单晶硅片化学机械抛光材料去除特性

D01:10.13374.isml00103x.2009.06.019 第31卷第5期 北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 单晶硅片化学机械抛光材料去除特性 杜家熙苏建修万秀颖宁欣 河南科技学院机电学院，新乡453003 摘要根据化学机械抛光(CMP)过程中硅片表面材料的磨损行为，建立了硅片CMP时的材料去除率模型.设计了不同成 分的抛光液并进行了材料去除率实验，得出了机械、化学及其交互作用所引起的材料去除率.结果表明.磨粒的机械作用是化 学机械抛光中的主要机械作用.磨粒的机械作用与抛光液的化学作用交互引起的材料去除率是主要的材料去除率. 关键词硅片；化学机械抛光：材料去除机理：材料去除率：磨损行为 分类号TN3051 Material removal characteristic of silicon wafers in chemical mechanical polishing DU Jia-xi,SU Jian-xiu,WAN Xiuying,NING Xin School of Mechanical Electrical Ergineering.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003.China ABSTRACT A material removal rate (MRR)model of silicon w afers was built based on friction and abrasion behaviors in wafer chemical mechanical polishing CM P).Different slurries were designed for CMP tests of M RR.MRR results were obtained from the mechanical action of abrasives,the chemical action of slurry,and the interaction action between them.From the results it is conclud- ed that the mechanical action produced by abrasives is the main mechanical action in wafer CMP process,and the MRR is mainly pro- duced by the interaction between the mechanical action and the chemical action. KEY WORDS silicon w afer;chemical mechanical polishing:material removal mechanism:material removal rate:w ear behavior 在超大规模集成电路(ULS)制造中，化学机械 光系统的三个主要组成要素刂.化学机械抛光时 抛光(CMP)技术被认为是不可或缺的实用技术，不 旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，而 仅在材料制备阶段用于超光滑无损伤单晶硅衬底的 由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工 加工，而且也是多层布线金属互连结构工艺中实现 件与抛光垫之间流动.并与工件表面产生化学反应 局部和全局平坦化的理想方法.目前，CMP技术己 在工件表面生成一层容易去除的化学反应膜，工件 成为ULSI时代最广泛使用的平坦化技术). 表面形成的化学反应物由磨粒和抛光垫的机械摩擦 CMP过程的精确控制在很大程度上取决于对 作用去除，然后裸露出新的表面材料再参与化学反 其材料去除机理的认识和理解.但是，到目前为止， 应.此过程循环往复，有选择地去除硅片表面材料， 人们对CMP的材料去除机理、材料去除非均匀性 实现整个表面的平坦化.化学机械抛光技术就是在 形成机理、CMP过程变量和技术等方面的许多问题 化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面 还没有形成统一的认识.随着芯片特征尺寸的不断 的加工 缩小和芯片集成度的不断提高，对CMP技术提出 自从化学机械抛光技术应用于集成电路制造以 了更高的要求，目前的CMP技术水平己不能满足 来，众多的研究者分别从化学、物理（机械、机床与 下一代IC芯片制造的工艺要求探索CMP机理是 控制及终点检测等方面对CMP的材料去除机理等 提高CMP技术水平的重要基础研究工附1 进行了大量的研究4，但基于材料磨损行为的硅片 硅片、抛光液及抛光垫是组成硅片化学机械抛 化学机械抛光材料去除机理的实验研究尚未见有关 收稿日期：200803-18 基金项目：国家自然科学基金重大资助项目(N。.50390061):河南科技学院高学历人才启动基金资助项目 作者简介：杜家熙(1964一）.男.别教授.硕士，E-mailk:dujiax@163.com

单晶硅片化学机械抛光材料去除特性 杜家熙 苏建修 万秀颖 宁 欣 河南科技学院机电学院, 新乡 453003 摘 要 根据化学机械抛光( CMP) 过程中硅片表面材料的磨损行为, 建立了硅片 CMP 时的材料去除率模型, 设计了不同成 分的抛光液并进行了材料去除率实验, 得出了机械、化学及其交互作用所引起的材料去除率.结果表明, 磨粒的机械作用是化 学机械抛光中的主要机械作用, 磨粒的机械作用与抛光液的化学作用交互引起的材料去除率是主要的材料去除率. 关键词 硅片;化学机械抛光;材料去除机理;材料去除率;磨损行为 分类号 TN 305.1 Material removal characteristic of silicon wafers in chemical mechanical polishing DU Jia-x i, SU Jian-xiu , WAN Xiu-y ing, NING Xin S chool of Mechanical & Electrical Engineering, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China ABSTRACT A material removal rate ( MRR) model of silicon w afers was built based o n friction and abrasion behaviors in wafer chemical mechanical polishing ( CMP) .Different slurries were desig ned for CMP tests of M RR.MRR results w ere obtained from the mechanical action of abrasives, the chemical actio n of slurry , and the interaction actio n between them .From the results it is conclud￾ed that the mechanical action produced by abrasivesis the main mechanical action in wafer CMP process, and the MRR is mainly pro￾duced by the interaction between the mechanical action and the chemical action. KEY WORDS silicon w afer;chemical mechanical polishing;material removal mechanism ;material removal rate;w ear behavior 收稿日期:2008-03-18 基金项目:国家自然科学基金重大资助项目( No .50390061) ;河南科技学院高学历人才启动基金资助项目 作者简介:杜家熙( 1964—) , 男, 副教授, 硕士, E-mail:dujiax @163.com 在超大规模集成电路( U LSI) 制造中, 化学机械 抛光( CM P) 技术被认为是不可或缺的实用技术, 不 仅在材料制备阶段用于超光滑无损伤单晶硅衬底的 加工, 而且也是多层布线金属互连结构工艺中实现 局部和全局平坦化的理想方法 .目前, CM P 技术已 成为 ULSI 时代最广泛使用的平坦化技术[ 1-3] . CM P 过程的精确控制在很大程度上取决于对 其材料去除机理的认识和理解.但是, 到目前为止, 人们对 CMP 的材料去除机理 、材料去除非均匀性 形成机理 、CM P 过程变量和技术等方面的许多问题 还没有形成统一的认识.随着芯片特征尺寸的不断 缩小和芯片集成度的不断提高, 对 CM P 技术提出 了更高的要求, 目前的 CMP 技术水平已不能满足 下一代 IC 芯片制造的工艺要求, 探索 CM P 机理是 提高 CMP 技术水平的重要基础研究工作[ 4] . 硅片 、抛光液及抛光垫是组成硅片化学机械抛 光系统的三个主要组成要素 [ 1] .化学机械抛光时, 旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上, 而 由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工 件与抛光垫之间流动, 并与工件表面产生化学反应, 在工件表面生成一层容易去除的化学反应膜, 工件 表面形成的化学反应物由磨粒和抛光垫的机械摩擦 作用去除, 然后裸露出新的表面材料再参与化学反 应 .此过程循环往复, 有选择地去除硅片表面材料, 实现整个表面的平坦化 .化学机械抛光技术就是在 化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面 的加工 . 自从化学机械抛光技术应用于集成电路制造以 来, 众多的研究者分别从化学 、物理( 机械) 、机床与 控制及终点检测等方面对 CMP 的材料去除机理等 进行了大量的研究[ 4] , 但基于材料磨损行为的硅片 化学机械抛光材料去除机理的实验研究尚未见有关 第 31 卷 第 5 期 2009 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.5 May 2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.05.019

第5期 杜家熙等：单晶硅片化学机械抛光材料去除特性 609。 报道.本文根据CMP过程中硅片表面材料的磨损 Rodel公司生产的IC-1000/Suba IV平抛光垫，实验 行为，对硅片CMP时的材料去除率进行了实验研 用水为18.24M2的去离子水.实验所用的三种抛 究. 光液由天津晶岭电子材料科技有限公司提供：$1号 为FA/0标准单晶硅抛光液：S2为纯磨粒抛光液 1材料去除率的构成 (所用的磨粒加去离子水配制，含量与$1号标准抛 影响硅片CMP过程的因素很多，且每一个影 光液相同)：S3号为无磨粒抛光液. 响因素的变化都会影响到硅片CMP系统输出参数 硅片材料去除率的测量采用德国赛多利斯 的变化，即影响到硅片CMP材料去除的机理，各影 (SARTORIUS)CP225D超精密电子分析天平(0~ 响因素之间还具有微妙的交互作用.从物理和化学 80g时精度为0.01mg).每次抛光前检测硅片质量 的角度分析，可以把众多的影响因素对硅片CMP 并记录，抛光后先用去离子水清洗硅片，然后用超净 材料去除作用机理的影响归纳为化学作用机理、机 压缩空气把硅片吹干再称重，便可计算出材料去除 械作用机理及其交互作用机理.由于硅片化学机械 率. 抛光是化学作用与机械作用相结合的复杂过程，为 2.2实验参数选择 了更进一步理解硅片CMP的材料去除机理，可把 在硅片CMP实际操作中，抛光压力一般在 硅片化学机械抛光的材料去除分解为磨粒、抛光垫 2.068×10~69X10Pa内，常用的是3.5X10~ 的机械作用去除率，抛光液的化学作用去除率，磨粒 4.2×104Pa7,所以取抛光压力Po=4.2X 与抛光液的机械化学交互作用去除率以及抛光垫与 10Pa.根据硅片CMP实际工作条件及实验机台的 抛光液的机械化学交互作用去除率，则总的材料去 实际情况，选择抛光参数为：中心距e=60mm,抛光 除率为： 头摆幅A/2=5mm,抛光头匀速摆动，速度为= M RR=M RR+M RRmP+M RRmAM RRcp+ 2.5mms1,抛光液流量为100 mL'min,抛光时 AM RRe十AM RRm p十△ARRm a(I) 间设置为5min.每次抛光前用抛光垫专用金刚石 式中，MRR为总的材料去除率，MRRc为抛光液化 修整器及去离子水对抛光垫修整15minm,同时在抛 学腐蚀作用引起的材料去除率，M RRmp、MRRm_a 光时还用金刚石修整器对抛光垫进行在线修整. 分别表示只考虑抛光垫、磨粒的机械作用材料去除 3实验结果与分析 率，△MRR。p△MRR。a分别表示由抛光垫、磨粒的 3.1硅片静态腐蚀下化学作用实验结果 机械作用所增强的化学作用材料去除率， 将直径50mm的单晶硅片分别放入S1号标准 △MRRm-P△M RRma分别表示由化学作用所增强 抛光液中浸泡Ih,浸泡过程中不断搅拌抛光液，三 的抛光垫、磨粒的机械作用产生的材料去除率 次材料去除率的平均值为0.05nm°min',说明单 设△MRR为CMP时的机械与化学交互作用去 晶硅片在抛光液中的静态化学作用材料去除率接近 除率，△MRRp为抛光垫的机械与抛光液的化学交互 于零，可忽略不计，则有MRR≈0. 作用材料去除率、△MRB为磨粒的机械与抛光液的 3.2抛光垫及磨粒的机械作用材料去除率分析 化学交互作用材料去除率，则有： 通过用去离子水抛光实验来看，抛光垫引起的 △MMR=△MRRa+△MRRp (2) 材料去除率基本为零.因此，在没有化学作用时，抛 △MRR=△MRRm十△MRRe_a (3) 光垫的机械去除作用很小，可以忽略不计，则有 △MRRp=△MRRm_p+△MRRe_p (4) M RRm_p=0. 图1为不同转速下S2号及S3号抛光液抛光后 2实验 的材料去除率实验结果.由图1中S2号抛光液材 2.1实验设备及实验条件 料去除率实验结果可以看出，因为抛光液中没有化 取直径为2英寸(5.08cm)的单晶硅研磨腐蚀 学作用，所以材料去除率完全是由磨粒及抛光垫的 片试样若干，在美国CETR公司的CP一4抛光机上 机械作用引起的，此时机械作用材料去除率在转速 进行实验，该实验设备可在线测量抛光系统的摩擦 np=nw=200r·min1附近时达到最大值，为 力、摩擦因数和声发射信号等.抛光机放置在1000 114 nm'min-1.可见抛光垫单独的机械作用很小， 级超净室中，环境温度控制在22℃左右.抛光垫为 认为S2号抛光液的材料去除率完全是由磨粒的机

报道 .本文根据 CMP 过程中硅片表面材料的磨损 行为, 对硅片 CM P 时的材料去除率进行了实验研 究. 1 材料去除率的构成 影响硅片 CM P 过程的因素很多, 且每一个影 响因素的变化都会影响到硅片 CMP 系统输出参数 的变化, 即影响到硅片 CM P 材料去除的机理, 各影 响因素之间还具有微妙的交互作用.从物理和化学 的角度分析, 可以把众多的影响因素对硅片 CM P 材料去除作用机理的影响归纳为化学作用机理 、机 械作用机理及其交互作用机理 .由于硅片化学机械 抛光是化学作用与机械作用相结合的复杂过程, 为 了更进一步理解硅片 CM P 的材料去除机理, 可把 硅片化学机械抛光的材料去除分解为磨粒、抛光垫 的机械作用去除率, 抛光液的化学作用去除率, 磨粒 与抛光液的机械化学交互作用去除率以及抛光垫与 抛光液的机械化学交互作用去除率, 则总的材料去 除率为: M RR =M RRc +M RRm - p +M RRm - a +ΔM RRc - p + ΔM RRc - a +ΔM RRm - p +ΔM RRm - a ( 1) 式中, M RR 为总的材料去除率, M RRc 为抛光液化 学腐蚀作用引起的材料去除率, M RRm - p 、M RRm - a 分别表示只考虑抛光垫、磨粒的机械作用材料去除 率, ΔM RRc - p 、ΔMRRc - a分别表示由抛光垫 、磨粒的 机械 作 用 所 增 强 的 化 学 作 用 材 料 去 除 率, ΔM RRm - p 、ΔM RRm - a 分别表示由化学作用所增强 的抛光垫 、磨粒的机械作用产生的材料去除率 . 设 ΔM RR 为 CM P 时的机械与化学交互作用去 除率, ΔM RRp 为抛光垫的机械与抛光液的化学交互 作用材料去除率 、ΔM RRa 为磨粒的机械与抛光液的 化学交互作用材料去除率, 则有: ΔMM R =ΔM RRa +ΔM RRp ( 2) ΔM RRa =ΔM RRm - a +ΔM RRc - a ( 3) ΔM RRp =ΔM RRm - p +ΔM RRc - p ( 4) 2 实验 2.1 实验设备及实验条件 取直径为 2 英寸( 5.08 cm) 的单晶硅研磨腐蚀 片试样若干, 在美国 CETR 公司的 CP-4 抛光机上 进行实验 .该实验设备可在线测量抛光系统的摩擦 力、摩擦因数和声发射信号等 .抛光机放置在 1 000 级超净室中, 环境温度控制在 22 ℃左右.抛光垫为 Rodel 公司生产的 IC-1000/Suba IV 平抛光垫, 实验 用水为 18.24 M Ψ的去离子水 .实验所用的三种抛 光液由天津晶岭电子材料科技有限公司提供 :S1 号 为 FA/O 标准单晶硅抛光液;S2 为纯磨粒抛光液 ( 所用的磨粒加去离子水配制, 含量与 S1 号标准抛 光液相同) ;S3 号为无磨粒抛光液 . 硅片材料去除率的测量采用德国赛多利斯 ( SARTORIUS) CP225D 超精密电子分析天平( 0 ～ 80 g 时精度为 0.01 mg ) .每次抛光前检测硅片质量 并记录, 抛光后先用去离子水清洗硅片, 然后用超净 压缩空气把硅片吹干再称重, 便可计算出材料去除 率 . 2.2 实验参数选择 在硅片 CMP 实际操作中, 抛光压力一般在 2.068 ×10 4 ～ 6.9 ×10 4 Pa 内, 常用的是 3.5 ×10 4 ～ 4.2 ×10 4 Pa [ 5-7] , 所 以 取 抛 光 压 力 P 0 =4.2 × 10 4 Pa .根据硅片 CMP 实际工作条件及实验机台的 实际情况, 选择抛光参数为 :中心距 e =60 mm, 抛光 头摆幅 Ac/2 =5 mm, 抛光头匀速摆动, 速度为 Vb = 2.5 mm·s -1 , 抛光液流量为 100 mL·min -1 , 抛光时 间设置为 5 min .每次抛光前用抛光垫专用金刚石 修整器及去离子水对抛光垫修整 15 min, 同时在抛 光时还用金刚石修整器对抛光垫进行在线修整 . 3 实验结果与分析 3.1 硅片静态腐蚀下化学作用实验结果 将直径 50 mm 的单晶硅片分别放入 S1 号标准 抛光液中浸泡 1 h, 浸泡过程中不断搅拌抛光液, 三 次材料去除率的平均值为 0.05 nm·min -1 , 说明单 晶硅片在抛光液中的静态化学作用材料去除率接近 于零, 可忽略不计, 则有 M RRc ≈0 . 3.2 抛光垫及磨粒的机械作用材料去除率分析 通过用去离子水抛光实验来看, 抛光垫引起的 材料去除率基本为零.因此, 在没有化学作用时, 抛 光垫的机械去除作用很小, 可以忽略不计, 则有 M RRm - p=0 . 图 1 为不同转速下 S2 号及 S3 号抛光液抛光后 的材料去除率实验结果.由图 1 中 S2 号抛光液材 料去除率实验结果可以看出, 因为抛光液中没有化 学作用, 所以材料去除率完全是由磨粒及抛光垫的 机械作用引起的, 此时机械作用材料去除率在转速 n p =n w =200 r ·min -1 附近 时达到最 大值, 为 114 nm·min -1 .可见抛光垫单独的机械作用很小, 认为 S2 号抛光液的材料去除率完全是由磨粒的机 第 5 期 杜家熙等:单晶硅片化学机械抛光材料去除特性 · 609 ·

。610 北京科技大学学报 第31卷 械作用引起的.设MRRs2为S2号抛光液抛光时的 达到最大，其交互作用材料去除率为244m· 材料去除率.则有： minl, MRRm_a=MRRs2一MRRm_p≈MRRs2(5) 3.4磨粒的机械与抛光液的化学交互作用材料去 除率分析 280 图2所示为$1号抛光液的材料去除率实验结 240 。S2号抛光液 S3号抛光液 果.磨粒的机械作用与抛光液的化学作用交互作用 200 w几p 材料去除率为： 160 △MRRa=MRRs1-△MRR,-MRRe- 120 M RR_p一MRRm_a≈ 80 40 M RRst一MRRs2一MRRs3 (7 050 100150200250300350400 1200m 抛光盘转速，n/(rmin) 九， 图1S2号抛光液.S3号抛光液CMP时的材料去除率 Fig.I M RR of CM P using Slurry $2 and Slurry S3 800 3.3抛光垫的机械与抛光液的化学交互作用材料 去除率分析 600 图1中S3号抛光液材料去除率曲线为无磨粒 抛光液的材料去除率实验结果.$3号抛光液化学 400T 50100150200250300350400 成分含量与标准抛光液相同，由于抛光液单独的化 抛光盘转速，m(rmin) 学作用很难去除材料，抛光垫单独的机械作用也很 小，所以图1中S3号抛光液的材料去除率完全可以 图2S1号抛光液抛光时的材料去除率 Fig 2 MRR of CM P using Slurry SI 认为是抛光垫的机械作用与抛光液的化学作用交互 作用所引起的.设MRRs3为S3号抛光液抛光时的 根据式(7)便可很方便地计算出不同转速下磨 材料去除率，即有： 粒的机械作用与抛光液的化学作用交互作用引起的 △MRR,=MRRs3一M RRmP-M RRMR Rs3: 材料去除率，其计算结果详见表1.可以看出，在硅 (6 片CMP时，磨粒的机械作用与抛光液的化学作用 从实验结果可以看出，抛光垫的机械作用与抛 交互作用占有主要成分，其大小决定了CMP的材 光液的化学作用交互作用在转速为200r°min1时 料去除率，与磨粒相关的材料去除率占绝对优势. 表1Si片CMP时机械与化学交互作用材料去除率 Table I MRR of interaction bet ween mechanical and chemical action in Siwafer CMP np: 抛光垫交互作用材料去除率，磨粒的交互作用材料去除率磨粒引起的材料去除率， 抛光垫交互磨粒的交互 磨粒的 (r'min-!) M RR/(nm'min) MRR。/(mmim-)MRR十MRR,/(mmn)作用率/%作用率/%作用率/% 50 99 278 316 23.8 67.0 761 100 103 408 465 181 718 81.7 150 148 441 519 222 661 77.8 200 244 440 554 306 551 69.5 250 168 665 750 183 724 81.7 300 130 805 843 13.4 827 866 350 107 923 942 102 880 89.8 400 68 1059 1069 60 931 940 注：作用率=MRR/MRRs1,MRR为第i因素作用下的材料去除率，%

械作用引起的.设 M RRS2为 S2 号抛光液抛光时的 材料去除率.则有 : M RRm - a =M RRS2 -M RRm - p ≈MRRS2 ( 5) 图 1 S 2 号抛光液、S 3 号抛光液CMP 时的材料去除率 Fig.1 M RR of CM P using Slurry S2 and Slurry S3 3.3 抛光垫的机械与抛光液的化学交互作用材料 去除率分析 图1 中 S3 号抛光液材料去除率曲线为无磨粒 抛光液的材料去除率实验结果.S3 号抛光液化学 成分含量与标准抛光液相同, 由于抛光液单独的化 学作用很难去除材料, 抛光垫单独的机械作用也很 小, 所以图 1 中 S3 号抛光液的材料去除率完全可以 认为是抛光垫的机械作用与抛光液的化学作用交互 作用所引起的.设 M RRS3为 S3 号抛光液抛光时的 材料去除率, 即有: ΔM RRp =MRRS3 -M RRm - p -M RRc ≈MRRS3 ( 6) 从实验结果可以看出, 抛光垫的机械作用与抛 光液的化学作用交互作用在转速为200r·min -1时 达到最 大, 其 交互作用材 料去除率 为 244 nm · min -1 . 3.4 磨粒的机械与抛光液的化学交互作用材料去 除率分析 图 2 所示为 S1 号抛光液的材料去除率实验结 果 .磨粒的机械作用与抛光液的化学作用交互作用 材料去除率为: ΔM RRa =M RRS1 -ΔM RRp-M RRc - M RRm - p -M RRm - a ≈ M RRS1 -M RRS2 -M RRS3 ( 7) 图2 S 1号抛光液抛光时的材料去除率 Fig.2 M RR of CM P using Slurry S1 根据式( 7) 便可很方便地计算出不同转速下磨 粒的机械作用与抛光液的化学作用交互作用引起的 材料去除率, 其计算结果详见表 1 .可以看出, 在硅 片 CMP 时, 磨粒的机械作用与抛光液的化学作用 交互作用占有主要成分, 其大小决定了 CMP 的材 料去除率, 与磨粒相关的材料去除率占绝对优势 . 表 1 Si 片CMP 时机械与化学交互作用材料去除率 Table 1 MRR of interaction between m echanical and chemical action in S i w af er CMP np, n w/ ( r·min -1 ) 抛光垫交互作用材料去除率, M RRp￾c / ( nm·min -1 ) 磨粒的交互作用材料去除率, MRRa￾c / ( nm·min -1 ) 磨粒引起的材料去除率, M RRa +MRRa￾c / ( nm·min -1 ) 抛光垫交互 作用率/ % 磨粒的交互 作用率/ % 磨粒的 作用率/ % 50 99 278 316 23.8 67.0 76.1 100 103 408 465 18.1 71.8 81.7 150 148 441 519 22.2 66.1 77.8 200 244 440 554 30.6 55.1 69.5 250 168 665 750 18.3 72.4 81.7 300 130 805 843 13.4 82.7 86.6 350 107 923 942 10.2 88.0 89.8 400 68 1 059 1 069 6.0 93.1 94.0 注:作用率=M RRi/ MRRS1, MRRi 为第 i 因素作用下的材料去除率, %. · 610 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第5期 杜家熙等：单晶硅片化学机械抛光材料去除特性 ·611。 3.5抛光压力为P0=2068X10Pa时的材料去 的硅片表面材料与反应膜相比较难以去除，这不仅 除率分析 会使每周期内材料去除量大为减少，还使抛光质量 图3为抛光压力为Po=2068×10Pa时S1 下降，而且材料去除率也不能达到最佳效果.因此 号抛光液抛光的材料去除率实验结果.相对于图2 单纯增大机械作用或化学作用并不能达到理想的材 而言，图3中的抛光液的化学性质没有变化，但由于 料去除效果，只有CMP的机械参数和抛光液的化 抛光压力较小，系统所注入的机械作用小，这样就会 学作用之间达到了非常好的匹配关系之后，才能获 使系统的化学作用效果不能很好地发挥，从而导致 得高效高质量的加工表面. 在相同转速下的材料去除率低于图2所示.由 图3还可以看出，在抛光压力为2.068×10Pa转 5结论 速np=nw=200r°min时有最佳的材料去除率， (1)硅片CMP材料去除率不是随转速的增大 此时机械作用与化学作用达到了平衡.从而进一步 而一直增大，存在一个最佳抛光速度，使材料去除率 说明了，只有在适当抛光速度下，机械作用与化学作 达到最大值.在最佳抛光速度时，硅片CMP的化学 用达到平衡，硅片CMP的材料去除率才能达到最 作用与机械作用达到了平衡.可以把最佳抛光速度 大10 点称为机械作用与化学作用交互作用的平衡点. 400r (2)在硅片CMP时，单纯的机械或化学作用去 除量很少，占总去除率的10%以下；因此.硅片 350 CMP时的材料去除率主要取决于机械与化学的交 互作用结果化学作用促进机械作用，机械作用也同 250 时促进化学作用，在机械与化学交互作用中，磨粒的 机械作用与抛光液的化学作用交互作用起决定作 200 用，没有磨粒与抛光液的化学作用交互作用，材料去 150 除率会很低. 10 050100150200250300350400 (3)不同的机械特性和化学特性有不同的机械 抛光盘转速，n(r,min) 作用与化学作用平衡点.机械作用与化学作用的平 图3P。=2068X10Pa时S1号抛光液抛光时材料去除率 衡点是化学机械抛光选择最佳工作参数的作用点 Fig.3 M RR of CMP using Slurry SI at Po=2.068X 10+Pa 只有在机械与化学交互作用平衡点处工作才能实现 最佳工作效率. 4讨论 参考文献 因为硅片CMP过程是一个动态的过程.在抛 [I]Guo D M.Kang R K,Su J X,ct al.Future development on 光过程中，硅片表面在化学作用下需要一定的时间 waer planarization techndlogy in ULSI fabrication.Chin JMech 才能形成一定厚度的容易被去除的反应膜，然后在 Eg,3910),2003:100 (郭东明，康仁科，苏建修，等.超大规模集成电路制造中硅片平 相应的机械作用下完全去除这层反应膜：此过程以 坦化技术的未来发展.机械工程学报，2003.39(10)：100) 一定周期不断重复，机械与化学作用互相促进，才能 Su JX.Guo D M.Kang R K,et al.M odeling and analyzing on 实现高效的化学机械抛光.从实验结果可以看出， nonunifomity of material removal in chemical mecharical poish- 如果机械作用小，一方面在反应周期内硅片表面形 ing of silcon wafer.Mater Sci Forum,2004,471/472:26 3 Su JX.Guo D M,Kang R K.et al.Study on kinematic mecha 成的反应膜不能完全及时去除，则会阻止硅片表面 rism of chemical mechanical polishing in UISI marfacturing. 进一步的反应膜快速生成，使材料去除周期增大，造 ChinJ Semicnd,2005.26(3):606 成材料去除率的下降：另一方面如果机械作用小，系 (苏建修，郭东明，康仁科，等.UL1制造中硅片化学机械抛 统所注入的机械能就小，则机械增强作用及其与化 光的运动机理.半导体学报，2005,26(3)：606 学的交互作用小，也会造成材料去除率不高.同样， 4 Su J X.Study on Material Remowl Mechan ism of Wafer Chemical Mechan ical Polishing in IC Manufactur ing Disserta 如果机械作用过大，系统所注入的机械能虽大，但化 tion.Dalian:Dalian University of Technology,2006 学作用相对较弱，其化学增强作用也小，造成硅片表 (苏建修.IC制造中硅片化学机械抛光材料去除机理研究学 面来不及形成一定厚度的化学反应膜，抛光作用大 位论刘.大连：大连理工大学，2006) 部分是在新鲜的硅片表面材料上进行，但由于新鲜 (下转第617页)

3.5 抛光压力为 P0 =2.068 ×10 4 Pa 时的材料去 除率分析 图3 为抛光压力为 P 0 =2.068 ×10 4 Pa 时 S1 号抛光液抛光的材料去除率实验结果 .相对于图 2 而言, 图 3 中的抛光液的化学性质没有变化, 但由于 抛光压力较小, 系统所注入的机械作用小, 这样就会 使系统的化学作用效果不能很好地发挥, 从而导致 在相同转速下的材料去除率低于图 2 所示.由 图 3 还可以看出, 在抛光压力为2.068 ×10 4 Pa, 转 速 np =n w =200 r·min -1时有最佳的材料去除率, 此时机械作用与化学作用达到了平衡 .从而进一步 说明了, 只有在适当抛光速度下, 机械作用与化学作 用达到平衡, 硅片 CMP 的材料去除率才能达到最 大[ 8-10] . 图 3 P0 =2.068×10 4 Pa 时S 1 号抛光液抛光时材料去除率 Fig.3 M RR of C MP using Slurry S1 at P 0 =2.068×10 4 Pa 4 讨论 因为硅片 CM P 过程是一个动态的过程.在抛 光过程中, 硅片表面在化学作用下需要一定的时间 才能形成一定厚度的容易被去除的反应膜, 然后在 相应的机械作用下完全去除这层反应膜;此过程以 一定周期不断重复, 机械与化学作用互相促进, 才能 实现高效的化学机械抛光.从实验结果可以看出, 如果机械作用小, 一方面在反应周期内硅片表面形 成的反应膜不能完全及时去除, 则会阻止硅片表面 进一步的反应膜快速生成, 使材料去除周期增大, 造 成材料去除率的下降 ;另一方面如果机械作用小, 系 统所注入的机械能就小, 则机械增强作用及其与化 学的交互作用小, 也会造成材料去除率不高 .同样, 如果机械作用过大, 系统所注入的机械能虽大, 但化 学作用相对较弱, 其化学增强作用也小, 造成硅片表 面来不及形成一定厚度的化学反应膜, 抛光作用大 部分是在新鲜的硅片表面材料上进行, 但由于新鲜 的硅片表面材料与反应膜相比较难以去除, 这不仅 会使每周期内材料去除量大为减少, 还使抛光质量 下降, 而且材料去除率也不能达到最佳效果 .因此 单纯增大机械作用或化学作用并不能达到理想的材 料去除效果, 只有 CM P 的机械参数和抛光液的化 学作用之间达到了非常好的匹配关系之后, 才能获 得高效高质量的加工表面. 5 结论 ( 1) 硅片 CM P 材料去除率不是随转速的增大 而一直增大, 存在一个最佳抛光速度, 使材料去除率 达到最大值.在最佳抛光速度时, 硅片 CM P 的化学 作用与机械作用达到了平衡 .可以把最佳抛光速度 点称为机械作用与化学作用交互作用的平衡点 . ( 2) 在硅片 CMP 时, 单纯的机械或化学作用去 除量很少, 占总去除率的 10 %以下 ;因此, 硅片 CMP 时的材料去除率主要取决于机械与化学的交 互作用结果, 化学作用促进机械作用, 机械作用也同 时促进化学作用, 在机械与化学交互作用中, 磨粒的 机械作用与抛光液的化学作用交互作用起决定作 用, 没有磨粒与抛光液的化学作用交互作用, 材料去 除率会很低 . ( 3) 不同的机械特性和化学特性有不同的机械 作用与化学作用平衡点 .机械作用与化学作用的平 衡点是化学机械抛光选择最佳工作参数的作用点. 只有在机械与化学交互作用平衡点处工作才能实现 最佳工作效率. 参 考 文 献 [ 1] Guo D M, Kang R K, Su J X, et al.Future development on w afer planarization technology in ULS I f abrication.Chin J Mech Eng , 39( 10) , 2003:100 ( 郭东明, 康仁科, 苏建修, 等.超大规模集成电路制造中硅片平 坦化技术的未来发展.机械工程学报, 2003, 39( 10) :100) [ 2] Su J X, Guo D M, Kang R K, et al.M odeling and analyzing on nonunif ormit y of material removal in chemical mechanical polish￾ing of silicon w afer .Mater S ci Forum , 2004, 471/ 472:26 [ 3] Su J X, Guo D M , Kang R K, et al.Study on kinematic mecha￾nism of chemical mechanical polishing in U LSI manuf acturing . Ch in J S emi cond , 2005, 26( 3) :606 ( 苏建修, 郭东明, 康仁科, 等.ULSI 制造中硅片化学机械抛 光的运动机理.半导体学报, 2005, 26( 3) :606) [ 4] Su J X.S tudy on Material Remova l Mechan ism of Wa fer Chemi cal Mechan ical Polishing in IC Manu facturing [ Disserta￾tion] .Dalian:Dalian University of Technology, 2006 ( 苏建修.IC 制造中硅片化学机械抛光材料去除机理研究[ 学 位论文] .大连:大连理工大学, 2006) ( 下转第 617 页) 第 5 期 杜家熙等:单晶硅片化学机械抛光材料去除特性 · 611 ·

第5期 曾晓翘等：丙烯酸酯系互穿网络聚合物乳液的微观形貌 ·617。 [4 Li XQ.Chen PZ.Qin C H.et al.The application study of PTA 3结论 on TEM technic in characterization:the structure of core shell 本研究利用磷钨酸负染法，使用透射电镜表征 emulsion.Polym Mater Sci Eng.1999,15:129 (李小琴，陈沛智，秦昌华，等.磷钨酸在核壳型乳液TEM表 了丙烯酸酯系互穿网络聚合物乳液的微观形貌.研 征技术中的应用研究.高分子材料科学与工程，1999.15： 究表明：在制备P(MMA-St)/P(BA一EA)互穿网络 129) 聚合物乳液的过程中，可以通过调节网络质量配比 [5 Joy D C.Joy C S.Low voltage scanning ebctmon microscopy. 和溶胀工艺，来改变乳液粒子的微观形貌，从而影响 Micron,1996.27:247 乳液成膜性能.在相同的反应条件下，随着网络Ⅱ [6 Tajma A.Higuchi T.Yabu H,et al.Hemispherical polymer nane partices of polisoprene poly methyl methacrylate)blend 含量的递增和网络I含量的递减，乳液粒子体积逐 with cone-shell structu re.Collaids Surf A.2008.313:333 渐递减，两网络互穿得更加致密.采用反向溶胀方 [7 Qian J.Yuan J.Tuo X L,et al.Characterization of com-shell 式和适当的网络质量配比，可以获得互穿程度更强、 polysty meneacryicacid (PS-AA)copolymer namspheres and the 成膜性能更好的乳液粒子，延长溶胀时间可以增加 selective dissolution of the pore structure.J Chin Ekctron Mi- 互穿网络壳部分的厚度，但是溶胀时间超过2h后， crascS0c,2007,26(02):124 (钱骏，袁俊，庹新林，等.聚苯乙烯丙烯酸共聚物胶体纳米 乳液粒子微观形貌不会再有明显的改变. 球核壳结构及其选择性溶解过程的表征.电子显微镜学报 2007.26:124) 参考文献 [8 Zhu C S.Analysis of Polymer Structures.Beijing:Science [1]Maekaw a T.Quntitative characterizations of styrene-butadiene Pes5,2004 coreshell latexes by TOF-SIMS and pyrolysis GCMS.Appl (朱诚身.聚合物结构分析.北京：科学出版社，2004448) Surf Sci,2006.252:7019 9Cedric G.Gilbert F.Christopher JG P.et al.The morphology [2]Harris J R.Roos C.Djalli R.et al.Application of the negative of submicron sized com-shell latex particles:An electron mi- staining tech nique to bot h aqueous and organic solvent soutions of croscopy study.Micron,2007.38:524 polymer particles Micron,1999,30:289 [10 Yun X Y.Huo D X.Zhang L.et al.Effect of temperature on [3]Ferrera GG.Sancheza M S,RibellesaJ LG,et al.Nanodomains film format ion of the cor-shell latex and properties of the com- in a hydrophilic-hydrophobic IPN based on poly 2-hydroxyethyl psite film.Paym Mater Sci Eng.2007.23(3):126 acrylte)and poly(ethyl acrylate).Eur Polym J,2007,43: (袁显永，霍东霞，张丽，等.温度对核壳胶乳涂膜形成及性 3138 能的影响.高分子材料科学与工程，2007,23(3)：126 (上接第611页) [5]Luo J F,Domfeld DA.Material removal mechanism in chemical film wafers.J Tribol.2004.126(1):185 mechanical polishing:theory and modeling.Trans Semiond [8 Gitis N V.Xiao J.Kumar A.et al.Advanced specification and Manu f,2001,142):112 tests of CMP retaining rings //Proceedings of the 2004 CMP-MIC [6]Thakurta D G.Borst C L Schw endeman D W.et al.Three-di- Conference.Marina De Ray.2004.252 mersional chemical mechanical planarization surry flow modd [9Muldow ney G P.James D B.Characterization of CMP pad sur based on lubrication theory.J Ekctrochem Soc,2001,148(4): face texture and pad-wafer contact.Mater Res Soc Symp Proc. 207 2004,816:147 [7]Lin J F,Chen J D.Chang Y H.et al.Analysis of the tribological [10 Moinpour M,Trgub A,Oehler A.et al.Advances in charac- mechanism arising in the chemical mechanical polishing of copper terization of CMP consumables MRS Bull,2002.27:766

3 结论 本研究利用磷钨酸负染法, 使用透射电镜表征 了丙烯酸酯系互穿网络聚合物乳液的微观形貌 .研 究表明 :在制备 P( M MA-St)/P( BA-EA) 互穿网络 聚合物乳液的过程中, 可以通过调节网络质量配比 和溶胀工艺, 来改变乳液粒子的微观形貌, 从而影响 乳液成膜性能.在相同的反应条件下, 随着网络 II 含量的递增和网络 I 含量的递减, 乳液粒子体积逐 渐递减, 两网络互穿得更加致密 .采用反向溶胀方 式和适当的网络质量配比, 可以获得互穿程度更强 、 成膜性能更好的乳液粒子 .延长溶胀时间可以增加 互穿网络壳部分的厚度, 但是溶胀时间超过 2 h 后, 乳液粒子微观形貌不会再有明显的改变 . 参 考 文 献 [ 1] Maekaw a T .Quantitative characterizations of styrene-butadiene core-shell lat exes by TOF-SIMS and pyrolysis GC-MS.Appl Su rf Sci, 2006, 252:7019 [ 2] Harris J R, Roos C, Djalali R, et al.Application of the negative st aining t ech nique to both aqueous and organic solvent solu tions of polym er particles.Micron , 1999, 30:289 [ 3] Ferrera G G, Sa ′ ncheza M S, Ribellesa J L G, et al.Nanodomains in a hydrophilic-hydrophobic IPN based on poly ( 2-hydroxyethyl acrylate) and poly ( ethyl acrylat e) .E ur Polym J , 2007, 43: 3138 [ 4] Li X Q, Chen P Z, Qin C H, et al.The application study of PTA on TEM t echnic in characterization:the structure of core/ shell emulsion.Polym Mater Sci E ng, 1999, 15:129 ( 李小琴, 陈沛智, 秦昌华, 等.磷钨酸在核壳型乳液 TEM 表 征技术中的应用研究.高分子材料科学与工程, 1999, 15: 129) [ 5] Joy D C, Joy C S .Low volt age scanning electron mi croscopy . Micron, 1996, 27:247 [ 6] Tajima A, Hi guchi T , Yabu H, et al.Hemispherical polymer nano-particles of polyisoprene-poly ( methyl methacrylate) blend with core-shell structu re .Colloids S urf A, 2008, 313:333 [ 7] Qian J, Yuan J, Tuo X L, et al.Characterization of core-shell polysty rene-acryli c acid ( PS-AA) copolymer nanospheres and the selective dissolution of the pore structure.J Chin E lectron Mi￾crosc S oc, 2007, 26( 02) :124 ( 钱骏, 袁俊, 庹新林, 等.聚苯乙烯-丙烯酸共聚物胶体纳米 球核壳结构及其选择性溶解过程的表征.电子显微镜学报, 2007, 26:124) [ 8] Zhu C S .Analysis of Polymer Structures.Beijing :S cience Press, 2004 ( 朱诚身.聚合物结构分析.北京:科学出版社, 2004:448) [ 9] Cédric G, Gilbert F, Christopher J G P .et al.The morphology of submi cron sized core-shell lat ex particles:An electron mi￾croscopy study.Micron , 2007, 38:524 [ 10] Yuan X Y, Huo D X, Zhang L, et al.Effect of temperatu re on film formation of the core-shell latex and properties of the com￾posit e film .Pol ym Mater S ci Eng , 2007, 23( 3) :126 ( 袁显永, 霍东霞, 张丽, 等.温度对核壳胶乳涂膜形成及性 能的影响.高分子材料科学与工程, 2007, 23( 3) :126) ( 上接第 611 页) [ 5] Luo J F, Domf eld D A .Mat erial removal mechanism in chemi cal mechanical polishing :theory and modeling .Trans Semi cond Manu f, 2001, 14( 2) :112 [ 6] Thakurta D G, Borst C L, Schw endeman D W, et al.Three-di￾mensional chemical mechanical planarization slurry flow model based on lubrication theory .J E lectrochem S oc, 2001, 148 ( 4) : 207 [ 7] Lin J F, Chen J D, Chang Y H, et al.Analysis of the tribologi cal mechanism arising in the chemical mechanical polishing of copper￾film w afers.J Tribol, 2004, 126( 1) :185 [ 8] Gitis N V, Xiao J, Kumar A, et al.Advanced specification and tests of CMP ret aining rings∥Proceedings of the 2004 CMP-MIC Conf erence .Marina Del Ray, 2004:252 [ 9] Muldow ney G P, James D B.Charact erization of CMP pad sur￾face t exture and pad-wafer con tact.Mater Res Soc Sym p Proc, 2004, 816:147 [ 10] Moinpour M, T regub A, Oehler A, et al.Advances in charac￾terization of CMP consumables.MRS Bu ll, 2002, 27:766 第 5 期 曾晓翘等:丙烯酸酯系互穿网络聚合物乳液的微观形貌 · 617 ·