化學機械拋光加工過程中拋光速度對液膜厚度的影響分析
說明：晶片CMP拋光的作用原理和玻璃基板的拋光原理有類同之處，了解晶片拋光原理對薄化玻璃基板拋光有一定的參考價值，本文所選晶片拋光文獻僅供大家參考。
摘要：化學機械拋光過程中拋光工藝參數對拋光液的流動特性有重要影響。採用LIF技術實驗研究拋光參數對拋光液液膜厚度的影響。研究表明。拋光液膜厚度隨著拋光速度的增加而增加。增加的趨勢隨拋光轉速的提高而減緩。同時液膜厚度隨著拋光壓力的增加而減少。通過拋光參數的變化對拋光波流動特性的影響分析，為改善CMP加工工藝提供理論性的依據。
引言
隨著半導體工業的飛速發展，集成電路(Ic)電路的設計線寬進一步的縮小，矽片作為IC晶元的基礎材料，其表面粗糙度和表面平整度成為影響集成電路刻蝕線寬的重要因素之一。化學機械拋光(chemical mechanical polishing)，簡稱CMP，是目前能提供超大規模集成電路(VLSI)製造過程中全面平面化的超精密技術。用這種方法可以真正使整個硅晶片表面平坦化，而且具有方法簡單、加工成本低等優點CMP加工過程中，材料的去除是化學作用和機械作用相互協調的結果，其影響因素很多，且相互關係複雜。而晶片下方拋光液的流動特性(液膜厚度、PH值)直接影響到CMP加工過程中化學作用和機械作用的程度，進而影響到材料去除速率及工件表面質量。因此要CMP加工過程的工件的去除機理進行深入，就必須研究晶片下方拋光液的流動特性。本文通過對CMP加工過程中晶片下拋光液的流動特性的研究，討論拋光轉速和拋光載荷對晶片下拋光液液體薄膜的厚度的影響。由於拋光墊和晶片表面並不是絕對光滑，所以研究拋光液液膜的平均厚度將會比較有代表性。
1、 激光誘導熒光技術(LIF)
由於化學機械拋光過程中晶片與拋光墊緊壓在一起，其間的拋光液液膜厚度只有數十μm，用接觸式的方法很難對液薄厚度進行在線測量，因此本研究採用激光誘導熒光技術(LIF)對CMP過程中試件下方拋光液的液膜厚度進行觀測，從而分析CMP過程中輸人蔘數對拋光液流場分布的影響。
激光誘導熒光技術是一種在氣體、液體和固體測量中有著廣泛應用的光學技術。UF系統通常包括可調諧激光，增強型CCD相機以及相應的電路和軟體，如圖1所示。測量時拋光液與一種熒光溶液混合標定，並使用拋光液傳輸機構將拋光液送人加工區域。
通過激光照射整個拋光碟，用CCD攝像頭拍攝熒光圖像，通過計算機圖像處理，計算出某處拋光液液膜的厚度，從而得到拋光液的三維分布形狀。應用該技術時，熒光物質將以很小的濃度溶解於拋光液中，幾乎不影響拋光液的流體特性和磨粒的作用，即不影響CMP過程，保證了測量數據的有效性。
圖1 LIF光測實驗裝置原理圖
2、拋光液液膜厚度的標定
制定標準曲線目的就是找到一個直接的熒光強度與液膜厚度的數值對應關係。將2塊透明的圓形玻璃片疊在一起至於實驗台上，並在縫隙的2端各放一片塞規，左側塞規1厚度為15 μm，右側塞規2厚度為90 μm，這樣2片玻璃之間形成一個從左到右高度逐漸增加的楔形槽，在槽里均勻地充滿濃度為1.5×10-7mol／L的熒光素溶液，用波長為418 nm激光激發此熒光溶液產生熒光。通過CD最後拍攝到如圖3的熒光圖像。圖像處理區是經過塞規1和塞規2中心的一條直徑(黑線所示)。
圖3 標定標準曲線的熒光圖像
圖4 液膜厚度和熒光強度的數值對應關係
圖4為液膜厚度與熒光強度的標定曲線圖。從圖中可以看出，液膜厚度範圍在20一90μm之間，厚度越大熒光強度就越強，並且厚度與熒光強度基本成線性關係。測量CMP過程中液膜厚度時對拍攝得到的熒光圖像進行分析，通過此標定曲線得到晶片下拋光液液膜厚度。CMP過程中拋光液流場的液膜厚度大約在幾十μm，所以熒光素的熒光強度和液膜厚度的這條標準曲線可以完成對CMP加工過程中液膜厚度的測量。
3、拋光轉速對液膜厚度的影響
圖5(a)，圖5(b)和圖5(c)分別為拋光載荷F=30 N，拋光轉速∞為20 r／min，40 r／min，60 r／min，CCD所拍攝到的拋光液的熒光圖像。對實驗中得到的所有熒光圖像進行分析處理可得到如圖6所示拋光轉速與液膜平均厚度的關係。
圖5 三種轉速下熒光圖像
圖6 拋光轉速與平均液膜厚度的關係
從圖6可以看出，拋光載荷越大。所形成的拋光液液膜厚度就越小。當拋光轉速增加，則會造成晶片和拋光墊之間的拋光液增加，拋光液液膜厚度呈現上升的趨勢。這是由於拋光轉速的增加導致拋光液的流動速度增加，從而液膜的支撐力也會增大，這樣就需要拋光液流場通過增加液膜厚度的方式來保持液膜負荷力和拋光載荷相平衡。
隨著拋光速度的增加，平均液膜厚度增加的趨勢變的緩慢。比較不同加工載荷下的液膜厚度變化曲線可以發現，實驗設定的轉速變化範圍內，拋光載荷較大時，液膜厚度增加減緩的趨勢更明顯。這是因為隨著拋光轉速的增加，晶片的旋轉速度增大，拋光液會被甩出工作區域，使得平均液膜厚度增大的趨勢變得緩慢，同時拋光載荷較大時晶片和拋光墊之間的通道尺寸更小，拋光液的補充難以實現，所以下降的趨勢更加明顯。
4、結論
本研究利用激光誘導熒光技術來對晶片下拋光液流場進行可視化研究。通過對比不同拋光速度下液膜的熒光強度，分析了拋光轉速和拋光載荷對液體薄膜厚度的影響。拋光轉速在20～50 r／min的實驗條件下，晶片下形成的液體薄膜平均厚度在30—75 μm範圍內變化，拋光液膜厚度隨著拋光速度的增加而增加，增加的趨勢隨拋光轉速的提高而減緩。這樣減少了晶片與拋光墊表面微觀凸峰接觸的概率，因此在CMP加工過程中提高拋光轉速有利於提高工件的表面加工質量。
（來源：輕工機械，原作者：郁煒、呂迅、樓飛燕）
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