呂文利，魏 唯，朱宗樹，蔣 超

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙 410111)

薄膜集成電路是在同一個(gè)基片上用蒸發(fā)、濺射、電鍍等薄膜工藝制成無源網(wǎng)路,并組裝上分立的微型元件、器件,外加封裝而成的混合集成電路。薄膜集成電路分為集中參數(shù)和分布參數(shù)兩種，前者適用范圍從低頻到微波波段，后者只適用于微波波段。薄膜電路的特點(diǎn)是所制作的元件參數(shù)范圍寬、精度高、溫度頻率特性好，可以工作到毫米波段，并且集成度較高、尺寸較小。薄膜混合集成電路適用于各種電路，特別是要求精度高、穩(wěn)定性能好的模擬電路，與其他集成電路相比，它更適合于微波電路。因此在軍事、航天、航空、通信、醫(yī)療、消費(fèi)類電子產(chǎn)品門類中獲得很多研發(fā)和應(yīng)用。

薄膜集成電路所用基板一般為非導(dǎo)體，絕大多數(shù)常用基板材料為各種陶瓷，如96%或99%的氧化鋁(A12O3)、氧化鈹(BeO)和氮化鋁(AIN)，其次是微晶玻璃,有時(shí)也用藍(lán)寶石和單晶硅基片。

陶瓷基板作為襯底材料對(duì)其表面提出了超光滑的要求。研究表明元器件的質(zhì)量很大程度上依賴于襯底的表面光滑狀態(tài)。因此，必須進(jìn)行表面加工方法即拋光技術(shù)的研究。目前主要的拋光方法有：機(jī)械研磨拋光、純化學(xué)拋光、熱化學(xué)拋光、離子束拋光、激光束拋光、電火花拋光等。但是這些拋光方法都有一定的缺點(diǎn)，這些都是局部平坦化技術(shù)，不能做到全局平坦化，局部平坦化與全局平坦化比較如圖1。要進(jìn)行全局平坦化，必須采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)，它可以真正使陶瓷基板實(shí)現(xiàn)全局平坦化。

圖1 局部平坦化與全局平坦化的定性說明

1 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)

化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，簡(jiǎn)稱CMP)技術(shù)是目前最好的實(shí)現(xiàn)全局平坦化的工藝技術(shù)，加工表面具有納米級(jí)型面精度和亞納米級(jí)表面粗糙度[1]，同時(shí)表面和亞表面無損傷，已接近表面加工的極限表。CMP技術(shù)是化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合的組合技術(shù)，它借助超微粒子的研磨作用以及漿料的化學(xué)腐蝕作用在被研磨的介質(zhì)表面上形成光潔平坦平面，現(xiàn)己成為半導(dǎo)體加工行業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)。是集成電路(IC)向微細(xì)化、多層化、薄型化、平坦化工藝發(fā)展的產(chǎn)物。是圓片向200 mm、300 mm乃至更大直徑過渡，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，襯底全局平坦化必備的工藝技術(shù)。CMP在薄膜集成電路制造過程中的作用主要是對(duì)薄膜基板—陶瓷片進(jìn)行平坦化，以及金屬成膜后、圖形光刻前對(duì)膜層的平坦化，從而提高成膜的均勻性和可重復(fù)性，減少膜的缺陷。CMP設(shè)備位于薄膜電路制作工藝流程前端。見圖2。

圖2 薄膜集成電路工藝流程

2 化學(xué)機(jī)械拋光的原理與設(shè)備

CMP的基本原理是將被拋工件在拋光液存在的情況下相對(duì)于一個(gè)拋光墊旋轉(zhuǎn)，并施加一定的壓力，借助機(jī)械磨削及化學(xué)腐蝕作用來完成拋光。化學(xué)機(jī)械拋光裝置如圖3所示，工作臺(tái)在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下以角速度ωp轉(zhuǎn)動(dòng)，拋光墊粘附在工作臺(tái)上，被拋光工件通過背膜吸附在拋光頭上，拋光頭以角速度ωw轉(zhuǎn)動(dòng)，方向與工作臺(tái)相同。同時(shí)，機(jī)械壓力作用在拋光頭上，將被拋光工件壓在浸滿拋光液的拋光墊上。在工作臺(tái)、拋光頭的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，被輸送到拋光墊上的拋光液均勻地分布其表面，在被拋光工件和工作臺(tái)之間形成一層液體薄膜，由亞微米或納米磨粒和化學(xué)溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動(dòng)，并在工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，工件表面形成的化學(xué)反應(yīng)物由磨粒的機(jī)械摩擦作用去除，由于選用比工件軟或與工件硬度相當(dāng)?shù)挠坞x磨粒，在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的交替過程中，通過化學(xué)和機(jī)械的共同作用從工件表面去除極薄的一層材料，實(shí)現(xiàn)超精密表面加工。因而可以獲得高精度、低表面粗糙度值和無損傷的工件表面。用這種方法可以真正使被拋光工件表面實(shí)現(xiàn)全局平坦化。

圖3 化學(xué)機(jī)械拋光裝置簡(jiǎn)圖

CMP技術(shù)所采用的設(shè)備和消耗品包括如下幾個(gè)方面：CMP設(shè)備、拋光液、拋光墊、后CMP清洗設(shè)備、拋光終點(diǎn)檢測(cè)及工藝控制設(shè)備、拋光液分布系統(tǒng)、廢物處理和檢測(cè)設(shè)備等。其中拋光液和拋光墊為消耗品，其余為拋光及輔助設(shè)備。CMP技術(shù)最關(guān)鍵的設(shè)備和消耗品為CMP設(shè)備、拋光液和拋光墊。

3 影響CMP質(zhì)量的因素

化學(xué)機(jī)械拋光去除速率遵守Preston方程VR＝KP×P×S

式中：VR——去除速率；

KP——Preston常數(shù)，與溫度、拋光液、拋光墊及工件表面狀況有關(guān)；

P——壓力；

S——拋光墊與工件表面的相對(duì)速度。

從Preston方程可知拋光過程中影響拋光質(zhì)量的因素很多，如壓力、溫度、拋光液濃度、流量、拋光墊的質(zhì)量及晶片在拋光過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡等[2]。因此拋光質(zhì)量的控制是一個(gè)綜合控制過程，絕不是控制好一二項(xiàng)因素就可以得到高質(zhì)量的拋光片，但相反，一二項(xiàng)因素沒有控制好卻可能導(dǎo)致拋光表面質(zhì)量變壞。CMP是工藝摩擦學(xué)、流體力學(xué)和化學(xué)的結(jié)合，因此會(huì)受到來自工件本身和磨拋機(jī)械等因素的影響。一個(gè)完整的CMP工藝主要由拋光、清洗和計(jì)量測(cè)量等操作組成。

因此，為了更好控制拋光過程，需要詳細(xì)了解每一個(gè)CMP參數(shù)所起的作用以及它們之間微妙的交互作用。然而影響化學(xué)作用和機(jī)械作用的因素很多，因此在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)要綜合考慮上述各種因素，進(jìn)行合理優(yōu)化，才能得到滿意的結(jié)果。

4 陶瓷基板的化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)

4.1 陶瓷基板的準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用的是燒結(jié)后的96%Al2O3基片，尺寸為100 mm×100 mm，拋光前，將所有的基片利用精密磨拋機(jī)進(jìn)行粗磨，使基片達(dá)到一定的平整度。

4.2 拋光液的選擇

拋光液的選取會(huì)極大地影響基片的拋光效果，也是化學(xué)機(jī)械拋光工藝重點(diǎn)研究的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)中采用兩組不同的拋光液，一組是粗拋光液選用粒度均為W1的金剛石懸浮液，細(xì)拋光液需要粒度為50 nm的SiO2懸浮液。另一組是在上述一組相同成分的拋光液中加入一定量的NaOH溶液將其pH值調(diào)整到9。

4.3 拋光設(shè)備

采用我所研制的PGJ-100型化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)，設(shè)備外形見圖4所示。在拋光之前，將拋光臺(tái)、拋光墊及拋光頭等用去離子水反復(fù)清洗多次，確保設(shè)備的潔凈度。

圖4 PGJ-100型CMP設(shè)備

首先，開啟拋光頭的噴水，使背膜均勻濕潤(rùn)，將基片輕輕放入拋光頭的定位環(huán)中，然后依次開啟拋光頭的低、高真空，使基片被牢靠的吸附。接著令拋光頭轉(zhuǎn)動(dòng)，并慢慢調(diào)節(jié)到80 r/min，將拋光臂轉(zhuǎn)動(dòng)至粗拋光臺(tái)的磨拋位。再令粗拋光臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，慢慢調(diào)節(jié)到160 r/min，同時(shí)打開粗拋光液輸送裝置，將整個(gè)拋光墊濕潤(rùn)，并按照120 ml/min的流量持續(xù)供應(yīng)。最后，開啟磨頭下壓力，使拋光頭緊緊壓在拋光臺(tái)上，粗拋工藝持續(xù)15 min。粗拋工藝完畢后，將磨拋頭運(yùn)轉(zhuǎn)到清洗槽進(jìn)行清洗，之后拋光臂轉(zhuǎn)動(dòng)到細(xì)拋光盤磨拋位并進(jìn)行同樣流程的細(xì)拋工藝。拋光完畢后，將樣品取出，利用超聲波清洗機(jī)對(duì)基片進(jìn)行清洗。工藝條件如表1所示。

表1 拋光工藝條件

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在磨拋前1#與磨拋后2#樣片的磨拋面上各取5個(gè)點(diǎn)，5個(gè)點(diǎn)的取樣方法見圖5。用原子力顯微鏡測(cè)這5個(gè)局部點(diǎn)的粗糙度，并按(1)式計(jì)算：

式中：n為取樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，這里等于5；Ri為第i個(gè)點(diǎn)的局部表面粗糙度；R為5個(gè)測(cè)量點(diǎn)局部表面粗糙度的平均值,計(jì)算見(2)式：

圖5 樣片采樣點(diǎn)示意圖

其結(jié)果見表2。

表2 測(cè)試結(jié)果 nm

1#樣片原子力顯微鏡照片

2#樣片原子力顯微鏡照片

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，2#樣片的粗糙度比1#明顯降低，磨拋精度顯著高于2#樣片，兩個(gè)樣片試驗(yàn)條件基本相同，只是因?yàn)?#樣片所使用的拋光液進(jìn)行了PH值的調(diào)節(jié)，因此試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了拋光液的PH值也是影響拋光效果的重要因素之一?；瘜W(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是一個(gè)多種參數(shù)互相作用的結(jié)果，需要綜合考慮各種因素如磨料種類及其大小、PH值、溫度、壓力、流速等各個(gè)參數(shù)對(duì)拋光過程的影響，才能達(dá)到一個(gè)較快的拋光速率和優(yōu)良的表面精度。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，陶瓷基片經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光后，其粗糙度數(shù)值明顯降低，磨拋精度相應(yīng)提高了很多。盡管CMP技術(shù)發(fā)展的速度很快,但需要解決的理論及技術(shù)問題還很多。如對(duì)拋光參數(shù)如壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等對(duì)平面度的影響、拋光墊與基片之間的相互作用、拋光液的化學(xué)性質(zhì)如組成、pH值、顆粒度等對(duì)各種參數(shù)的影響等了解較少，因而定量確定最佳CMP工藝,系統(tǒng)地研究CMP工藝過程參數(shù),建立完善的CMP理論模型，滿足不同的工藝要求，是研究CMP技術(shù)的重大課題。

[1] 宋曉嵐,劉宏燕,楊海平,張曉偉,徐大余,邱冠周.納米SiO2漿料中半導(dǎo)體硅片的化學(xué)機(jī)械拋光速率及拋光機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2008,(08):1187.

[2] 武曉玲,劉玉嶺,賈英茜,鮑云英.CLBO晶體化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的研究[J]微納電子技術(shù),2006,(10):497.