唐心亮，智兆華，劉玉嶺，胡 軼，劉效巖，王立冉

（1.河北科技大學人事處，河北石家莊 050018；2.河北工業(yè)大學微電子技術(shù)與材料研究所，天津

300130；3.河北科技大學機械電子工程學院，河北石家莊 050018）

當今化學機械拋光的發(fā)展非常迅速［1］。在過去的3年里，化學機械拋光的設備需求增長了3倍，預計在未來的幾年里，化學機械拋光設備市場的增長率將會達到60%［2］?；瘜W機械拋光技術(shù)是最理想的和唯一可以實現(xiàn)全局平坦化的技術(shù)［3］，化學機械拋光技術(shù)的發(fā)展將會直接影響集成電路的發(fā)展。隨著ULSI（超大規(guī)模集成電路）多層互連的發(fā)展，化學機械拋光的過程中出現(xiàn)了很多問題，如拋光速率、碟形坑、表面粗糙度和平整度等。這些問題將會導致噪聲增大、電特性的破壞、RC（電阻電容）延遲的增加等問題。

在實驗中，將拋光頭置于拋光墊的上面，拋光液處于兩者的中間［4］。拋光示意圖見圖1。拋光頭和拋光墊按照一定的速度旋轉(zhuǎn)，使用自動設備加入拋光液可以保證拋光的均勻性，運輸拋光液中的有效成分和維持成分的穩(wěn)定性。在化學機械拋光的過程中，SiO2顆粒的硬度和拋光片表面相差不多［5］，表面既不會被劃傷，也不會失去光澤，并且化學機械拋光可以形成一個平整的表面，金屬缺陷也很少，短路和開路很少發(fā)生。

普林斯頓方程［5］是用最簡單的數(shù)學模型來描述化學機械拋光過程中的去除速率和其他參數(shù)之間的關(guān)系。

式中：Rp為去除速率；p為壓力；U為相對線速度；Kp為普林斯頓系數(shù)。

1 實 驗

圖1 拋光示意圖Fig.1 Sketch map of polishing

1.1 實驗條件

實驗采用由蘭州蘭新通信設備集團有限公司生產(chǎn)的X62815-Ⅰ型單面拋光機；天津海倫晶片技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的型號為CP-P-32的拋光墊；所用拋光片（銅片）的純度為99.99%，厚度為600μm，直徑為5.08cm（2英寸）。

1.2 實驗參數(shù)

1）壓力

拋光壓力是化學機械拋光過程中最重要的參數(shù)。總的來說，壓力越高，拋光速率越快。但是實驗顯示過高的壓力會導致劃傷、彈性形變和應力損傷，如大的表面缺陷［6］。所以選擇拋光壓力是至關(guān)重要的。在相同實驗條件下，變化不同的拋光壓力，從0～0.2MPa，步長是0.04MPa。

2）流量

在相同實驗條件下采用不同的拋光液流量，范圍為40～200mL／min，步長為40mL／min，觀察拋光液流量對去除速率的影響。

3）拋光轉(zhuǎn)速

不改變其他條件，只分析改變拋光轉(zhuǎn)速的情況。在相同的條件下，采用不同的拋光轉(zhuǎn)速（10～60r／min），步長為10r／min，考察其影響。

4）磨料濃度

在相同的實驗條件下，改變硅溶膠濃度和去離子水的比例，配制不同磨料濃度的拋光液。

5）氧化劑

在相同條件下，使用不同濃度（以體積分數(shù)計）的H2O2，從0～3.5%，步長為0.5%，考察雙氧水濃度對銅去除速率的影響。

6）有機堿

在相同實驗條件下使用不同濃度的有機堿，其體積分數(shù)為0～3.5%，步長為0.5%，觀察有機堿對拋光速率的影響。

2 結(jié)果與討論

圖2 拋光速率與壓力的關(guān)系Fig.2 Effect of polishing downforce on removal rate

1）壓力

如圖2所示，當拋光壓力為0時，機械作用薄弱而化學反應強烈，拋光速率低。當增加壓力時，拋光液在拋光墊和拋光片之間起到了潤滑的作用，有效地在金屬表面反應。當拋光速率升高時，表面效果非常好；當壓力到達0.20MPa時，主要是直接的壓力作用，拋光速率繼續(xù)增加，但是拋光表面已經(jīng)有明顯劃傷?；谏鲜鰧嶒灒玫疆攭毫?.08MPa時，表面粗糙度達到0.225nm，見圖3。

2）流量

如圖4所示，拋光液流量小，機械作用占主導作用，摩擦力大，化學反應受限制，拋光速率低，表面易被劃傷。隨著流量的增加，去除速率逐漸增加，導致化學反應速率增加，機械研磨作用增加氧化劑和螯合劑參加化學反應的速率。同時，流量的增加導致反應產(chǎn)物能夠被及時帶走，不會將反應產(chǎn)物留在表面影響下一步的反應。當拋光液流量增大到200mL／min時，化學作用被限制，機械作用也隨之降低，拋光速率穩(wěn)定不變。綜合考慮后，選擇拋光液流量為200mL／min。

3）轉(zhuǎn)速

從圖5中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，拋光速率也隨之增加。這主要是由于拋光盤轉(zhuǎn)速的增加，拋光液在表面的化學反應速率增加，從而提高了拋光速率；同時，相關(guān)的速率增加，加速了機械作用，而機械反應速率的增加，最終使銅的去除速率提高。綜合考慮后，選擇50r／min為最佳轉(zhuǎn)速。

4）磨料濃度（以體積分數(shù)計，下同）

磨料濃度與拋光速率的關(guān)系見圖6。由圖6可以看出，銅拋光速率是隨著磨料濃度的增加而增加的。磨料濃度越大，有效反應的磨料顆粒的數(shù)量越高，去除速率增加。當磨料濃度低于30%時，由于磨料濃度減小，化學作用減弱，機械劃傷將會出現(xiàn)。當磨料濃度高于50%時，銅表面劃傷明顯降低。但是過高的濃度很容易導致飛片，所以選擇50%為最優(yōu)磨料濃度。

5）氧化劑濃度（以體積分數(shù)計，下同）

當加入H2O2時，銅表面形成了Cu2O和CuO薄膜。銅表面形成的氧化薄膜較硬。表面薄膜的存在能夠減小銅表面的粗糙度和凹凸選擇性，因此增加了銅的去除速率。如圖7所示，隨著氧化劑濃度的增加，pH值降低。表面形成薄膜的速率增加，表面粗糙度減小。綜合考慮去除率和粗糙度，選擇氧化劑濃度為3.0%。

圖3 壓力為0.08MPa時表面粗糙度Fig.3 Roughness in pressure of 0.08MPa

6）有機堿濃度（以體積分數(shù)計，下同）

拋光速率與有機堿濃度的關(guān)系見圖8。從圖8中可以看出，隨著有機堿濃度的增加，銅的拋光速率增加，當達到2.5%時，拋光速率下降。這是因為拋光液中H2O2作為氧化劑，銅表面鈍化層結(jié)構(gòu)和組成在不同pH值時不同。在低pH值時，銅表面鈍化層容易滲透多孔的Cu2O層；在高pH值時，致密的CuO薄膜能夠阻擋銅向基底擴散。根據(jù)波拜圖，銅氧化Cu-H2O系統(tǒng)在高pH值時，致密的CuO薄膜能夠阻擋銅向基底擴散。根據(jù)波拜圖，銅氧化Cu-H2O系統(tǒng)在pH值為2～4時熱力學性質(zhì)不穩(wěn)定。所以隨著有機堿濃度不斷增加，pH值升高，鈍化層薄膜增加，拋光速率下降。綜合考慮去除率和粗糙度，選擇有機堿濃度為2.0%。

4 結(jié) 論

通過對磨料濃度、氧化劑濃度以及拋光壓力、轉(zhuǎn)速、拋光液流量的研究，得出了最優(yōu)的工藝條件：壓力為0.08 MPa，轉(zhuǎn)速為50r／min，流量為200mL／min，磨料濃度為50%，氧化劑濃度為3.0%，有機堿濃度為2.0%。

圖8 拋光速率與有機堿濃度關(guān)系Fig.8 Effect of organic alkali concentration on removal rate

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