前言

       化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)是半導(dǎo)體晶片表面加工的關(guān)鍵技術(shù)之一,并用于集成電路制造過(guò)程的各階段表面平整化,近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。在CMP過(guò)程中,拋光墊具有儲(chǔ)存、運(yùn)輸拋光液、去除加工殘余物質(zhì)、傳遞機(jī)械載荷及維持拋光環(huán)境等功能。隨著CMP過(guò)程的不斷進(jìn)行,拋光墊的物理及化學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化,表現(xiàn)為拋光墊表面產(chǎn)生殘余物質(zhì),微孔的體積縮小、數(shù)量減少,表面粗糙度降低,表面發(fā)生分子重組現(xiàn)象,形成一定厚度的釉化層,導(dǎo)致拋光效率和拋光質(zhì)量的降低。為了消除以上現(xiàn)象,必須對(duì)拋光墊進(jìn)行修整。合理的修整不僅可以改善拋光效果，還可以提高其使用壽命，降低拋光成本。

       從修整方式的角度來(lái)看，拋光墊分為自修整拋光墊和非自修整拋光墊。自修拋光墊將磨料嵌入到拋光墊內(nèi)部，在拋光過(guò)程中，舊磨料借助于拋光墊于晶片之間的摩擦力，自動(dòng)脫離拋光表面，使得新磨料暴露出來(lái)，所以該種拋光墊具有自動(dòng)修復(fù)功能。這種自修整拋光墊目前還未得到廣泛應(yīng)用，絕大多數(shù)拋光墊均需要進(jìn)行離線(xiàn)或者在線(xiàn)修整。但目前關(guān)于拋光墊修整的研究很少，尚未形成完整的理論，主要研究者ATI(Abrasive Technology Inc)、AppliedMaterial，Inc和3M公司，修整器及其修整工藝參數(shù)作為公司內(nèi)部機(jī)密未作詳細(xì)說(shuō)明。本文著重介紹不同類(lèi)型整修器及其相關(guān)修整工藝參數(shù)對(duì)修整效果影響規(guī)律的研究結(jié)果，從而為拋光墊的合理修整提供依據(jù)。

       1 修整器性能參數(shù)對(duì)修整效果的影響

       目前，最常用的修整器是金剛石修整器。金剛石顆粒的性能參數(shù)（包括類(lèi)型。尺寸、形狀及粘結(jié)力等）、排列方式及胎體材料對(duì)修正效果有重要影響。

       1.1 金剛石顆粒的參數(shù)對(duì)修整效果的影響

       金剛石顆粒的參數(shù)包括金剛石顆粒的類(lèi)型、尺寸、形狀及粘結(jié)力等多個(gè)方面。分析和評(píng)價(jià)每一個(gè)因素對(duì)拋光墊性能及拋光效果的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常復(fù)雜,目前幾乎只有ATI等公司在進(jìn)行。但考慮到商業(yè)保密,大部分有關(guān)金剛石顆粒的實(shí)驗(yàn)參數(shù)未予公開(kāi)。

       在金剛石修整器修整效率的評(píng)價(jià)方面,Prabhu等提出采用RAS(relative abrasive sharpness)值作為修整效率的評(píng)價(jià)指標(biāo),并指出RAS與修整效率成線(xiàn)性關(guān)系。RAS與修整器和拋光墊兩者之間的摩擦力相關(guān),RAS與修整效率之間的線(xiàn)性關(guān)系在后續(xù)很多實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。但RAS的測(cè)量方法及裝置未做詳細(xì)說(shuō)明。

       不同金剛石顆粒類(lèi)型對(duì)修整效率產(chǎn)生不同影響。Bubnick等采用三種不同類(lèi)型的顆粒進(jìn)行修整實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),修整效率相差2.6倍左右,RAS值越大,其修整效率越高。

       不同金剛石顆粒的尺寸、形狀對(duì)修整效果產(chǎn)生不同影響。隨著金剛石顆粒尺寸的增大,修整效率提高, 所獲得的拋光墊表面粗糙度大,表面凹坑多,容易產(chǎn)生劃痕等缺陷,拋光效果不理想。但顆粒尺寸過(guò)小時(shí), 難以去除拋光墊表面的釉化層。Bubnick采用A、B、C和D四種不同顆粒形狀(具體形狀未作說(shuō)明)的金剛石修整器進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，RAS和修整效率出現(xiàn)很大差別，但RAS與修整效率之間仍存在線(xiàn)性關(guān)系。

       金剛石顆粒與胎體之間的粘結(jié)力會(huì)對(duì)修整效果產(chǎn)生影響。目前金剛石顆粒和胎體之間的粘結(jié)主要采用電鍍鎳(EP)等方法，在修整過(guò)程中，該方法容易造成金剛石顆粒的自由脫落，從而使得修整效率降低，修整器的使用壽命縮短，還會(huì)影響拋光效果。ATI公司采用一種P.B.S.m新技術(shù)來(lái)制備金剛石修整器，金剛石顆粒與胎體之間依靠化學(xué)。冶金的原理來(lái)粘結(jié)。將該兩種修整器進(jìn)行修整實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比單位面積金剛石顆粒的脫落數(shù)量發(fā)現(xiàn)，第二種方法的金剛石顆粒幾乎不存在脫落現(xiàn)象，說(shuō)明粘結(jié)力顯著增強(qiáng)，如圖1、2所示。所以粘結(jié)力的增大，有利于提高修整效率和修整器的使用壽命。

       1.2 金剛石顆粒的排列方式對(duì)修整效果的影響

       常見(jiàn)金剛石顆粒的排列方式有三種:隨機(jī)排列、簇?fù)砼帕屑熬鶆蚺帕?如圖3、4所示。不同的排列方式會(huì)對(duì)拋光墊性能及拋光效果產(chǎn)生不同影響。

       簇?fù)砼帕械慕饎偸拚鲗?duì)拋光墊修整時(shí),動(dòng)靜態(tài)摩擦系數(shù)最大,修整效率最高,但容易產(chǎn)生拋光墊的過(guò)度磨損,導(dǎo)致使用壽命的降低。均勻排列的金剛石修整器對(duì)拋光墊修整時(shí),動(dòng)靜態(tài)摩擦系數(shù)最小,修整效率最低，僅為簇?fù)砼帕械?5%。但由于金剛石顆粒排列比較規(guī)則,易于表面溝槽的形成。隨機(jī)排列方式是由簇?fù)砼帕泻途鶆蚺帕谢旌隙?所以該類(lèi)型金剛石修整器的修整性能位于前兩者之間。

       相對(duì)于簇?fù)硎脚帕?拋光墊經(jīng)過(guò)均勻排列的金剛石修整器的修整后,拋光效率提高了35%,表面不均勻性降低,表面刮痕等缺陷減少,使用壽命大幅度提高。其原因是修整后的拋光墊表面出現(xiàn)了一層比較均勻、堅(jiān)韌、厚實(shí)的微凸峰,能夠承受比較大的載荷,同時(shí)表面溝槽的形成有利于容納、清除加工殘余物質(zhì)以及拋光液的快速輸送和均勻分布,從而改善了拋光效果。

       1.3 金剛石修整器的胎體材料對(duì)修整效果的影響

       隨著CMP的應(yīng)用從氧化物發(fā)展到鎢、銅等金屬材料時(shí),拋光液的pH值呈強(qiáng)酸性,具有很強(qiáng)的腐蝕性,這就要求修整器不僅具有機(jī)械磨削功能,還必須具有很強(qiáng)的抵抗化學(xué)腐蝕的能力。尤其是對(duì)拋光墊進(jìn)行在線(xiàn)修整,修整器的抗腐蝕性更為重要。但現(xiàn)有的大多數(shù)金剛石修整器都是將金剛石顆粒通過(guò)電鍍、銅焊或燒結(jié)等辦法粘結(jié)到金屬材料胎體上,并不具備抗腐蝕能力。隨著胎體材料的腐蝕,金剛石顆粒脫落胎體,不僅會(huì)影響修整效果,縮短了修整器的使用壽命,還會(huì)給嚴(yán)重影響拋光效果。為了增強(qiáng)金剛石修整器的抗腐蝕能力,McGregor等選用陶瓷作為胎體材料,制成一個(gè)超平的修整面,并將金剛石顆粒均勻地粘結(jié)到胎體上，如圖5所示。

       經(jīng)酸性溶液(硝酸鐵溶液)的浸泡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該修整器未發(fā)生腐蝕和金剛石顆粒脫落等現(xiàn)象,具有非常強(qiáng)的抗腐蝕能力。經(jīng)修整實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相對(duì)于傳統(tǒng)的修整器, 該修整器的修整效率基本相同,但由于其修整面更加平整,使得更多的金剛石顆粒與待修整面接觸,所以能夠獲得比較好的平面度,同時(shí)降低了金剛石顆粒的磨損量(大約為傳統(tǒng)修整器的金剛石顆粒磨損量的50%),提高了修整器的使用壽命。

       2 修整工藝參數(shù)對(duì)修整效果的影響

       2.1 修整壓力及轉(zhuǎn)速對(duì)修整效果的影響

       當(dāng)修整壓力較小時(shí),金剛石顆粒嵌入拋光墊的深度較小,不利于拋光墊表面釉化層的完全去除,表面微孔仍有堵塞,修整效率較低;隨著修整壓力的增大,去除厚度增大,修整效率提高,且表面均勻分布的微孔數(shù)量增大,有利于容納拋光液和加工殘余物質(zhì),從而改善拋光效果;但壓力過(guò)大時(shí),容易造成拋光墊嚴(yán)重磨損,降低其使用壽命,且壓力過(guò)大也會(huì)使修整器產(chǎn)生振動(dòng), 影響修整效果。當(dāng)修整器轉(zhuǎn)速增加時(shí),不僅可以提高單位時(shí)間內(nèi)拋光墊與金剛石顆粒之間發(fā)生機(jī)械摩擦的次數(shù),還可以增大兩者之間的摩擦力,從而提高修整效率。總的看來(lái),拋光墊修整時(shí),修整壓力及轉(zhuǎn)速對(duì)修整效果的影響基本符合Preston方程的趨勢(shì)。

       2.2 修整溫度對(duì)修整效果的影響

       修整溫度對(duì)拋光墊的溝槽、微孔及硬度會(huì)產(chǎn)生重要影響,并最終影響拋光效果。

       當(dāng)拋光墊未修整時(shí),加工殘余物質(zhì)填滿(mǎn)了溝槽,阻礙了拋光液的輸送,如圖6(a);對(duì)拋光墊進(jìn)行修整時(shí),隨著修整溫度的升高,溝槽內(nèi)部殘余物質(zhì)逐漸去除,溝槽寬度逐漸擴(kuò)大,如圖6(b)和6(c);當(dāng)修整溫度達(dá)到80e時(shí),溝槽底部及兩側(cè)的殘余物質(zhì)完全去除,槽壁比較平整,溝槽寬度達(dá)到最大值,有利于拋光液的輸送,如圖6(d)。

       不同修整溫度下,拋光墊表面微孔的變化過(guò)程與溝槽類(lèi)似。未修整時(shí),加工殘余物質(zhì)和廢舊拋光液充滿(mǎn)了微孔,如圖7(a);隨著修整溫度的升高,雖然微孔尺寸增大,孔內(nèi)殘余物質(zhì)減少,容納的拋光液增多,但微孔的形狀不規(guī)則,分布不均勻,如圖7(b)和7(c);當(dāng)溫度達(dá)到80e時(shí),拋光墊表面的微孔內(nèi)的殘余物質(zhì)被全部去除,充滿(mǎn)了新的拋光液,且微孔形狀比較規(guī)則,分布均勻,如圖7(d)。所以經(jīng)過(guò)高溫修整后的拋光墊,由于溝槽和微孔的存在,使得拋光液自由輸送,可以提高拋光效率,同時(shí)獲得比較好的表面平整度。

       修整溫度的變化還會(huì)導(dǎo)致拋光墊彈性模量的改變。隨著溫度的升高,拋光墊的彈性模量大幅度減小,硬度降低,經(jīng)拋光實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),所獲得的加工表面比較平整,未出現(xiàn)表面缺陷及刮痕,從而有效地改善拋光質(zhì)量。

       2.3 修整密度對(duì)修整效果的影響

       修整密度(Condition ing Density)是指拋光墊上某點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)修整的次數(shù),其定義如下:

       CD=1/VarmRpad

       其中,CD為修整密度,Varm為修整器的徑向移動(dòng)速度,Rpad為該點(diǎn)到拋光墊圓心的距離。從公式可以看出Varm為定值時(shí)，修整密度隨著Varm發(fā)生變化，所以?huà)伖鈮|中間部分修整密度大,邊緣部分修整密度小,這種修整方式稱(chēng)為過(guò)程修整;如果適當(dāng)改變Varm值,就可以使得拋光墊上各部分的修整密度保持定值,這種修整方式稱(chēng)為平坦修整。

       經(jīng)修整實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),拋光墊的磨損率與修整密度成正比,因此過(guò)程修整時(shí),拋光墊中間部分修整量較大,邊緣修整量較小,導(dǎo)致表面平面度不理想;而采用平坦修整時(shí),拋光墊各部分的修整量大體一致。經(jīng)粗糙度分析發(fā)現(xiàn),相對(duì)于過(guò)程修整,平坦修整后的拋光墊表面粗糙度比較小,各點(diǎn)處的波峰、波谷值變化較小。經(jīng)釉化層分析發(fā)現(xiàn),過(guò)程修整后,拋光墊中間部分修整密度大,去除的釉化層厚度較大,外圍部分去除的釉化層厚度較小;而平坦修整后,拋光墊各釉化層去除厚度基本一致。考慮到CMP過(guò)程中,作為主要加工區(qū)域的拋光墊中間部分,發(fā)生磨損、變形及釉化層等現(xiàn)象比較嚴(yán)重,是重點(diǎn)修整區(qū)域,因此過(guò)程修整方式適合于離線(xiàn)修整的粗修階段,平坦修整方式適合于離線(xiàn)修整的精修階段。

       此外,金剛石顆粒的刮除速度、嵌入深度及角度、修整時(shí)間及其間隔、修整器的徑向移動(dòng)速度等工藝參數(shù)均會(huì)對(duì)修整效果產(chǎn)生影響,但有待進(jìn)一步研究。

       3 金剛石修整器的發(fā)展趨勢(shì)

       化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)金剛石修整器的性能提出了更高的要求：

       1)金剛石顆粒不能脫落。在線(xiàn)修整過(guò)程中,金剛石顆粒的脫落會(huì)導(dǎo)致晶片和拋光墊的表面產(chǎn)生比較深的劃痕,表面缺陷比較嚴(yán)重。怎樣增大金剛石顆粒與胎體之間的粘結(jié)力,是金剛石修整器制備過(guò)程中必須解決的問(wèn)題之一。減少金剛石顆粒的脫落,不僅可以改善拋光效果,還可以大幅度提高修整器的使用壽命,降低生產(chǎn)成本。

       (2)金剛石顆粒的排列方式必須均勻且規(guī)則。金剛石顆粒均勻排列的修整器能獲得比較理想的修整效果,使得CMP過(guò)程保持穩(wěn)定,從而有效改善拋光效果。目前經(jīng)常使用的均勻排列方式有矩陣式排列和同心圓排列。

        (3)修整器具有較長(zhǎng)的使用壽命。CMP過(guò)程中使用的一些拋光液酸度很高,會(huì)對(duì)修整器的胎體材料產(chǎn)生腐蝕作用,造成金剛石顆粒的脫落。因此要提高修整器的使用壽命,降低拋光成本,必須改善胎體的性能,如選用陶瓷作為胎體材料,或者采用樹(shù)脂涂覆的方法強(qiáng)化胎體性能等。

       可以看到1#結(jié)合劑和主晶相為玻璃相,有少量的磷石英存在,5#結(jié)合劑的晶相為純玻璃相。對(duì)于1#結(jié)合劑當(dāng)升溫至100e以上時(shí)結(jié)合劑中的磷石英發(fā)生晶型轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生0.2%的體積膨脹效應(yīng),因此1#結(jié)合劑在140e~170e溫度區(qū)間內(nèi)體積迅速增大;5#結(jié)合劑為玻璃相,在整個(gè)測(cè)試溫區(qū)內(nèi)沒(méi)有相變因此膨脹系數(shù)沒(méi)有明顯變化。由實(shí)驗(yàn)分析我們可以得出這樣的結(jié)論:在該實(shí)驗(yàn)的結(jié)合劑體系中,Na2O是從兩方面對(duì)結(jié)合劑膨脹系數(shù)產(chǎn)生影響。一方面,結(jié)合劑中Na2O含量的提高,增加了結(jié)合劑體系中自由氧的含量,破壞了結(jié)合劑中Si、O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使膨脹系數(shù)增大;另一方面當(dāng)結(jié)合劑中Na2O含量較低時(shí),Na2O的加入可以抑制結(jié)合劑中析出磷石英,這有利于結(jié)合劑膨脹系數(shù)的減小。兩方面共同作用的結(jié)果如圖5所示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,當(dāng)Na2O含量較低時(shí)結(jié)合劑的平均膨脹系數(shù)隨Na2O含量的提高增加緩慢,當(dāng)Na2O含量較高(摩爾比大于0.2時(shí))膨脹系數(shù)隨Na2O含量的提高迅速增加。

       3 結(jié)論

       在B2O3-SIO2-AI2O3-Na2O體系的金剛石砂輪陶瓷結(jié)合劑中，結(jié)合劑的耐火度隨Na2O含量的增加而降低；結(jié)合劑中Na2O含量對(duì)由結(jié)合劑和金剛石磨料制得力學(xué)試條的強(qiáng)度有很大影響,當(dāng)結(jié)合劑Na2O含量較低時(shí),隨Na2O含量的增加,力學(xué)試樣抗彎強(qiáng)度提高。當(dāng)Na2O/(B2O3+Al2O3)的摩爾比為0.5時(shí),試樣的抗折強(qiáng)度最高為70MPa。同時(shí)              Na2O含量對(duì)結(jié)合劑20e~500e平均熱膨脹系數(shù)也有影響,當(dāng)Na2O含量較低時(shí)結(jié)合劑的平均膨脹系數(shù)隨Na2O含量的提高增加緩慢,當(dāng)Na2O含量較高(摩爾比大于0.2時(shí))膨脹系數(shù)隨Na2O含量的提高迅速增加