基于微接触模型的化学机械抛光分子动力学研究

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1、校代码：10255学号：2160756基于微接触模型的化学机械抛光分子动力学研究STUDYOFCHEMICALMECHANICALPOLISHINGBASEDONMICROCONTACTMODELBYMOLECULARDYNAMICSSIMULATION作者姓名：李少贤专业名称：机械工程导师名称：陈入领答辩日期：2018年5月23日东华大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注上海镕天信息科技有限冯天兵高级工程师答辩委员会主席公司彭倚天教授/博导答辩委员会委员东华大学机械工程学院戴惠良副教授答辩委员会委员东华大学机械工程学院闫如忠副

2、教授答辩委员会委员东华大学机械工程学院邹鲲副研究员答辩委员会委员东华大学机械工程学院邓吉楠讲师答辩委员会秘书东华大学机械工程学院东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的

3、规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日东华大学硕士学位论文摘要基于微接触模型的化学机械抛光分子动力学研究摘要随着集成电路特征尺寸逐渐减小到10纳米及以下，硅晶圆加工表面精度要求已越来越接近现有化学机械抛光（ChemicalMechanicalPolishing，C

4、MP）技术的加工极限，如何开发CMP新工艺，甚至是否需要开发取代CMP的新技术成为行业目前亟需解决的问题。而CMP加工过程中，工件、纳米颗粒以及抛光垫三者之间的相互作用机制和工件表面的材料去除机理目前还不完全清楚，阻碍了上述问题的解决。为此，本文采用分子动力学仿真方法研究了光滑单晶硅板、二氧化硅团簇、聚氨酯抛光垫加载平衡时的团簇受力规律，以及粗糙单晶硅板、二氧化硅团簇、聚氨酯抛光垫推动过程中的单晶硅材料去除机理。对于光滑上硅板加载模型而言：（1）当工作载荷处于超低载荷阶段，加载平衡时上硅板与抛光垫不产生直接接触。工作载荷全部作用在团簇上，用于克服团

5、簇下方抛光垫的弹性变形阻力。（2）当工作载荷增大至低载荷阶段，加载平衡时团簇被完全压入抛光垫，上硅板与抛光垫直接接触。由于随着工作载荷的增大，团簇下方的抛光垫原子向四周流动分散，团簇下压过程中需要克服的阻力不变。因此，此时工作载荷由团簇和抛光垫共同承担。而且团簇受力不会随着工作载荷的增大而改变，增加的工作载荷将完全用于与上硅板直接接触的抛光I东华大学硕士学位论文摘要垫的压缩。（3）当工作载荷进一步增大至高载荷阶段，抛光垫整体密度达到较大值，抛光垫原子流动能力减弱。由于团簇下方的抛光垫原子不易向四周流动而被压缩在团簇下方，团簇需要克服的阻力增大。因此

6、，此时工作载荷依然由团簇和抛光垫共同承担，但是团簇和抛光垫受力均随工作载荷的增大而增大。（4）基于上述仿真结果，本文建立了超低载荷阶段-低载荷阶段-高载荷阶段团簇受力模型，该模型统一了现有接触理论模型中几种主流的相互矛盾的磨粒受力规律。在粗糙上硅板推动过程中，团簇与上硅板接触区域的局部压力远小于上硅板表面硬度，导致团簇无法压入上硅板。而且该现象与工作载荷和推动速度无关。因此，推动过程中不存在压入-犁削材料去除过程。此外，在粗糙上硅板推动过程中存在一个临界速度。当推动速度低于临界速度时，推动过程中团簇粘附在上硅板表面上，无法实现上硅板表面材料去除。当

7、推动速度高于临界速度时，推动过程中，团簇在抛光垫内自由滚动，团簇、上硅板以及抛光垫之间发生三体磨损，团簇通过粘附作用实现上硅板表面材料去除。综合上述结果可知，目前接触理论模型中主流认为的CMP应存在的压入-犁削材料去除过程并不是CMP过程中实现材料去除的必要过程，磨粒可以不需要压入过程而通过粘附过程直接实现材料去除。关键词：化学机械抛光；材料去除机理；接触理论模型；压入-犁削；分子动力学仿真II东华大学硕士学位论文ABSTRCTSTUDYOFCHEMICALMECHANICALPOLISHINGBASEDONMICROCONTACTMODELBYM

8、OLECULARDYNAMICSSIMUATIONABSTRACTAsthefeaturesizeoftheintegra