始研究納米層次，且銅互連層成為研磨對(duì)象。3第二章第二章 國(guó)內(nèi)外對(duì)拋光漿料的研究現(xiàn)狀及漿料的制備國(guó)內(nèi)外對(duì)拋光漿料的研究現(xiàn)狀及漿料的制備2.12.1 拋光漿料簡(jiǎn)介拋光漿料簡(jiǎn)介 拋光漿料（拋光液）作為化學(xué)機(jī)械拋光組成的一部分，擁有著不可替代的作用。因此拋光漿料選擇的好壞在很大成分上決定了是否能夠得到高平整性與高光潔度的拋光元件。一般來(lái)說，化學(xué)機(jī)械拋光漿料由拋光磨料、去離子水、催化劑、表面

11、活性劑、氧化劑、pH 值調(diào)節(jié)劑、流動(dòng)改進(jìn)劑、穩(wěn)定劑、緩蝕劑其中的一種或者多種組成。但拋光磨料作為主要成分是不可或缺的，在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，主要是在壓力的作用下使磨料與硅晶片產(chǎn)生磨擦作用，從而以微劃擦、微切削的方式作用于元件表面，最終達(dá)到去除元件表面材料的目的。對(duì)硅晶片表面進(jìn)行拋光時(shí)，為了使機(jī)械去除時(shí)的操作和效果更好，這就要促使在硅晶片表面形成一層氧化膜，而氧化膜的產(chǎn)生就需要氧化劑的加入。而 pH 值調(diào)節(jié)劑的加入則是為了調(diào)配出堿性或者酸性的拋光漿料，酸性拋光液主要是對(duì)金屬元件進(jìn)行拋光，堿性拋光液主要是對(duì)非金屬元件（如硅晶片）進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。從以上分析可知，影響拋光效果的主要因素包括：拋光漿料

12、中的拋光漿料、拋光液的 pH 值等；同時(shí)拋光漿液在使用過程中的溫度與供給速度也會(huì)影響拋光效果。現(xiàn)代的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)主要對(duì)拋光漿料有以下要求：無(wú)層錯(cuò)、流動(dòng)性好、硅片表面品質(zhì)好、低殘留、懸浮性能好、易清洗、無(wú)毒、拋光速度快、不易沉淀和結(jié)塊等4。由于國(guó)內(nèi)拋光液制備技術(shù)的不成熟，導(dǎo)致大尺寸硅晶片的拋光液很多要使用進(jìn)口產(chǎn)品，但主要以 Rodel、3M、Fujimi 等幾家大公司為主。而對(duì)于拋光液的配方，卻都以商業(yè)機(jī)密的形勢(shì)進(jìn)行了保密。因而在此只能簡(jiǎn)要地介紹國(guó)內(nèi)與國(guó)外對(duì)于拋光漿料的一些研究。2.22.2 國(guó)內(nèi)外對(duì)拋光漿料的研究國(guó)內(nèi)外對(duì)拋光漿料的研究李薇薇等人5以化學(xué)機(jī)械拋光動(dòng)力學(xué)過程以及阻擋層化學(xué)機(jī)械拋

13、光機(jī)理為基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)研究了拋光漿料中拋光顆粒的粒徑大小，得出了以小粒徑的磨料進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光會(huì)獲得比使用國(guó)際普遍采用的磨料粒徑大?。?0-70nm）更好的拋光效果。并同時(shí)研究了拋光液的流速對(duì)拋光效果的影響。其實(shí)驗(yàn)所用的磨料SiO2膠體的 TEM 照片如圖 2.1 所示4圖 2.1 SiO2膠體的 TEM 照片由于計(jì)算機(jī)的磁盤與磁頭之間的間隙越來(lái)越小，為了不使磁頭或者磁盤因接觸而引起損壞，這就要求硬盤的表面要非常光滑，且沒有凹坑、點(diǎn)蝕和劃痕等缺陷。雷紅等6為了達(dá)到這一目的，制備了一種以 SiO2為磨料的拋光液用于進(jìn)行硬盤表面的化學(xué)機(jī)械拋光，并且得到了已知報(bào)道以來(lái)硬盤表面最低的平均粗糙度和波紋度

14、。用普通拋光液進(jìn)行拋光得到的硬盤表面和雷紅所制備的拋光液拋光所得到的硬盤表面的對(duì)比照片如圖 2.2 所示6。 圖 2.2 不同拋光液硬盤表面形貌對(duì)比照片（左：普通 SiO2 拋光液拋光后的硬盤表面；右：雷紅所制備 SiO2拋光液拋光后表面）S.L.Wang 等7研究了以 SiO2為磨料的堿性漿料對(duì) Cu 布線拋光的一些工藝參數(shù)。D.S.Lim 等8為了減少 CMP 碟形坑這一缺陷和提高全局平坦化的效率，研究了以納米稀土材料 CeO2顆粒的粒徑大小對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光的影響。Y.H.Kim 等9研究了納米稀土材料 CeO2的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光性能的影響。5雖然國(guó)外對(duì) CMP 拋光液的研究比較早，且

15、很多成果都已經(jīng)比較成熟。然而由于拋光液配方的商業(yè)性，至今為止只有少數(shù)的專利或者文獻(xiàn)公布了其成果，且只限于公布成果并無(wú)詳細(xì)拋光液配方。2.32.3 漿料制備方法漿料制備方法分散法漿料制備的主要方法，以 SiO2漿料的制備為例，首先，將納米 SiO2粉末通過機(jī)械攪拌的方法使其直接分散到去離子水中，即將 SiO2顆粒放于液體中進(jìn)行潤(rùn)濕；其次，使液體中的團(tuán)聚體在攪拌力作用下被打開成更小層次的團(tuán)聚體或者單獨(dú)的原生粒子；最后，將更小層次的團(tuán)聚體或者單獨(dú)的原生粒子用穩(wěn)定劑穩(wěn)定住，以防止團(tuán)聚的再次發(fā)生。采用分散法制備出的 SiO2拋光液濃度高、磨料顆粒均勻、粘度較小，而且拋光液的分散性好且純度高。但拋光漿料的

16、性質(zhì)還會(huì)受不同磨料粉體本身性質(zhì)的影響。拋光漿料的制備方法最主要的部分在于拋光磨料的制備，而磨料的制備方法將于下一章來(lái)進(jìn)行介紹。6第三章第三章 SiO2、Al2O3、CeO2磨料的簡(jiǎn)介與其制備方法磨料的簡(jiǎn)介與其制備方法3.13.1 單磨料的特點(diǎn)單磨料的特點(diǎn)單磨料漿料是指在拋光液中只含有一種無(wú)機(jī)粒子，如SiO2、CeO2、Al2O3、ZrO2和 TiO2等，其中 SiO2、CeO2和 Al2O3磨料的應(yīng)用最為廣泛，但卻都有自己本身不可忽略的缺點(diǎn)。例如 SiO2拋光磨料以其機(jī)械磨損性能較好、耐腐蝕、抗氧化、分散性好、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，受到拋光材料界的青睞。但其的缺點(diǎn)也是不可忽略的，最主要的一點(diǎn)是其硬度

17、比較高，在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)，非常容易對(duì)電子元件的表面造成劃痕等缺陷，這就降低了電子元件的平整度。但隨著人們不斷地對(duì)二氧化硅磨料的開發(fā)，其在化學(xué)機(jī)械拋光中的地位有時(shí)仍是不可替代的。Al2O3則是憑借著其硬度高這一優(yōu)點(diǎn)，被人們應(yīng)用到一些對(duì)拋光面的平整度和光潔性要求較低的領(lǐng)域，比如寶石表面的拋光加工。其缺點(diǎn)也就不言而喻了，即可用其進(jìn)行拋光的領(lǐng)域是非常有限的。而稀土氧化物 CeO2具則以其比 SiO2和 Al2O3硬度小的優(yōu)點(diǎn)，常常被人們用于高精度元件表面的拋光，適應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的潮流。以較高的拋光速率、非常好的光潔性和平整度越來(lái)越受到人們的青睞。而 CeO2主要缺點(diǎn)是其黏度較大，在進(jìn)行后續(xù)清洗時(shí)比較

18、麻煩 。3.1.1 對(duì)對(duì) SiO2磨料的研究磨料的研究一、一、SiO2的簡(jiǎn)介的簡(jiǎn)介SiO2是一種無(wú)味、無(wú)污染和無(wú)毒的一種非金屬功能性材料。且納米 SiO2是一種無(wú)定形的白色團(tuán)聚體，因此在化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)出現(xiàn)后，與其相對(duì)應(yīng)的 SiO2拋光液的開發(fā)也得到了大力的研究。SiO2因其機(jī)械磨損性能較好、耐腐蝕、抗氧化、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，致使其在拋光顆粒家族中占了非常高的比重?，F(xiàn) SiO2磨料主要應(yīng)用于集成電路、單晶硅片、互連光纖等的拋光。但由于各元件的拋光精度不同，SiO2顆粒的粒徑和尺寸也不盡相同。圖 3.110給出的是用于化學(xué)機(jī)械拋光的膠體 SiO2顆粒掃描電鏡的照片，從照片可以看出 SiO2形貌呈現(xiàn)

19、球形，且顆粒粒徑分布均勻。7圖 3.1 SiO2掃描電鏡照片二、二、SiO2的制備方法的制備方法（1）溶膠-凝膠法溶膠-凝膠方法因其獨(dú)有的各種優(yōu)點(diǎn)，使其成為了當(dāng)今制備 SiO2顆粒的一種非常重要的方法。此方法通常是以金屬鹽或者無(wú)機(jī)鹽為前驅(qū)物（如水玻璃） ，經(jīng)過水解反應(yīng)、縮聚反應(yīng)的過程逐步使 SiO2粉末進(jìn)行凝膠化，然后進(jìn)過一定的程序（如陳化和干燥） ，最終形成所需要的二氧化硅凝膠。其制備流程如圖 3.2 所示。用該方法制備的 SiO2磨料純度比較高，且其顆粒的大小比較均勻，但在拋光后不易清洗。水溶劑金屬鹽或無(wú)機(jī)鹽水解縮聚溶膠陳化SiO2凝膠SiO2粉末干燥圖 3.2 二氧化硅凝膠制備流程圖（2

20、）化學(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法主要是應(yīng)用一定條件下的化學(xué)反應(yīng)生成 SiO2沉淀，其制備流程如圖 3.3 所示。運(yùn)用沉淀法所制備的 SiO2磨料具有粒度分布均勻且粒徑較小、形狀呈球形、比表面積比較大等優(yōu)點(diǎn)，且獲得的 SiO2粉體為無(wú)定形的。8沉淀劑金屬鹽或無(wú)機(jī)鹽反應(yīng)器沉淀洗滌烘干SiO2粉體圖 3.3 制備流程圖（3）微乳液法微乳液法屬于液相化學(xué)制備方法的一種。該種方法主要先用各種成分配出乳液，然后用劑量比較大的溶劑去包裹劑量比較小的溶劑，進(jìn)而形成一個(gè)一個(gè)的微泡。這就使 SiO2的成核、團(tuán)聚等一系列的過程全都在這個(gè)小泡中進(jìn)行，最終自然而然的形成球狀顆粒。使用微乳液法制備的 SiO2粒子的尺寸小、分散性好

21、，并且操作過程比較簡(jiǎn)單。3.1.2 對(duì)對(duì) Al2O3磨料的研究磨料的研究一、一、Al2O3的簡(jiǎn)介：的簡(jiǎn)介：Al2O3與 SiO2一樣是一種無(wú)定形的粉狀物，因其穩(wěn)定性好、硬度高、來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)機(jī)械拋光的發(fā)展進(jìn)程中，開始被人們用于作為化學(xué)機(jī)械拋光的磨料。隨著人們對(duì) Al2O3磨料的認(rèn)識(shí)不斷加深，人們開始重視這一新的拋光磨料。Al2O3磨料因其硬度高于 SiO2，它還可以用于各種寶石和石英的表面拋光。現(xiàn)Al2O3磨料和 SiO2磨料已然成為拋光磨料家族的兩大支柱。與 SiO2磨料一樣，作為化學(xué)機(jī)械拋光的磨料，其尺寸大小、物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)，都會(huì)對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光的拋光效果產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)以亞微米

22、級(jí)球形Al2O3粉末或者納米級(jí)球形 Al2O3粉末作為化學(xué)機(jī)械拋光的磨料時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的，例如去除率高、平整性好、拋光率快、光潔度高、拋光面不易產(chǎn)生微細(xì)劃痕，其拋光效果并不次于 SiO2磨料。因此，人們開始熱衷于研究微米級(jí)球形Al2O3和納米級(jí)球形 Al2O3的制備方法，以便更好的探索這一新的拋光磨料的領(lǐng)域。Al2O3磨料的 SEM 形貌圖如圖 3.4 所示11。9圖 3.4 Al2O3 磨料的 SEM 形貌圖二、二、Al2O3磨料制備方法磨料制備方法(1)溶膠-凝膠法該法與制備 SiO2的方法相識(shí)，首先是將 Al 的化合物（如 Al(NO3)39H2O）經(jīng)過一定的水解反應(yīng)，然后進(jìn)行干燥

23、會(huì)得到干凝膠，然后對(duì)干凝膠進(jìn)行煅燒，使干凝膠的結(jié)構(gòu)與形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，繼而就會(huì)得到 Al2O3粉末。其形貌圖如圖 3.5 所示10。由形貌圖可看出，由該方法所制備的 Al2O3磨料的形狀呈球形，且其粒徑比較小。圖 3.5 Al2O3粉末形貌圖(2)化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法是將 Al 的化合物放置在高溫下，通過高溫加熱使化合物分解并釋放出單質(zhì) Al 的蒸汽，單質(zhì)鋁會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，從而生成Al2O3。使用這種方法所制備的 Al2O3顆粒粒徑一般非常小，最大也只有幾十納米。10其制備出的 Al2O3的形貌圖如圖 3.6 所示10。圖 3.6 Al2O3的形貌圖3.1.3 對(duì)對(duì) CeO2

24、磨料的研究磨料的研究一、一、CeO2的簡(jiǎn)介的簡(jiǎn)介稀土元素鈰是人們認(rèn)識(shí)稀土元素后應(yīng)用最早的一種元素。由于性質(zhì)活潑，導(dǎo)致其在自然界中，大部分都是以氧化物、氟化物等的形式存在。因此，人們對(duì)其氧化物二氧化鈰的研究較多。作為一種廉價(jià)的稀土氧化物，已經(jīng)被應(yīng)用到很多的領(lǐng)域。例如汽車尾氣處理、化學(xué)機(jī)械拋光、防曬劑等。本文主要研究 CeO2作為化學(xué)機(jī)械拋光中的拋光磨料時(shí)的各種性質(zhì)。CeO2以其強(qiáng)氧化性和與二氧化硅相比較小的硬度等性質(zhì)，使其成為了化學(xué)機(jī)械拋光磨料家族中新成員。由于 CeO2相對(duì)來(lái)說比較柔軟，以 CeO2為磨料進(jìn)行拋光后，電子元件表面的劃傷很少，即電子元件表面的平整度較高。這一系列的優(yōu)點(diǎn)使的 CeO

25、2得到了人們的關(guān)注，而且導(dǎo)致許多人開始大力探索這一新的化學(xué)機(jī)械拋光磨料。二、二、CeO2磨料的制備方法磨料的制備方法(1)溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法作為制備化學(xué)機(jī)械拋光磨料的一種常用方法，當(dāng)然也可以用于制備 CeO2顆粒。主要步驟是將稀土金屬鹽進(jìn)行水解，然后再經(jīng)過聚合作用生成稀土金屬氧化物的溶膠，繼而對(duì)溶膠進(jìn)行老化生成 CeO2凝膠，在對(duì)凝膠進(jìn)行焙燒干燥后就可以得到粉 CeO2末。使用此方法制備的 CeO2顆粒具有粒徑小、純度高、11顆粒均勻性好等優(yōu)點(diǎn)。(2)水熱法水熱法從總體上來(lái)說可以分為水熱沉淀法、水熱晶化法、水熱合成法和微波水熱法等。本文主要介紹以微波水熱法來(lái)制備 CeO2，該方法主要是先

26、將鈰的化合物加入去離子水中形成溶液；然后向溶液中滴入酸或者堿，用來(lái)析出 CeO2的水合物沉淀；然后在微波的作用下使水 CeO2合物進(jìn)行脫水，繼而就形成了 CeO2粉末。使用該方法制備的粉 CeO2末粒徑小且分布窄，而且操作簡(jiǎn)單。（3）化學(xué)共沉淀法化學(xué)共沉淀法主要是先將含有稀土元素鈰的金屬鹽加入去離子水中配置成溶液，然后再加入沉淀劑用以得到中間產(chǎn)物的前軀體。接著經(jīng)過一系列的操作，最終生成 CeO2粉體。主要制備流程如圖 3.7 所示。沉淀法得到的 CeO2粉體比表面積大（即表面原子比較多） ，顆粒分布均勻，粒徑比較小。含鈰的金屬鹽沉淀劑混合溶液前軀體溶液沉淀陳化前軀體前軀體粉體CeO2粉體過濾洗

27、滌干燥焙燒12圖 3.7 沉淀法制備二氧化鈰流程圖（4）噴霧高溫分解法噴霧高溫分解法是通過將含有鈰成分的易蒸發(fā)溶液以霧態(tài)形式噴入燃燒腔里面，霧態(tài)溶液會(huì)被很快的點(diǎn)燃。然后通過燃燒過程中產(chǎn)生的超高溫，使霧態(tài)溶液中的金屬成分經(jīng)過燃燒然后生成金屬氧化物的粉塵。粉塵通過燃燒區(qū)域后溫度會(huì)快速的降低，經(jīng)過高溫條件下的一系列化學(xué)反應(yīng)，最終邊生成了 CeO2粉體。使用該方法所制備粉 CeO2體操作方法簡(jiǎn)單，避開了沉淀法中的干燥、洗滌、焙燒一系列的繁瑣過程，但由于不容易控制反應(yīng)溫度，所生成的 CeO2的量較少，即該種方法的制備速率較低。3.2 混合磨料的特點(diǎn)混合磨料的特點(diǎn)由于單磨料的各種缺點(diǎn)，有人就開始將兩種或兩

28、種以上磨料(如：ZrO2、SiO2、CeO2、Al2O3、TiO2等)混合在一起用來(lái)配制漿料，用以提高拋光漿料的性能,以希望達(dá)到提高拋光速率和拋光質(zhì)量的目的。例如 SiO2/CeO2混合磨料，將這兩種拋光磨料混合后，就如化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)一般，該混合磨料就集中了兩種磨料的優(yōu)點(diǎn)，是拋光的效果會(huì)好于使用單磨料進(jìn)行拋光的效果。但由于不同磨料之間的比例要通過大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)定且單磨料的某些缺點(diǎn)也會(huì)被帶進(jìn)來(lái)，因此采用一定比例 SiO2/CeO2混合磨料在可以提高拋光速率的同時(shí)也有著非常大的缺陷。繼而人們開始研究復(fù)合材料這一新領(lǐng)域。3.3 復(fù)合磨料的特點(diǎn)復(fù)合磨料的特點(diǎn)目前，隨著各種技術(shù)對(duì)元件表面的拋光要求

29、的提高，復(fù)合磨料的開發(fā)已然成為了化學(xué)機(jī)械拋光這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。復(fù)合磨料主要分為摻雜性復(fù)合磨料和包覆性（核-殼結(jié)構(gòu)）復(fù)合磨料，但主要以包覆性復(fù)合磨料為主。拋光效果的好壞主要是由磨料粒徑的分布和大小以及硬度等因素所決定的，而復(fù)合磨料的目的就是為了通過人工操作來(lái)改變這些因素，比如將硬度較小的磨料包覆在硬度較大的磨料上，以提高在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)元件表面的光潔度和平整度，同時(shí)提高了化學(xué)機(jī)械拋光的速率。如劉連利，趙志成12采用超聲-沉淀法制備了 CeO2/Al2O3納米復(fù)合粉體，擴(kuò)展了 Al2O3作為 CMP 研磨料的應(yīng)用。13第四章第四章 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的拋光機(jī)理和模型構(gòu)建化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的拋光機(jī)

30、理和模型構(gòu)建4.1 化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)械去除機(jī)理模型概述化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)械去除機(jī)理模型概述化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)作為摩擦力學(xué)、化學(xué)、流體力學(xué)、固體物理等諸多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，其機(jī)理模型的建立是非常復(fù)雜的，因而至今仍然沒有一個(gè)公認(rèn)的去除機(jī)理模型。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致在國(guó)內(nèi)外有非常多的研究員在研究這一領(lǐng)域。現(xiàn)以電子元件與拋光墊的不同接觸形式以及不同的拋光磨料為依據(jù)，進(jìn)行一個(gè)大概的分類，如圖 4.1 所示13。材料去除機(jī)理及模型機(jī)械作用機(jī)理化學(xué)作用機(jī)理全接觸模型半接觸模型非接觸模型其他模型Si 反應(yīng)機(jī)理介電層反應(yīng)機(jī)理互聯(lián)金屬反應(yīng)機(jī)理阻擋層反應(yīng)機(jī)理接觸力學(xué)理論模型型接觸力學(xué)+流體力學(xué)模型流體力學(xué)理論模型唯象學(xué)理

31、論模型基于堿性拋光液反應(yīng)機(jī)理基于酸性拋光液反應(yīng)機(jī)理基于硬拋光墊模型基于軟拋光墊模型4.1 材料去除機(jī)理及模型分類144.2 CMP 拋光機(jī)理模型舉例拋光機(jī)理模型舉例研究員們?cè)缭?1995 年就發(fā)表過一篇關(guān)于建立化學(xué)機(jī)械拋光去除機(jī)理模型的綜述。他們逐個(gè)列舉了已建立的 CMP 去除機(jī)理模型，這些模型針對(duì)各自所作的假設(shè)，總結(jié)出了一些相對(duì)完整且具有一般性的結(jié)論。C.B.Burk 等人提出了三種接觸形式：不接觸、全接觸和半接觸14。當(dāng)薄膜厚度比拋光墊表面平均微凸峰高度小時(shí)，電子元件和拋光墊完全接觸，則整個(gè)化學(xué)機(jī)械拋光過程為全接觸形式，可以運(yùn)用接觸力學(xué)原理來(lái)建立化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)中機(jī)械去除模型；若前者比后者

32、大時(shí)，拋光過程可以被認(rèn)為是不接觸的，則可被稱之為完全流體潤(rùn)滑，繼而可用流體動(dòng)力學(xué)原理來(lái)化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)中機(jī)械去除模型；當(dāng)電子元件和拋光墊之間部分接觸時(shí)，則化學(xué)機(jī)械拋光過程中為半接觸形式，即可用接觸力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)來(lái)建立化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)中機(jī)械去除模型。接下來(lái)對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光的機(jī)械去除模型進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。由普雷斯頓方程可知，在化學(xué)機(jī)械拋光的過程中，可以通過控制施加于拋光區(qū)域壓強(qiáng)的大小來(lái)提高拋光效果。根據(jù)這一理論，呂玉山，蔡光起，華雷15提出通過在拋光區(qū)域的外部施加負(fù)載來(lái)對(duì)被拋光元件表面所受的壓力進(jìn)行校正，以達(dá)到提高拋光質(zhì)量的假設(shè)。在這個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，華等人測(cè)定在不同加載區(qū)域下施加負(fù)載時(shí)，拋光面所受壓強(qiáng)

33、的分布情況，并通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了其假設(shè)的正確性。這就為研究元件的全局平坦化提供了一種新的方式。劉昌雄16以圓平動(dòng)拋光（CTP）理論為基礎(chǔ)，通過建立部分膜與全膜數(shù)學(xué)模型，對(duì)圓平動(dòng)拋光過程中的速度運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行了研究，進(jìn)而提升整個(gè)圓平動(dòng)拋光的效果。但其模型中沒有考慮溫度的變化，計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。張朝輝，雒建斌17通過研究多孔結(jié)構(gòu)的拋光墊對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光流動(dòng)性的影響，提出了用于化學(xué)機(jī)械拋光的三維流體模型。并通過數(shù)值模擬的方法得出了小孔徑尺寸的多孔拋光墊可以提高拋光元件的表面去除率。4.3 CMP 去除機(jī)理模型去除機(jī)理模型分析分析現(xiàn)通過詳細(xì)分析蘇建修的博士論文IC 制造中硅片化學(xué)機(jī)械拋光材料

34、去除機(jī)理研究18中硅片化學(xué)機(jī)械拋光過程中摩擦力的研究，以說明摩擦力對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光過程所產(chǎn)生的影響。并通過詳細(xì)分析張朝輝的化學(xué)機(jī)械拋光流動(dòng)性能分析19中提出的基于流體力學(xué)原理建立的牛頓流體潤(rùn)滑方程，并通過潤(rùn)滑方程分析了15化學(xué)機(jī)械拋光中所施加的壓力分布情況。4.3.1 基于摩擦力學(xué)原理的典型模型的分析基于摩擦力學(xué)原理的典型模型的分析在此，通過對(duì)蘇建修所建立的硅片表面摩擦力分布模型進(jìn)行更詳細(xì)的分析，可得知硅片表面摩擦力的分布情況18。其摩擦力分布模型所用的硅片與拋光墊關(guān)系示意圖如 4.2 所示。圖 4.2 硅片與拋光墊關(guān)系示意圖現(xiàn)設(shè) xO2y 為固定坐標(biāo)系，O2該坐標(biāo)系的原點(diǎn)，假設(shè) OW為拋光元件

35、的中心，并且其初始的位置在點(diǎn) O2上，O2為拋光墊旋轉(zhuǎn)的中心，e 為拋光墊的中心 O1到坐標(biāo)原點(diǎn) O2的偏心距，在拋光過程中，拋光頭會(huì)帶著拋光元件以點(diǎn) O2為中心在x 軸上做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。np、nw分別為拋光墊的轉(zhuǎn)速和硅片的轉(zhuǎn)速;分別w、p為拋光墊的角速度和硅片的角速度。在硅片上任取一微小單元 Q，Ri與 ri，分別表示 Q 點(diǎn)到拋光墊中心 O1和硅片中心 O2距離，其小單元面積為 ridrid，()。微單元 Q 上受拋光墊的摩擦力為 dF1Q、dF2Q。dF1Q為假設(shè)硅片靜12OQO止，拋光墊旋轉(zhuǎn)時(shí)給 Q 點(diǎn)的摩擦力；dF2Q為假設(shè)拋光墊靜止，硅片旋轉(zhuǎn)時(shí)給 Q點(diǎn)的摩擦力。16為了便于計(jì)算，設(shè)

36、硅片的半徑為 r；硅片上的平均工作壓強(qiáng)為 P0?，F(xiàn)假設(shè)化學(xué)機(jī)械拋光過程中拋光墊與工件摩擦?xí)r的摩擦系數(shù) J 與相對(duì)速度 V 的關(guān)系為： （4.1）mJkVk: 系統(tǒng)摩擦系數(shù)因子(與拋光過程的各個(gè)參數(shù)有關(guān))m：速度指數(shù)(與拋光系統(tǒng)有關(guān))由以上條件可知，當(dāng)硅片靜止，拋光墊旋轉(zhuǎn)時(shí)給 Q 點(diǎn)的摩擦力為： ddrrprkNJFiipiQm011)(d（4.2）當(dāng)拋光墊靜止，硅片靜止是給 Q 點(diǎn)的摩擦力為： ddrrprNJFimiwiQ)(kd022（4.3）注： N 為硅片上平均工作壓力 壓力與壓強(qiáng)的關(guān)系：PSN 速度與角速度的關(guān)系： rV從圖 4.2 中可以得到,在三角形 O2QO1中： cos222

37、2iiiererR（4.4）現(xiàn)設(shè) ， 01290dQQdFFQ12OQdFQ則在三角形 O1QO2中，有正弦定理可得)90sin()sin(sini021eQOOeR iResincos（4.5）將 dF1Q分解到徑向 (如圖 4.3)可得17QrQdFdF11cos ddreRprkdFFimimpiQrQsincosd1011（4.6） 圖 4.3將 dF1Q 分解到切向（如圖 4.4）可得QTQdFF11dcos QQTQdFdFdF111sincos（4.7）由幾何關(guān)系可知： 2cos1sin（4.8）將 4.4 式、4.5 式帶入 4.8 式可得 iiRrcosesin（4.9） 由

38、 4.7 式和 4.9 式可得出 ddrreRdFiimimpTQcosprk10i1（4.10）18 圖 4.4當(dāng)不考慮拋光頭擺動(dòng)的影響時(shí)，可得 Q 點(diǎn)的徑向合力（如圖 4.5） (4.11)ddreRprkFimimpiQrsind10注：由于，則 dF2Q在徑向無(wú)分力。02290dQOFQQ 點(diǎn)的切向合力為： QQTQTdFFF21dd ddrrreRrkPdFimwmiimimpiQT110cos（4.12）圖 4.5 進(jìn)而可以得到在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)硅片表面 Q 點(diǎn)的摩擦力（如圖 4.6 所示）現(xiàn)設(shè) x 軸的正向?yàn)檎较?，y 軸的正向?yàn)檎较颍瑒t可得 dF1Q 在 x 軸和 y 軸的

39、分力分別為 （x 方向）ddrRprFimimpisink102119 （y 方向）ddrerRprkFiimimpicos102 圖 4.6dF2Q在 x 軸和 y 軸的分力分別為 （x 方向）ddrrprFimiwisink03 （y 方向）ddrrprkFimiwicos04從而可以得到 ddrRrrkpFFdFimipimwmixQsin012131（4.13） ddrrRerrkPFFFimwmimimwiiQycoscosd11042（4.14） 由 4.13、4.14 兩式可得硅片上所受的摩擦力為： 0cos2120012220 ddrererrkpFirmiiimpx（4.15

40、）20注：不論是硅片旋轉(zhuǎn)還是拋光墊旋轉(zhuǎn)，在 x 軸上都會(huì)產(chǎn)生一系列的兩個(gè)大小相同但方向相反的作用力，因此 Fx=0。 ddrerererrkpFirmiiiimp 200120ycos2cos1（4.16）通過以上計(jì)算可以得到硅片所受的摩擦力大小以及分布。由 4.16 式可以看出摩擦力大小主要與硅片表面所受壓強(qiáng) P0、系統(tǒng)摩擦系數(shù)因子 k 以及拋光墊的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而硅片的轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦力的影響是非常小的。由于 P0、可人為設(shè)定，pwp并且 k 可通過實(shí)驗(yàn)得到，因此我們可以分析不同壓強(qiáng)或者不同的拋光墊轉(zhuǎn)速下的硅片表面所產(chǎn)生的不同的摩擦力，以便更好地改進(jìn)化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng)，進(jìn)而得到更好地拋光效果。4.3.

41、2 基于流體力學(xué)原理的典型模型的分析基于流體力學(xué)原理的典型模型的分析 現(xiàn)對(duì)張朝輝19基于流體力學(xué)理論得到的壓力分布與各因素（如拋光墊轉(zhuǎn)速）之間關(guān)系的結(jié)論進(jìn)行了的詳細(xì)分析?，F(xiàn)假設(shè)拋光液為牛頓流體，并設(shè)坐標(biāo)系為柱坐標(biāo)系，其分析過程的簡(jiǎn)略圖如圖 4.7 所示。圖 4.7 分析過程簡(jiǎn)略圖21在柱標(biāo)系中，現(xiàn)設(shè)：為粘度系數(shù)、W 為徑向的流體速度、為周向的流體速度。由牛頓切應(yīng)力公式可知ZWZWZZ注：為切應(yīng)力（壓強(qiáng)）又由于壓力 P 與壓強(qiáng)的量綱是相同的，r 與 Z 的長(zhǎng)度量綱也是相同的，則由量綱分析可知徑向的壓強(qiáng)的梯度為 ZWZPr（4.17）同理，周向的壓強(qiáng)梯度為 ZZPr1（4.18）Z 方向的壓強(qiáng)梯度

42、為0ZP將 4.17 式和 4.18 式沿 Z 方向進(jìn)行積分可得徑向的流體速度為： 112h21whwwZZrPW（4.19）注：w1為晶片表面徑向的流體速度。w2 為拋光墊表面周向的流體速度。周向的流體速度為： 112hr121uhuuZP22（4.20）注：u1為晶片表面上的周向速度。u2為拋光墊表面上的徑向速度。h 為拋光液的厚度。從而可以得到徑向的流量為： (4.21)hwwrphWdZhr212q2130周向的流量為： huuPrhdZqh21122130（4.22）由質(zhì)量守恒方程可知 (4.23)01ZrrW注：為 Z 方向的流體速度。將 4.23 式沿 Z 軸方向進(jìn)行積分可得 h

43、hdZrWdZ0001r（4.24）將 4.21 與 4.22 式帶入 4.24 可得 021121212r213213huuPrhrhwwrPh（4.25） 對(duì) 4.25 式進(jìn)行化簡(jiǎn)可得潤(rùn)滑方程：huurhwwrPrhrrPhr212112112212133通過對(duì)潤(rùn)滑方程進(jìn)行無(wú)量綱化和離散化可以得到壓力分布與各種參量（如拋光墊轉(zhuǎn)速）之間關(guān)系的關(guān)系式。進(jìn)而通過調(diào)節(jié)各參量來(lái)改變壓力的分布，以提高化學(xué)機(jī)械拋光的拋光質(zhì)量。23結(jié)結(jié) 論論本文主要研究了化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的原理、組成和去除機(jī)理模型，從理論上評(píng)價(jià)了 CMP 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。通過了解化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的原理和發(fā)展歷程，對(duì)CMP 技術(shù)有了更深層次的認(rèn)

44、識(shí)。通過對(duì) SiO2、Al2O3、CeO2三種單磨料、混合磨料、復(fù)合磨料的特點(diǎn)及制備24方法的分析，有多種方法可以用于制備拋光顆粒，如溶膠-凝膠法、化學(xué)沉淀法、水熱法、化學(xué)氣相沉積法等，但各種制備方法的使用范圍不同，各種磨料各有其優(yōu)缺點(diǎn)。在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)，要根據(jù)被拋光元件材料的性質(zhì)來(lái)選擇拋光磨料。對(duì)于化學(xué)機(jī)械拋光過程中材料去除機(jī)理的研究，本文主要分析了基于摩擦力學(xué)原理和流體力學(xué)原理的兩種不同的材料去除機(jī)理模型?；谀Σ亮W(xué)原理的模型分析可以得到硅片所受的摩擦力大小及其分布。摩擦力大小主要與硅片表面所受壓強(qiáng) P0、系統(tǒng)摩擦系數(shù)因子 k 以及拋光墊的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而硅片的轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦力的影響是非常小

45、的。因此我們可以分析不同pw壓強(qiáng)或者不同的拋光墊轉(zhuǎn)速下的硅片表面所產(chǎn)生的不同的摩擦力，以便更好地改進(jìn)化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng)，進(jìn)而得到更好地拋光效果。基于流體力學(xué)原理的模型分析可以得到壓力分布與各種參數(shù)之間的關(guān)系。進(jìn)而通過調(diào)節(jié)各參量來(lái)改變壓力的分布，以提高化學(xué)機(jī)械拋光的拋光質(zhì)量。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1.郭世璋，王慶林化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用J中國(guó)電子商務(wù)2010， （6）：256-2572.李長(zhǎng)河化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)J現(xiàn)代零部件2006， （3）：102-104253.王相田化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)J上?；?999，(19)：4-54.廉進(jìn)衛(wèi)，張大全，高立新化學(xué)機(jī)械拋光液的研究進(jìn)展J化學(xué)世界2006， （09）：

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