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1、2008年第53卷第10期:1228~1234《中国科学》杂志社论文SCIENCEINCHINAPRESS非接触化学机械抛光的材料去除模型*章建群,张朝辉北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044*联系人,E-mail:zhangchaohui@tsinghua.org.cn2007-12-09收稿,2008-04-01接受国家自然科学基金资助项目(批准号:50705006)摘要探讨了化学机械抛光中抛光垫和晶片处于非接触状态下的材料去除机理,认为磨关键词粒对材料的去除贡献主要是通过犁削作用而实现的.并在此基础上发展了一个用来预测化学机械抛光非接触状态抛光垫和晶片处于非接
2、触状态下材料去除率(MRR)的新模型.通过与实验数据的比较,材料去除机理该模型对非接触状态下MRR的变化有较好的预测效果.模型的数值模拟表明:晶片的相材料去除率对速度u与流体黏度η是影响非接触状态下MRR的最主要的两个因素;晶片所受载荷wz模型的变化对MRR也有影响,但影响的效果和相对速度与流体黏度相比不明显;当磨粒半径r≤50nm时,可以忽略磨粒尺寸的变化对MRR的影响.化学机械抛光(CMP)正在发展成为集成电路(IC)抛光垫的粗糙峰将脱离接触,在两者之间会形成一行业实现晶片(wafer)表面高精度抛光的一项关键技个由抛光液构成的薄膜层.薄膜层的膜厚大于抛光[1]术.然而从整体
3、上看,CMP仍是一项黑箱技术,经液中的磨粒直径,磨粒在由抛光液构成的薄膜中流[2]验和半经验数据被用来优化CMP加工过程.对动,抛光垫和晶片处于非接触状态.在非接触状态中,CMP工作机理缺乏完全了解阻碍了这一技术的更广磨粒、抛光垫和晶片构成三体磨损,三体磨损的复杂[3]泛应用.性给相关去除机理研究带来了困难.在过去的近二十年中,对于CMP材料去除机理本文将就非接触状态下的材料去除机理进行探的研究从未间断,学者们针对CMP的不同状态提出讨.对CMP磨损机理和MRR的研究认为:主要是由[4~23]了风格各异的CMP材料去除机理模型.至今为晶片的表面层在抛光液中的物理化学反应和抛光液止
4、,还未有统一的结论.然而,多数学者们都认同以中的磨粒在晶片表面层的冲蚀磨损构成了MRR.徐进[25]下观点:在CMP中,化学作用和机械作用决定了CMP等人在实验中将冲蚀时间延长到30min时,晶片的材料去除率(MRR).对不同的抛光材料,化学作用表面损伤主要表现为具有一致方向的划痕,这说明和机械作用对材料去除和表面平整的关系大不相同磨粒对材料的去除贡献主要是通过犁削作用而实现.[24].CMP中的机械作用通常在两种典型的接触模式假定下存在,即固体/固体接触模型和非接触的流体动力MRRts=MRRg×Na,(1)学模型.固体/固体接触模型认为晶片的工作表面与式中MRRt是磨粒在CM
5、P中的总体MRR,MRRsg是单抛光垫的粗糙峰直接接触,抛光液包含的纳米级磨个磨粒在晶片表面层的MRR,Na是有效磨粒数.粒“镶嵌”在抛光垫中对晶片材料进行磨削,形成两1建模分析[14]体磨损形式,Luo等人对此进行了深入的研究,探1.1建模讨了相应的磨损机理,成功地预测了CMP中的MRR.[25]流体动力学模型认为:当晶片所受载荷很小,晶片与徐进等人的实验观察到:划痕具有一致的方[26]抛光垫之间的相对速度很大时,晶片的工作表面与向且切痕深度较小,根据经典碰撞理论,颗粒沿1228www.scichina.comcsb.scichina.com论文倾斜方向碰撞表面后会出现沿表面的
6、微小移动.在Fr≈2π2CuwE−1()η0.340.21′0.44.(4)z本文中,我们假定抛光液中的磨粒沿X方向随流体前作用于晶片上的外加载荷wz完全由与晶片接触进,与晶片发生相互作用时受力如图1所示,其中,的流体来承受,当磨粒和晶片接触时,在静态的观点磨粒为球形,半径为r.假定均匀分布在抛光液中,上看:我们可以把磨粒和晶片看作是一个系统,则和且大小均一致.晶片一样,磨粒也受到流体向上的压强,作用在磨粒上产生了Z方向上的力为,wzFp==PSssS,(5)Sw式中P是作用在磨粒下半球球面上的压强,为计算方便,取流体在晶片表面的平均压强的值为P,Ss为2磨粒下半球的球面积,其值
7、为2πr,Sw为晶片的待加22工球冠表面积,其值为2πRRaa()−−RRaw,Rw为晶22Rw0+δ片的半径,Ra为晶片球面的半径,值为Ra=,2δ0δ0是晶片形状参数,则:2wrzFp=,(6)22RRaa()−−RRawF和Fp在晶片表面弧线的半径方向的分量为FFnp=+cosβFsinβ,(7)图1单个磨粒与晶片表面相互作用的原理图式中β为Fp和磨粒与晶片表面碰撞点的法线方向N所夹的锐角.从整个弧线上看,β为变量,当碰撞点我们假定流体介质是牛顿流体,当晶片和抛光固定时,β
