【正文】 水有揮發(fā)性，所以在使用二氧化硅研磨液時(shí)，需使用密閉的研磨液供給系統(tǒng)或者隔離的區(qū)域，保證混合好的研磨液在一定時(shí)間內(nèi)消耗完。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)線大量的數(shù)據(jù)佐證，現(xiàn)在的研磨液對(duì)CMP研磨的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：研磨液使用大顆?；虮砻嬗捕鹊念w粒來(lái)獲取高的研磨速率，這種研磨液雖然可以快速去除材料，但使硅片表面容易造成刮傷，給下道工藝帶來(lái)困難。許多研磨液穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生化學(xué)沉淀、分層，不能長(zhǎng)期存放，在使用前需要長(zhǎng)時(shí)間攪拌。有些研磨液中含有金屬離子，使硅片表面產(chǎn)生金屬沾污，造成缺陷，使其性能降低，甚至導(dǎo)致器件不能工作。[35,36] 左圖為膠體研磨液，右圖為硅粉研磨液 研磨液對(duì)Scratch的分析與原因目前Reclaim CMP中用到兩種研磨液，Platen1細(xì)研磨選用安集微電子公司的研磨液DPP1550，該研磨液特點(diǎn)為它隨配比的升高研磨速率并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，且硅片粗糙度也不會(huì)隨配比的升高有較大變化（），高配比可以有效減低研磨液的使用量，節(jié)約生產(chǎn)成本適應(yīng)用于大批量的硅片拋光。 不同配比對(duì)研磨速率及表面粗糙度的影響DPP1550的PH值在1012，1550研磨液選用有機(jī)堿作為pH值調(diào)節(jié)劑，有機(jī)堿一方面能充當(dāng)緩沖劑，當(dāng)拋光液局部pH值發(fā)生變化時(shí), 有機(jī)堿可以迅速釋放本身親水性的羥基來(lái)調(diào)節(jié)pH值,使研磨液保持在穩(wěn)定的pH值,從而使化學(xué)作用速率均勻,有利于得到較好的平行度和較小粗糙度的表面。另外,有機(jī)堿還具有螯合劑的作用,限制了金屬離子在芯片表面的吸附,起到了有效減少金屬離子污染的功效,使得化學(xué)機(jī)械研磨后表面光潔度高。研磨顆粒為膠體二氧化硅，如果研磨顆粒在250L的桶內(nèi)使用周期較長(zhǎng)，容易造成團(tuán)聚結(jié)晶流到研磨墊上導(dǎo)致硅片表面刮傷。 左圖為DPP1550桶內(nèi)及研磨墊表面的結(jié)晶，右圖為因刮傷對(duì)S/R影響目前，對(duì)于固體顆粒高的最有效的措施是在CMP機(jī)臺(tái)設(shè)備端口加裝過(guò)濾器，可以過(guò)濾掉一部分大顆粒，有效的改善了結(jié)晶造成的刮傷數(shù)量， Reclaim工藝中CMP表面劃傷（）在掃描電鏡觀察50個(gè)缺陷，其中表面刮傷可以控制在20顆以內(nèi)。 研磨液造成的Scratch CMP表面劃傷的影響研磨盤(pán)（Platen）是一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)。研磨盤(pán)的上表面和研磨頭向下的壓力結(jié)合來(lái)研磨硅片。研磨盤(pán)由5部分組成：（在研磨過(guò)程中研磨墊充當(dāng)一個(gè)研磨液的承載裝置）；；，相比伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定可靠；；。研磨盤(pán)內(nèi)部有一個(gè)內(nèi)部循環(huán)與廠務(wù)的冷卻水連接，使研磨盤(pán)可以保持在一定的溫度下，保持研磨速率穩(wěn)定。 研磨墊特性研磨墊作為CMP最重要的部分之一，其具有儲(chǔ)存研磨液并把它傳送到硅片表面，維持研磨所需的機(jī)械和化學(xué)環(huán)境，還有去除研磨產(chǎn)生的殘留物的作用。用在CMP的研磨墊其具備良好的耐腐蝕性、親水性以及機(jī)械力學(xué)性能，常用的研磨墊有兩種，硬質(zhì)研磨墊和軟質(zhì)研磨墊，在研磨盤(pán)1為細(xì)磨，要求研磨速率較高，采用無(wú)紡布拋光墊，可以獲得更好的表面平整度。無(wú)紡布拋光墊研磨墊其主要成分為聚合物棉絮類(lèi)纖維，其表面有很多的微孔結(jié)構(gòu)，這些微孔能夠儲(chǔ)存研磨液，而且這類(lèi)拋光墊呈現(xiàn)出滲水性好的特征，拋光液可以進(jìn)入到拋光墊的內(nèi)部，容納拋光液具有非常好的效果。目前Reclaim CMP細(xì)拋便采用Suba 400型研磨墊。在研磨盤(pán)2為精磨，要求研磨速率底，材料去除量小，對(duì)硅片表面質(zhì)量要求高，所以采用帶絨毛結(jié)構(gòu)無(wú)防布研磨墊，此類(lèi)拋光墊的主體為無(wú)紡布，中間一層是聚合物，表面層為多孔的絨毛結(jié)構(gòu)。帶絨毛結(jié)構(gòu)無(wú)防布研磨墊具備硬度小、壓縮比比較大與彈性較好等特征，在精拋光工藝中經(jīng)常使用。這種拋光墊因?yàn)榻q毛較長(zhǎng)，當(dāng)研磨墊受到壓力的時(shí)候拋光液會(huì)落入空洞內(nèi)，壓力在釋放的時(shí)候會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，排除舊的拋光液與反應(yīng)物，并補(bǔ)充新的拋光液，從而得到好的拋光效果。 SUBA400研磨墊示意圖SUBA400研磨墊由Top Pad 和 Sub Pad粘合而成，這種結(jié)構(gòu)的研磨墊具有突出的優(yōu)點(diǎn)，其一，Top Pad硬度高，提高研磨速率并且得到更高的平整度。其二，Sub Pad彈性好，使研磨墊與硅片表面形成大面積接觸，提高穩(wěn)定性。但研磨過(guò)程中，研磨墊不斷的磨損，有各種各樣的因素影響著研磨墊的壽命和性能，溫度是最直接的因素，溫度的產(chǎn)生有兩方面，其一，在研磨過(guò)程中，研磨墊與研磨頭接觸，由摩擦力產(chǎn)生的溫度，當(dāng)研磨過(guò)程中與水接觸，熱量有所降低。其二，研磨墊與研磨液之間的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，使溫度升高。研磨墊最佳的工作溫度為0~50℃，在此溫度范圍內(nèi)研磨墊沒(méi)有大的變形[37,38]。 研磨墊造成劃傷現(xiàn)象與分析拋光墊的多孔性和表面粗糙度決定了拋光液傳輸效率的重要參數(shù)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，拋光墊表面會(huì)變得比較光滑，孔隙會(huì)被堵塞而減少，拋光速率會(huì)下降，此時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行修正，使其盡量恢復(fù)原樣。在Reclaim CMP工藝中，我們?cè)啻螠y(cè)試過(guò)國(guó)產(chǎn)時(shí)代里夫200型研磨墊，隨著研磨墊使用時(shí)間變長(zhǎng)研磨片數(shù)的增多，研磨墊表面逐漸變光滑，造成去除量不夠?qū)е麓謷仌r(shí)留下的表面劃痕不能被拋干凈，。 時(shí)代里夫200型研磨墊5次測(cè)試結(jié)果 時(shí)代里夫200型研磨墊隨片數(shù)增加成功率逐漸降低 21EA/R50/T200 SEM Reclaim硅片缺陷隨更換研磨墊類(lèi)型的變化趨勢(shì)綜上所有數(shù)據(jù)，硅片表面缺陷（主要表現(xiàn)為劃傷）會(huì)隨著時(shí)代里夫200型測(cè)試研磨墊的壽命逐漸增多，在lifetime到500pcs時(shí)會(huì)隨著表面的粗糙度升高，導(dǎo)致硅片表面缺陷比正常baseline高50~100顆，在更換SUBA400后有明顯的驟降，缺陷數(shù)量會(huì)到正常的標(biāo)準(zhǔn)。以上數(shù)據(jù)客觀說(shuō)明時(shí)代里夫200型研磨墊暫不滿足工藝需求，需要調(diào)整其制造配方。 在CMP機(jī)臺(tái)中，每個(gè)研磨臺(tái)都有一個(gè)專注的研磨墊研磨墊修理器（Pad Conditioner）。 因?yàn)樵谥貜?fù)的研磨工作中，研磨墊會(huì)變得平滑。研磨墊修理器可以使研磨墊變得粗糙，它也幫助維持研磨墊的水平。由于頭變化的掃動(dòng)和區(qū)域的研磨，研磨墊修理器在研磨過(guò)程中起著相當(dāng)重要的作用。研磨墊整整器由以下部分構(gòu)成：基本單元（包括所有的驅(qū)動(dòng)構(gòu)成），一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)架，一個(gè)來(lái)回?cái)[動(dòng)的有著帶子形狀的蓋子的手臂，和在終端處安裝好的鑲著鉆石的圓盤(pán)（Disk）。這個(gè)圓盤(pán)可以為變化的磨損需求而被設(shè)定。在研磨墊修整器基座下面有兩個(gè)伺服電機(jī)，一個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)皮帶的作用為其提供不斷的旋轉(zhuǎn)，而另一個(gè)電機(jī)提供手臂的掃動(dòng)。研磨墊修整器被放置在研磨盤(pán)外，在清洗位置的上方。研磨墊研磨一段時(shí)間之后，研磨墊表面的粗糙度降低，使其研磨墊表面光滑，研磨液傳輸效率降低，隨著時(shí)間的變化，研磨速率隨時(shí)間的變化而降低[39]。從而降低了硅片表面的質(zhì)量，降低了研磨墊本身的壽命。研磨墊的消耗占CMP耗材的三分之一，研磨墊的大量更換，使其成本大幅度提高，所以需要研磨墊修理器來(lái)對(duì)研磨墊表面進(jìn)行修復(fù)，研磨墊修理器可以清楚堵塞的微孔，使其恢復(fù)粗糙度，延長(zhǎng)研磨墊的壽命，提高了工藝的穩(wěn)定性。研磨墊表面的好與壞與研磨墊修整器有著直接的關(guān)系。在新研磨墊研磨之前，需要對(duì)研磨墊進(jìn)行磨合（Break in）這是由于新的研磨墊會(huì)有毛糙的表面，防止其對(duì)硅片表面造成刮傷。最常用的研磨墊修理器使用金剛石整理，通過(guò)金剛石表面的顆粒進(jìn)行研磨墊打磨修復(fù)，得到所需要的粗糙度，金剛石整理器主要有基體，粘合劑和金剛石顆粒組成，通過(guò)各種方面將金剛石顆粒附著在基體上，根據(jù)其附著方式，一般分為三種，電鍍型(Electroplated），釬焊型(Brazed),金屬燒結(jié)型（Diamond Grid）。1. 電鍍型電鍍型其方法是將金剛石顆粒沉積在金屬鎳鍍層中，采用機(jī)械的方法是金剛石顆粒與基體結(jié)合，這種結(jié)合強(qiáng)度低，金剛石顆粒無(wú)規(guī)則，裸露量小，容易從鎳度層中脫落出來(lái)，造成硅片表面刮傷[40]。2. 釬焊型釬焊型主要是通過(guò)碳化物的作用，使金剛石顆粒，粘合劑，基體通過(guò)釬焊的方式達(dá)到化學(xué)冶金結(jié)合。這種方式在熔化的過(guò)程中容易造成金剛石顆粒連在一起形成局部堆積，使金剛石顆粒分布無(wú)規(guī)律，使其高度分布差異性大，在受到強(qiáng)力沖擊時(shí)，釬焊層與金剛石顆粒一起脫落，造成硅片刮傷[41]。3. 金屬燒結(jié)型金屬燒結(jié)型采用金屬粉末為粘合劑，通過(guò)壓制，燒結(jié)的方式形成，其為機(jī)械與化學(xué)的方式相結(jié)合，最大的優(yōu)點(diǎn)就是穩(wěn)定性好，避免的單一機(jī)械方式結(jié)合造成的強(qiáng)度低，分布無(wú)規(guī)律，高度差異性差，裸露量小[42]。在CMP的研磨過(guò)程中，研磨墊修整器是必不可少的一部分，雖然研磨墊修整器的技術(shù)越來(lái)越成熟，但是在使用過(guò)程中，仍然有少部分會(huì)造成金剛石脫落。對(duì)硅片產(chǎn)生刮傷。由金剛石造成的刮傷特點(diǎn)鮮明，金剛石造成的刮傷尺寸深，大于3um。研磨墊修理器除了自身脫落對(duì)硅片有影響，其位置的移動(dòng)也可能對(duì)硅片造成刮傷。硅片在研磨過(guò)程中，研磨頭的運(yùn)動(dòng)與研磨墊修理器的運(yùn)動(dòng)是同時(shí)的。，研磨墊中心左半側(cè)。研磨墊修理器的運(yùn)動(dòng)范圍為213英寸，研磨墊中心右半側(cè)。研磨頭與整理器位置的變化從數(shù)據(jù)上看永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生交集。以下是統(tǒng)計(jì)了不同技術(shù)的程序設(shè)定后的位置距離。B代表研磨頭的半徑為7英尺。C代表研磨墊中心到研磨頭中心的距離。D代表研磨墊中心到整理器中心的距離。E代表研磨頭邊緣與整理器邊緣的距離。通過(guò)對(duì)不同技術(shù)程序參數(shù)設(shè)定的統(tǒng)計(jì)，研磨頭與整理器位置相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置對(duì)硅片表面造成的影響也會(huì)不同。研磨頭與修整器發(fā)生碰撞，研磨頭與整理器都發(fā)生不同程度的磨損。其磨損脫落的材質(zhì)隨著研磨墊傳到硅片表面，產(chǎn)生刮傷。通過(guò)對(duì)程序設(shè)定的優(yōu)化，設(shè)定合適的程序，來(lái)避免機(jī)械碰撞造成的刮傷，防止整理器與研磨頭的碰撞。降低造成Scratch顆粒的來(lái)源。 拋光頭對(duì)CMP表面劃傷的影響 拋光頭裝置拋光頭是CMP單元對(duì)硅片進(jìn)行拋光的核心部件之一。在研磨腔中，拋光頭攜帶300mm硅片，在拋光盤(pán)上對(duì)硅片進(jìn)行加載拋光，同時(shí)負(fù)責(zé)Loadcup和拋光盤(pán)之間的晶圓傳輸。拋光頭通過(guò)氣囊對(duì)晶圓進(jìn)行加載和吸附。氣囊外側(cè)有保持環(huán)，防止硅片從拋光頭下方滑出。為了保持硅片不同半徑處去除率一致，氣囊分成5個(gè)區(qū)域?qū)杵┘硬煌d荷。五區(qū)拋光頭的優(yōu)點(diǎn)在于各區(qū)壓力控制更加精準(zhǔn), 更易于實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片表面的平坦化，去除率NU更好，這對(duì)CMP工藝是重要的參數(shù)。5區(qū)背膜控制帶來(lái)極大的去除率均勻度可調(diào)性，可實(shí)現(xiàn)不同需求厚度任意profile。下面是單獨(dú)調(diào)整一個(gè)區(qū)壓力，看整片硅片去除率的變化，驗(yàn)證機(jī)臺(tái)去除率均勻度的可調(diào)性。下表是對(duì)機(jī)臺(tái)程序設(shè)定值，Zone1Zone5各區(qū)壓力增大減小10%，觀察去除量的反饋?zhàn)兓?Rate隨壓力變化曲線圖保持環(huán)鑲嵌在研磨頭下方，是一種由PPS材質(zhì)加工而成的環(huán)形組件，保持環(huán)為一種外觀白色、高結(jié)晶度、硬而脆的聚合物，在負(fù)荷情況下耐蠕變性好，硬度高及耐磨性高，這以特性使得保持環(huán)在施加壓力與研磨墊摩擦?xí)r不易被磨平，而且保持環(huán)耐化學(xué)腐蝕性能好，在研磨過(guò)程中與各種研磨液接觸不易被腐蝕，從而保證了研磨的穩(wěn)定性。拋光頭是靠上部的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)控制其運(yùn)動(dòng)，拋光頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為平移驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)兩部分。平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在拋光頭支架上表面，沿拋光頭支架伸出方向平移。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將拋光頭懸掛在下方，驅(qū)動(dòng)拋光頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。平移驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)支撐旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而驅(qū)動(dòng)拋光頭在拋光盤(pán)和loadcup之間平移，并實(shí)現(xiàn)拋光時(shí)拋光頭在拋光盤(pán)上擺動(dòng)。 拋光頭造成Scratch的現(xiàn)象與分析硅片通過(guò)氣囊吸附在研磨墊上進(jìn)行研磨，氣囊會(huì)隨吸附硅片次數(shù)的增加而逐漸變形，保持環(huán)的厚度也會(huì)隨研磨時(shí)間逐漸變薄，所以應(yīng)對(duì)保持環(huán)和氣囊規(guī)定壽命，一般情況下，保持環(huán)的壽命周期要比氣囊長(zhǎng)，因拋光頭構(gòu)造設(shè)計(jì)原因，保持環(huán)在外側(cè)暴露，所以在更換配件和拆裝拋光頭時(shí)容易磕碰導(dǎo)致保持環(huán)撞擊，磕碰處在研磨時(shí)碎屑掉到研磨墊上導(dǎo)致硅片表面劃傷。保持環(huán)在加工時(shí)會(huì)在其表面一圈留有一定方向的溝槽，這是為讓研磨液流暢的到達(dá)硅片表面加快研磨速率，保持環(huán)與氣囊之間也存在一定的縫隙，隨著研磨時(shí)間的表廠，研磨料和研磨混合物聚集在溝槽內(nèi)部及縫隙內(nèi),如果拋光頭沖洗不充分，這些聚集物掉在研磨過(guò)程中掉到研磨墊上也會(huì)引起刮傷。氣囊作為易耗件要經(jīng)常更換，氣囊作為硅片的載體，其加工尺寸和材質(zhì)硬度直接影響硅片的吸附能力和壽命，而且氣囊外表面需進(jìn)行打磨光滑，如果處理不好，也是致使硅片劃傷的因素之一。，左邊的白色氣囊從外觀上可以清晰的看到表面有毛刺，對(duì)比右邊的氣囊則表面光亮粗糙度也更好。這就要求供應(yīng)商嚴(yán)格把控品質(zhì)，磨具表面進(jìn)行拋光，注塑時(shí)定期清理磨具。 拋光頭對(duì)CMP表面劃傷改善措施為應(yīng)對(duì)拋光頭導(dǎo)致的劃傷，一方面在更換拋光頭時(shí)，為防止保持環(huán)磕碰，不要直接在研磨墊上或load cup更換，在拋光頭與研磨盤(pán)之間加一材質(zhì)較薄軟的墊片起緩沖作用；在更換前對(duì)其表面吹凈，拋光頭撞到機(jī)臺(tái)后，要將其移到load cup正上方位置，打開(kāi)其內(nèi)部噴嘴對(duì)其充分的清洗，同時(shí)也將溝槽內(nèi)和縫隙的化學(xué)混合物徹底清凈。通過(guò)在不同方面對(duì)Scratch的分析，總結(jié)出幾方面對(duì)Scratch的影響。 ，研磨液本身固含量的大小對(duì)Scratch有著直接的影響。研磨液造成Scratch的特點(diǎn)，硅片表面只有Scratch，其寬度小于1um。通過(guò)在研磨液供應(yīng)管路上增設(shè)過(guò)濾器系統(tǒng)并定期進(jìn)行更換，有效的降低了表面劃傷數(shù)量。 。研磨墊的材質(zhì)及加工質(zhì)量，以及隨著使用時(shí)間表面的纖維，都會(huì)導(dǎo)致硅片表面細(xì)小的劃傷。，由于金剛石修整器器的制造質(zhì)量的缺陷，在研磨的過(guò)程中金剛石脫落，由于金剛石的硬度較大，研磨后的Scratch刮的比較深，報(bào)廢率高。研磨墊修整器造成Scratch的特點(diǎn)，硅片表面長(zhǎng)而深，其寬度一般會(huì)大于3um。，由于拋光頭的組件經(jīng)常要進(jìn)行更換，更換時(shí)導(dǎo)致的保持環(huán)磕碰損傷，氣囊加工不精良產(chǎn)生的毛刺，在保持環(huán)的溝槽內(nèi)以及保持環(huán)與氣囊之間的縫隙長(zhǎng)期集聚的化學(xué)混合物都是造成刮傷的因素。第五章 總結(jié)及展望 全文總結(jié)隨著IC 圖形特征線寬向更小方向的迅速發(fā)展