應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文24054

1、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)機械拋光原理及其漿料研究目：化學(xué)機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：級：08 級應(yīng)用物理級應(yīng)用物理 化學(xué)機械拋光原理及其漿料研究化學(xué)機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)致人們對電 子元件表面的平整度和光潔性的要求越來越高。為了滿足這一要求，使得人們對 化學(xué)機械拋光技術(shù)（cmp）的研究力度不斷加大。本文主要對對化學(xué)機械拋光技 術(shù)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、拋光磨料及漿料的制備以及材料去除機理作了研究與分析。 在化學(xué)機械拋光技術(shù)中，漿料的選擇決定著是否能夠得到高平

2、整性與高光潔 度的拋光元件表面。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：單磨料、混合磨料、復(fù)合磨料。本文主要研究了 sio2、al2o3、ceo2三種單磨料的特點和制備方法，介紹了混合磨料、復(fù)合磨料 的特點。 對 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理模型。由分析結(jié)果可知，通過設(shè) 定化學(xué)機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)生的摩擦力來提高化學(xué)機械拋光的

3、拋 光能力，以得到擁有更高平整度和光潔度的元件表面。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：化學(xué)機械拋光、磨料、漿料、去除機理模型 abstract keywords: chemical mechanical polishing, polishing solution , polishing removal mechanism model 目錄目錄 摘摘 要要.i abstract .ii 第一章第一章 引言引言 .1 1.1 化學(xué)機械拋光及其原理.1 1.2 化學(xué)機械拋光技術(shù)的發(fā)展.2 第二章第二章 國內(nèi)外對拋光漿料的研究現(xiàn)狀及漿料的制備國內(nèi)外對拋光漿料的研究現(xiàn)狀及漿料的制備 .3 2.1 拋光漿料簡介.3 2.

4、2 國內(nèi)外對拋光漿料的研究.3 2.3 漿料制備方法.5 第三章第三章 sio2、al2o3、ceo2磨料的簡介與其制備方法磨料的簡介與其制備方法.6 3.1 單磨料的特點.6 3.1.1 對 sio2磨料的研究.6 3.1.2 對 al2o3磨料的研究.8 3.1.3 對 ceo2磨料的研究.10 3.2 混合磨料的特點.12 3.3 復(fù)合磨料的特點.12 第四章第四章 化學(xué)機械拋光技術(shù)的拋光機理和模型構(gòu)建化學(xué)機械拋光技術(shù)的拋光機理和模型構(gòu)建 .13 4.1 化學(xué)機械拋光機械去除機理模型概述.13 4.2 cmp 拋光機理模型舉例.13 4.3 cmp 去除機理模型分析.14 4.3.1 基

5、于摩擦力學(xué)原理的典型模型的分析.14 4.3.2 基于流體力學(xué)原理的典型模型的分析.19 結(jié)結(jié) 論論 .23 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .24 致致 謝謝 .26 第一章第一章 引言引言 在 20 世紀(jì) 60 年代以前，對于各種材料工件拋光還大都沿用單獨的機械拋光 或者化學(xué)拋光。機械拋光主要是采用氧化鎂、氧化鋯等拋光顆粒以機械研磨的方 式對工件進(jìn)行拋光，盡管機械拋光的速率很高，但是這種方法對拋光元件的表面 損傷常常是非常嚴(yán)重的。同時對于化學(xué)拋光來說，這種方法是以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)， 因此其對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

6、間一般都較長，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，原有的拋光方法已不能滿足需求，這就迫使人們不得不對拋光方法進(jìn) 行改進(jìn)。因此人們便開始嘗試各種各樣的拋光方法，這時便有人將機械拋光與化 學(xué)拋光結(jié)合起來，化學(xué)機械拋光技術(shù)（cmp）便出現(xiàn)了。并且在 1965 年，由 monsanto 第一次提出了化學(xué)機械拋光（cmp）這一概念1。 1.11.1 化學(xué)機械拋光及其原理化學(xué)機械拋光及其原理 cmp 技術(shù)將機械拋光和化學(xué)拋光的各自優(yōu)點結(jié)合起來，使之進(jìn)行拋光時，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

7、局平坦化的唯一有效方法2。化學(xué)機械拋光技術(shù)首先利用拋光 液中的催化劑、表面活性劑、氧化劑、流動改進(jìn)劑、穩(wěn)定劑等成分與元件表面的 原子進(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)到對元件表面進(jìn)行拋光的目的。以化學(xué)機械拋光原理為基礎(chǔ) 的簡易拋光機如圖 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） 化學(xué)機械拋光裝置的基本組成部分是一個轉(zhuǎn)動著的圓盤和一個被拋光電子元 件固定裝置。這兩個裝置都可施力于電

8、子元件晶片并使其旋轉(zhuǎn)，在拋光液的潤滑 下完成拋光。用一個自動研磨漿料添加系統(tǒng)就可以保正拋光墊濕潤程度保持均勻， 同時適當(dāng)?shù)厮腿胄卵心{料以保持漿料的成分不變。 1.21.2 化學(xué)機械拋光技術(shù)的發(fā)展化學(xué)機械拋光技術(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)對硅元件表面拋光精度的要求，人們開始大 力研究化學(xué)機械拋光這一方法，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。一般來說， 在各種規(guī)模集成電

9、路上，至少有一萬個以上的元件。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)。但多層布線技術(shù)對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)機械拋光技 術(shù)不但能實現(xiàn)電子元件表面的全程平坦化，而且其優(yōu)點也很多，如加工簡單、成 本低?？紤]到化學(xué)機械拋光技術(shù)的一系列的優(yōu)點，使得這一技術(shù)在 80 年代得到 了各個大公司（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)機械拋光技

10、術(shù)在美國的生產(chǎn)廠家已經(jīng)將此技術(shù)實用化 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)來進(jìn) 行半導(dǎo)體元件的加工。并隨著機械拋光技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也越 來越廣，如磁頭、光學(xué)玻璃、金屬材料等表面的拋光領(lǐng)域。但總的來說，化學(xué)機 械拋光技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個主要階段：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象。 第二章第二章 國內(nèi)外對拋光漿料的研究現(xiàn)狀及漿料的制備國內(nèi)外對拋光漿料的研究現(xiàn)狀及漿料的制備 2.12.1 拋光漿料簡介拋光漿料簡介 拋光漿料（拋光液）作為化

11、學(xué)機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。 一般來說，化學(xué)機械拋光漿料由拋光磨料、去離子水、催化劑、表面活性劑、 氧化劑、ph 值調(diào)節(jié)劑、流動改進(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。對硅晶片表面進(jìn)行拋光時，為了使 機械去除時的操作和效果更好，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

12、 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金屬元件進(jìn)行拋光，堿性拋光液主要是 對非金屬元件（如硅晶片）進(jìn)行化學(xué)機械拋光。 從以上分析可知，影響拋光效果的主要因素包括：拋光漿料中的拋光漿料、 拋光液的 ph 值等；同時拋光漿液在使用過程中的溫度與供給速度也會影響拋光 效果。 現(xiàn)代的化學(xué)機械拋光技術(shù)主要對拋光漿料有以下要求：無層錯、流動性好、 硅片表面品質(zhì)好、低殘留、懸浮性能好、易清洗、無毒、拋光速度快、不易沉淀 和結(jié)塊等4。由于國內(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

13、。而對于拋 光液的配方，卻都以商業(yè)機密的形勢進(jìn)行了保密。因而在此只能簡要地介紹國內(nèi) 與國外對于拋光漿料的一些研究。 2.22.2 國內(nèi)外對拋光漿料的研究國內(nèi)外對拋光漿料的研究 李薇薇等人5以化學(xué)機械拋光動力學(xué)過程以及阻擋層化學(xué)機械拋光機理為基 礎(chǔ)，通過實驗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)機械拋光會獲得比使用國際普遍采用的磨料粒徑大小（50-70nm）更好的 拋光效果。并同時研究了拋光液的流速對拋光效果的影響。其實驗所用的磨料 sio2膠體的 tem 照片如圖 2.1 所示 圖 2.1 sio2膠體的 tem 照片 由于計算機的磁盤與磁頭之間的間隙越來越小，為了

14、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)機械拋光，并且得到了已知報道以來硬盤表面最低的平均粗糙度和 波紋度。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 cu 布線拋光的一些工藝參 數(shù)。d.s.li

15、m 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顆粒的粒徑大小對化學(xué)機械拋光的影響。y.h.kim 等9研 究了納米稀土材料 ceo2的晶體結(jié)構(gòu)對化學(xué)機械拋光性能的影響。 雖然國外對 cmp 拋光液的研究比較早，且很多成果都已經(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

16、潤濕；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 或者單獨的原生粒子；最后，將更小層次的團(tuán)聚體或者單獨的原生粒子用穩(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。但拋光漿料的性質(zhì)還會 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進(jìn)行介紹。 第三章第三章 sio2、al2o3、ceo2磨料的簡介與其制備方法磨料的簡介與其制備方法 3.13.1 單磨料的特點單磨料的特點 單磨料漿料是指在拋光液中只含有一種無機粒子，如 sio2、

17、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。 例如 sio2拋光磨料以其機械磨損性能較好、耐腐蝕、抗氧化、分散性好、來 源廣泛等優(yōu)點，受到拋光材料界的青睞。但其的缺點也是不可忽略的，最主要的 一點是其硬度比較高，在進(jìn)行化學(xué)機械拋光時，非常容易對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二氧化硅磨料 的開發(fā)，其在化學(xué)機械拋光中的地位有時仍是不可替代的。 al2o3則是憑借著其硬度高這一優(yōu)點，被人們應(yīng)用到一些對拋光面的平整度和 光潔性要求較低的領(lǐng)域，比如寶石表面的拋光加

18、工。其缺點也就不言而喻了，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，常常被人們用 于高精度元件表面的拋光，適應(yīng)了時代發(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越受到人們的青睞。而 ceo2主要缺點是其黏度較大，在 進(jìn)行后續(xù)清洗時比較麻煩 。 3.1.1 對對 sio2磨料的研究磨料的研究 一、一、sio2的簡介的簡介 sio2是一種無味、無污染和無毒的一種非金屬功能性材料。且納米 sio2是一 種無定形的白色團(tuán)聚體，因此在化學(xué)機械拋光技術(shù)出現(xiàn)后，與其相對應(yīng)的 sio2拋 光液的開發(fā)也得到了大力的研究。sio2因

19、其機械磨損性能較好、耐腐蝕、抗氧化、 來源廣泛等優(yōu)點，致使其在拋光顆粒家族中占了非常高的比重。 現(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)球 形，且顆粒粒徑分布均勻。 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-凝膠方法因其獨有的各種優(yōu)點，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機鹽為前驅(qū)物（如水玻璃） ，

20、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 機鹽 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）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，且獲得的 sio2粉體

21、為無定形的。 沉淀劑 金屬鹽或無機鹽 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)而形成一個一個的微泡。 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，并且操作 過程比較簡單。 3.1.2 對對 al2o3磨料的研究磨料的研究 一、一、al2o3的簡介：的簡介： al2o3與 sio2一樣是一種無定形的粉狀物，因其穩(wěn)定性好、硬度高、來源廣 等優(yōu)點，在

22、化學(xué)機械拋光的發(fā)展進(jìn)程中，開始被人們用于作為化學(xué)機械拋光的磨 料。隨著人們對 al2o3磨料的認(rèn)識不斷加深，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?，F(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)，都會對化學(xué)機械拋光的拋光效果產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)以亞微米級球形 al2o3粉末或者納米級球形 al2o3粉末作為化學(xué)機械拋光的磨料時，其優(yōu)點是非常 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

23、不次于 sio2磨料。因此，人們開始熱衷于研究微米級球形 al2o3和納米級球形 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。 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，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)行干燥會得到干凝膠，然后對干凝膠進(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

24、 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。 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 對對 ceo2磨料的研究磨料的研究 一、一、ceo2的簡介的簡介 稀土元素鈰是人們認(rèn)識稀土元素后應(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

25、以氧化物、氟化物等的形式存在。因此，人們對其 氧化物二氧化鈰的研究較多。 作為一種廉價的稀土氧化物，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)機械拋光、防曬劑等。本文主要研究 ceo2作為化學(xué)機械拋光中的拋光磨料 時的各種性質(zhì)。 ceo2以其強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 械拋光磨料家族中新成員。由于 ceo2相對來說比較柔軟，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) 點使的 ceo2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 械拋光磨料。 二、二、ceo2磨料的制備方法磨料的制備方法 (

26、1)溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠法作為制備化學(xué)機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，繼而對溶膠進(jìn)行老化生成 ceo2凝膠，在對凝膠進(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、 顆粒均勻性好等優(yōu)點。 (2)水熱法 水熱法從總體上來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制備 ceo2，該方法主要是先將鈰的化合 物加入去離子水中形成溶液；然后向溶液中滴入酸或者堿，用來析出 ceo2的水 合物沉淀；然后在微

27、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 過濾洗滌 干燥 焙燒 圖 3.7 沉淀法制備二氧化鈰流程圖 （4）噴霧高溫分解

28、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)溶液會被很快的點燃。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 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 混合磨料的特點混合磨料的特點 由于單磨料的各種缺點，有人就開始將兩種或兩種以上磨料(如： zro2、sio2、ceo2、a

29、l2o3、tio2等)混合在一起用來配制漿料，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，是拋光的效果會好于使用單磨料 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驗來進(jìn)行測定且單 磨料的某些缺點也會被帶進(jìn)來，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)合磨料的特點復(fù)合磨料的特點 目前，隨著各種技術(shù)對元件表面的拋光要求的提高，復(fù)合磨料的開發(fā)已然成 為

30、了化學(xué)機械拋光這一領(lǐng)域的研究熱點。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)機械拋光時元件表面的光潔度和平整度，同時提高了化 學(xué)機械拋光的速率。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。 第四章第四章 化學(xué)機械拋光技術(shù)的拋光機理和模型構(gòu)建化學(xué)機械拋光技術(shù)的拋光機理和模型構(gòu)建 4.1

31、 化學(xué)機械拋光機械去除機理模型概述化學(xué)機械拋光機械去除機理模型概述 化學(xué)機械拋光技術(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，其機理模型的建立是非常復(fù)雜的，因而至今仍然沒有一個公認(rèn)的去除 機理模型。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致在國內(nèi)外有非常多的研究員在研究這一領(lǐng) 域?，F(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 個大概的分類，如圖 4.1 所示13。 材 料 去 除 機 理 及 模 型 機 械 作 用 機 理 化 學(xué) 作 用 機 理 全接觸模型 半接觸模型 非接觸模型 其他模型 si 反應(yīng)機理 介電層反應(yīng)機理 互聯(lián)金屬反應(yīng)機理 阻擋層反應(yīng)機理 接觸力學(xué)理論

32、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)理論模型 基于堿 性拋光 液反應(yīng) 機理 基于酸 性拋光 液反應(yīng) 機理 基于 硬拋 光墊 模型 基于 軟拋 光墊 模型 4.1 材料去除機理及模型分類 4.2 cmp 拋光機理模型舉例拋光機理模型舉例 研究員們早在 1995 年就發(fā)表過一篇關(guān)于建立化學(xué)機械拋光去除機理模型的綜 述。他們逐個列舉了已建立的 cmp 去除機理模型，這些模型針對各自所作的假 設(shè)，總結(jié)出了一些相對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，電子元件和拋光墊完全接觸，則整

33、個化學(xué) 機械拋光過程為全接觸形式，可以運用接觸力學(xué)原理來建立化學(xué)機械拋光技術(shù)中 機械去除模型；若前者比后者大時，拋光過程可以被認(rèn)為是不接觸的，則可被稱 之為完全流體潤滑，繼而可用流體動力學(xué)原理來化學(xué)機械拋光技術(shù)中機械去除模 型；當(dāng)電子元件和拋光墊之間部分接觸時，則化學(xué)機械拋光過程中為半接觸形式， 即可用接觸力學(xué)和流體動力學(xué)來建立化學(xué)機械拋光技術(shù)中機械去除模型。接下來 對化學(xué)機械拋光的機械去除模型進(jìn)行簡要介紹。 由普雷斯頓方程可知，在化學(xué)機械拋光的過程中，可以通過控制施加于拋光 區(qū)域壓強的大小來提高拋光效果。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)載來對被拋光元件表

34、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)。在這個假設(shè)的基礎(chǔ)上，華等人測定在不同加載區(qū)域下施 加負(fù)載時，拋光面所受壓強的分布情況，并通過大量的實驗數(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，對圓平動拋光過程中的速度運動關(guān)系進(jìn)行了研究，進(jìn)而提升整個圓平動拋光 的效果。但其模型中沒有考慮溫度的變化，計算結(jié)果會產(chǎn)生一定的誤差。 張朝輝，雒建斌17通過研究多孔結(jié)構(gòu)的拋光墊對化學(xué)機械拋光流動性的影響， 提出了用于化學(xué)機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

35、以提高拋光元件的表面去除率。 4.3 cmp 去除機理模型去除機理模型分析分析 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)機械拋光材料去除機 理研究18中硅片化學(xué)機械拋光過程中摩擦力的研究，以說明摩擦力對化學(xué)機械 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)機械拋光流動性能分析 19中提出的基于流體力學(xué)原理建立的牛頓流體潤滑方程，并通過潤滑方程分析了 化學(xué)機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

36、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，假設(shè) ow為拋光元件的中心， 并且其初始的位置在點 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 o2的偏心距，在拋光過程中，拋光頭會帶著拋光元件以點 o2為中心在 x 軸上做直線往復(fù)運動。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

37、光墊的摩擦力為 df1q、df2q。df1q為假設(shè)硅片靜 12o qo 止，拋光墊旋轉(zhuǎn)時給 q 點的摩擦力；df2q為假設(shè)拋光墊靜止，硅片旋轉(zhuǎn)時給 q 點的摩擦力。 為了便于計算，設(shè)硅片的半徑為 r；硅片上的平均工作壓強為 p0?，F(xiàn)假設(shè)化 學(xué)機械拋光過程中拋光墊與工件摩擦?xí)r的摩擦系數(shù) j 與相對速度 v 的關(guān)系為： （4.1） m jkv k: 系統(tǒng)摩擦系數(shù)因子(與拋光過程的各個參數(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)時給 q 點的摩擦力為： ddr r pr knjf i ip i qm 0 11 )( d （4.2） 當(dāng)拋光墊靜止，硅片靜止是給 q

38、 點的摩擦力為： ddr r pr njf i m iw i q )( kd 0 22 （4.3） 注： n 為硅片上平均工作壓力 壓力與壓強的關(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： cos2 222 iii ererr （4.4） 現(xiàn)設(shè) ， 0 12 90d qqdf fq 12 oqdf q 則在三角形 o1qo2中，有正弦定理可得 )90sin()sin(sin i 0 21 e qoo er i r e sin cos （4.5） 將 df1q分解到徑向 (如圖 4.3)可得 q r q df df 1 1 cos ddre r p

39、r kdff i m i m p i q r q sincosd 1 0 11 （4.6） 圖 4.3 將 df1q 分解到切向（如圖 4.4）可得 q t q df f 1 1 d cos qq t q dfdfdf 111 sincos （4.7） 由幾何關(guān)系可知： 2 cos1sin （4.8） 將 4.4 式、4.5 式帶入 4.8 式可得 i i r r cose sin （4.9） 由 4.7 式和 4.9 式可得出 ddrre r df ii m i m p t q cos pr k 1 0i 1 （4.10） 圖 4.4 當(dāng)不考慮拋光頭擺動的影響時，可得 q 點的徑向合力（如圖

40、 4.5） (4.11) ddre r pr kf i m i m p i qr sind 1 0 注：由于，則 df2q在徑向無分力。 0 22 90dqof q q 點的切向合力為： qqtqt dfff 21 dd ddr r re r r kpdf i m w m i i m i m p i qt 1 1 0 cos （4.12） 圖 4.5 進(jìn)而可以得到在進(jìn)行化學(xué)機械拋光時硅片表面 q 點的摩擦力（如圖 4.6 所示） 現(xiàn)設(shè) x 軸的正向為正方向，y 軸的正向為正方向，則可得 df1q 在 x 軸和 y 軸的分 力分別為 （x 方向） ddr r pr f i m i m p i s

41、ink 1 0 2 1 （y 方向） ddrer r pr kf ii m i m p i cos 1 0 2 圖 4.6 df2q在 x 軸和 y 軸的分力分別為 （x 方向） ddr r pr f i m iw i sink 0 3 （y 方向） ddr r pr kf i m iw i cos 0 4 從而可以得到 ddr r rr kpffdf i m ip i m w m i x q sin0 1 21 31 （4.13） ddr r r err kpfff i m w m i m i m w ii qy coscos d 1 1 042 （4.14） 由 4.13、4.14 兩式可

42、得硅片上所受的摩擦力為： 0 cos2 1 2 00 1 22 2 0 ddr erer r kpf i r m ii i m p x （4.15） 注：不論是硅片旋轉(zhuǎn)還是拋光墊旋轉(zhuǎn)，在 x 軸上都會產(chǎn)生一系列的兩個大小相同 但方向相反的作用力，因此 fx=0。 ddr erer err kpf i r m ii ii m p 2 00 1 2 0y cos2 cos1 （4.16） 通過以上計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 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)速對摩擦力的影響是非常小的。由于 p0、

43、可人為設(shè)定， p w p 并且 k 可通過實驗得到，因此我們可以分析不同壓強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)機械拋光系統(tǒng)，進(jìn)而得到 更好地拋光效果。 4.3.2 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。 現(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，其分析過程的簡略圖如 圖 4.7 所示。 圖 4.7 分析過程簡略圖 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 z w z w

44、zz 注：為切應(yīng)力（壓強） 又由于壓力 p 與壓強的量綱是相同的，r 與 z 的長度量綱也是相同的，則由量 綱分析可知 徑向的壓強的梯度為 z w z p r （4.17） 同理，周向的壓強梯度為 zz p r 1 （4.18） z 方向的壓強梯度為 0 z p 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： 1 12 h 2 1 w h ww zz r p w （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： 1 12 h r 1 2 1 u h uu z p （4.20） 注：u1為晶片表面上的周向速度。

45、 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)h ww r ph wdz h r 212 q 21 3 0 周向的流量為： h uup r h dzq h 2 1 12 21 3 0 （4.22） 由質(zhì)量守恒方程可知 (4.23)0 1 zrr w 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 hh dz r wdz 00 0 1 r （4.24） 將 4.21 與 4.22 式帶入 4.24 可得 0 2 1 12 1 212r 21 3 21 3 h uup r h r h ww r ph （4.25） 對 4.

46、25 式進(jìn)行化簡可得潤滑方程： h uu r h ww r p r h rr ph r2 1 2 1 12 1 12 2121 33 通過對潤滑方程進(jìn)行無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)各參量來改變壓力的分布，以提高 化學(xué)機械拋光的拋光質(zhì)量。 結(jié)結(jié) 論論 本文主要研究了化學(xué)機械拋光技術(shù)的原理、組成和去除機理模型，從理論上 評價了 cmp 技術(shù)的優(yōu)點。通過了解化學(xué)機械拋光技術(shù)的原理和發(fā)展歷程，對 cmp 技術(shù)有了更深層次的認(rèn)識。 通過對 sio2、al2o3、ceo2三種單磨料、混合磨料、復(fù)合磨料的特點及制備 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。在進(jìn)行化學(xué)機械拋光時，要根據(jù)被拋光元件材料的性質(zhì)來選擇拋光磨料。 對于化學(xué)機械拋光過程中材料去除機理的研究，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理模型。 基于摩擦力學(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 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)速對摩擦