碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展

化学机械抛光已经成为半导体制造中关键的工艺步骤之一,该技术是目前实现碳化硅晶片超精密加工的一种常用且有效的方法,可用于加工晶片表面,以获得高材料去除率、高表面质量和高表面平整性的晶片。然而,在碳化硅晶片化学机械抛光中,晶片表面材料去除非均匀性一直是一个具有挑战性的问题,减小晶片表面材料去除非均匀性对确保半导体器件的高性能和稳定性至关重要。本文介绍了碳化硅材料的性质及应用与化学机械抛光工艺,研究了不同碳化硅化学机械抛光技术的材料去除机理、不同化学机械抛光技术的发展状况和性能及优缺点,综述了碳化硅晶片化学机械抛光中材料去除非均匀性影响因素,如:抛光压力、抛光液(磨粒)和转速等因素,最后对未来碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究做出了展望。

单晶SiC基片干式摩擦化学机械抛光初探

针对碳化硅(SiC)基片在抛光过程中效率低、费用高、环境污染大等问题,提出了一种在干式状态下对SiC基片进行摩擦化学机械抛光的方法(dry tribochemical mechanical polishing,DTCMP)。探究不同工艺参数(磨料种类、磨粒粒径、磨粒含量、抛光盘转速、抛光载荷、固相氧化剂含量)对单晶SiC基片抛光效率和表面质量的影响规律。研究结果表明:金刚石磨粒更适合SiC的摩擦化学机械抛光;当磨粒粒径为W1,磨粒质量为4 g,抛光盘转速为70r/min,抛光载荷为20.685 k Pa,固相氧化剂过碳酸钠添加量为10g时,其为最优工艺参数。采用最优工艺参数对表面粗糙度约为20nm的单晶6H-SiC基片进行干式抛光加工,最终获得表面粗糙度R_(a)为3.214 nm。DTCMP方法抛光SiC基片比水基抛光法热量损失少,所产生的界面温度更高,反应所需的活化能更低,可以实现SiC基片的绿色、高效和高质量抛光。

Y^(3+)掺杂二氧化硅磨料的合成及其在氧化锆陶瓷中的化学机械抛光行为

为了提高氧化锆陶瓷的抛光效率,在二氧化硅表面掺杂Y^(3+)得到改性磨料.X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析表明,Y元素以Y(OH)_(3)的形式存在于改性磨料中.扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和粒度分析结果表明,复合磨料呈球形,粒度均匀,无聚集体和2次颗粒出现.与纯胶体二氧化硅磨料相比,材料去除率(material removal rate,MRR)提高了33%左右.MRR增大的原因是掺杂的Y(OH)_(3)改变了二氧化硅颗粒的Zeta电位,减小了二氧化硅颗粒与氧化锆陶瓷之间的排斥力,增大了二氧化硅颗粒和氧化锆陶瓷基体之间的接触概率,导致摩擦系数增大.

单晶SiC的化学机械抛光及辅助技术的研究进展

由于单晶碳化硅(SiC)的传统化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)技术加工效率低,故提高SiC表面质量和材料去除率成为研究热点.总结了CMP中抛光液的主要成分,比较了CMP辅助抛光技术对单晶SiC抛光性能和作用机理的影响,并对单晶SiC-CMP技术的未来发展进行了展望.

化学机械抛光中摩擦润滑与化学行为研究进展

从三个方面对化学机械抛光(CMP)过程中摩擦与化学行为的研究进行了综述,其主要分为:关于抛光液中化学组分影响晶圆摩擦润滑状态的实验研究、CMP过程中抛光液组分与晶圆表面材料反应的分子动力学和反应力场分子动力学模拟研究、同时考虑摩擦润滑与化学反应的CMP材料去除速率模型。针对CMP过程中机械与化学协同作用的机理研究尚不明确,考虑机械摩擦与化学反应协同作用是未来完善CMP理论框架的重要研究方向之一。

单烷基磷酸酯钾盐和烷基糖苷对钴互连化学机械抛光的影响

[目的]目前钴(Co)互连化学机械抛光(CMP)使用的传统唑类抑制剂(如苯并三氮唑)一般有毒性,会对环境造成危害。[方法]在以甘氨酸为配位剂、过氧化氢为氧化剂和SiO_(2)(平均粒径60 nm)为磨料的情况下,添加阴离子型表面活性剂单烷基磷酸酯钾盐(MAPK)和非离子型表面活性剂烷基糖苷(APG)作为抑制剂,得到绿色环保的抛光液。先从Co的去除速率和静态腐蚀速率、抛光液的润湿性及抛光后Co的表面品质入手,研究了MAPK与APG对Co互连CMP的影响。接着通过电化学分析和密度泛函理论分析,构建出两种表面活性剂在Co表面的吸附模型,探讨了它们对Co互连CMP的影响机制。[结果]MAPK与APG复配时抛光液的润湿性最好,Co镀膜片在CMP过程中的去除速率和静态腐蚀速率分别为454 nm/min和1 nm/min,抛光后表面品质良好,无腐蚀缺陷。[结论]MAPK和APG都较环保,有望替代传统抑制剂用于钴互连化学机械抛光。

环保型缓蚀剂壳寡糖对304不锈钢化学机械抛光的影响

为研究环保型缓蚀剂壳寡糖对304不锈钢化学机械抛光过程和抛光效果的影响,探讨其在抛光过程中与金属表面的作用方式及吸附机制,采用化学机械抛光试验、接触角测量、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线色散能谱仪(EDS)分析等方法,研究壳寡糖有机分子对304不锈钢化学机械抛光的影响,采用量子化学计算研究壳寡糖分子的全局反应参数,分析计算反应活性位点,采用分子动力学模拟有机分子在金属表面的吸附并分析活性原子的径向分布。结果表明:CMP抛光过程中添加壳寡糖能够通过吸附作用在304不锈钢表面形成一层疏水性的薄膜,抑制氧化剂对不锈钢表面的刻蚀,提高抛光后的表面质量;在壳寡糖质量浓度为400 mg/L时得到表面粗糙度为1.65 nm的最佳表面质量。量子化学研究表明,壳寡糖的活性反应位点主要为O原子,能够在金属表面形成多中心吸附。分子动力学模拟表明,壳寡糖有机分子能够平行吸附在金属表面,有机分子中的O原子能够与铁原子形成配位键,在吸附中占据主导地位。

氧化剂含量对304不锈钢化学机械抛光的影响

为了探究氧化剂含量对304不锈钢化学机械抛光的影响及其作用机制,采用过氧化氢作为氧化剂,研究不同氧化剂质量分数下304不锈钢材料去除率及表面粗糙度值的变化规律,并基于接触角和电化学试验分析过氧化氢在抛光过程中的作用机制。结果表明:化学机械抛光过程中过氧化氢含量的增加有利于304不锈钢表面氧化膜的生成,从而有效提高304不锈钢的材料去除率及表面质量;但是过高的过氧化氢含量会导致304不锈钢表面氧化膜致密,使得化学作用与机械作用失衡从而造成304不锈钢表面质量下降;当过氧化氢质量分数为0.04%时,抛光后304不锈钢表面粗糙度值最低,仅有2.5 nm,材料去除率达到324.21 nm/min。

化学机械抛光垫在集成电路制造中的专利技术分析

通过对美国罗门哈斯公司1997—2020年在抛光垫领域的专利申请进行分析,得到其全球专利申请量分布和申请趋势、专利转让情况、专利法律状态、专利布局区域、专利引用状况以及技术发展脉络等重要信息。确定了该公司从1909年至今在该领域中的研发历程和研发重点方向,为我国企业在该领域的发展和突破,以及在技术和区域方面的专利布局提供一定的参考,促进我国在化学机械抛光垫领域中的健康发展。

潮湿颗粒电解质电化学机械抛光铜工件的接触特性研究

潮湿颗粒电解质电化学机械抛光(Moist particle electrolyte electrochemical mechanical polishing,MPEECMP)作为新兴技术,仍存在难以获得高表面质量的问题。为解决该问题,深入研究电解质颗粒与工件的接触特性,采用离散元仿真软件Altair EDEM探究了工件倾斜角、转速对接触数量、接触力的影响规律,并进行MPE-ECMP工艺试验。研究结果表明,倾斜角为30°时,单位时间内电解质颗粒与工件的接触数量最多,且切向力最大,为3.38 mN;在90°时,切向力最小,为1.21 mN。随着工件转速增大,单位时间内电解质颗粒与工件的接触数量变少,电解质颗粒与工件接触的法向力、切向力呈增大趋势。当抛光电位(vs.Hg/Hg_(2)SO_(4))为0.8 V,工件倾斜角为30°,抛光1 h,表面粗糙度从S_(a)433.51 nm降低到S_(a)22.43 nm,降低了94.8%。结果证明了工件倾斜角、转速的调整可有效提高MPE-ECMP的抛光精度,表面粗糙度的降低是由接触数量及接触力共同决定的,EDEM可有效模拟电解质颗粒运动的流态特性,为MPE-ECMP的进一步研究奠定了基础。

石英晶片化学机械抛光工艺优化

为同时优化化学机械抛光(CMP)后石英晶片平面度和表面粗糙度,进行化学机械抛光协调控制实验。分析了抛光时间、抛光转速和抛光压力对石英晶片平面度和表面粗糙度的影响,确定了最佳工艺参数。研究结果表明:石英晶片平面度和表面粗糙度都随抛光时间延长而优化,在150 min时,平面度和表面粗糙度都能达到稳定。抛光时间为150 min、抛光盘转速为50 r/min、抛光压力为53.5 N时,能使晶片同时得到较好的平面度和表面粗糙度,此时平面度为2.03μm,表面粗糙度为0.68 nm。

TB2钛合金电化学机械抛光试验研究

航天器用星箭连接带的材料为TB2钛合金,对表面质量要求严格。提出电化学–电化学机械组合抛光TB2钛合金的方法,通过机械作用控制表面TiCl4黏性层厚度,设计了固结磨料工具阴极,搭建了电化学机械抛光试验系统。开展了不同组合形式的电化学–电化学机械组合抛光优选试验,研究了电压、工具转速、进给速度等工艺参数对组合抛光后表面质量的影响,最后,在电压25 V、工具阴极转速100 r/min、工具阴极进给速度30 mm/min,电化学抛光1次+电化学机械抛光1次组合形式交替加工15次的条件下,获得了表面粗糙度Ra0.031μm、Sa0.082μm的表面。实现了TB2钛合金薄板零件的连续抛光。

壳聚糖在铝低压力化学机械抛光中的钝化作用及抛光行为研究

为了满足铝等软金属低压力的抛光要求,往往采用引入钝化剂的方式增强抛光液的缓释性,从而提高抛光质量。但是传统的强钝化剂存在价格高、缓蚀效果过强、污染环境等问题。采用羧甲基壳聚糖(CMCS)代替传统的强钝化剂以达到弱缓蚀与低压力抛光的平衡作用。通过静态腐蚀、化学机械抛光(CMP)实验,研究了CMCS对铝片在弱碱性条件下的抛光效果的影响规律;通过Zeta电势及粒径分析研究了CMCS对抛光液硅溶胶稳定性的影响。实验结果表明,CMCS的加入可以有效降低铝片表面受到的化学腐蚀作用;同时质量分数为0.05%的CMCS还可以提高硅溶胶的分散性,防止磨料聚集对铝片表面造成侵蚀性划伤。采用XPS、电化学等实验表征手段研究了CMCS对铝片表面的缓蚀效果,验证了CMCS在铝片表面可以形成纳米吸附层起到界面型缓蚀剂的作用。

光电化学机械抛光装置设计

针对第三代半导体材料氮化镓(GaN)光电化学机械抛光的加工需求,研制了具有紫外光照射、电压加载和机械抛光功能的光电化学机械抛光(PECMP)装置。设计了紫外光可直接照射到GaN晶片表面的抛光盘单元,加工区稳定加载电压且与装置绝缘的电气回路,抛光盘和工件盘能够独立回转的驱动机构,并且抛光盘可以往复移动、抛光压力可以可调加载。建立了PECMP装置的整机三维模型,通过静力学分析和模态分析,优化了抛光盘和龙门等关键部件结构。搭建了PECMP抛光装置,并进行了性能测试,实现了可施加的光照强度0~200 mW·cm^(−2),电压大小0~10±0.1 V,绝缘电阻150 MΩ,抛光盘转速10~100 r/min,工件转速10~200 r/min,抛光盘往复移动速度1~100 mm/s,压力加载范围0~200 N,满足2英寸GaN晶片的PECMP加工需求。

高端电子制程中钴化学机械抛光剂的研究进展(Ⅰ)──氧化剂

介绍了化学机械抛光(CMP)的基本原理。概述了Co作为阻挡层及互连材料时,化学机械抛光液中常用氧化剂(包括H_(2)O_(2)、NaClO和K_(2)S_(2)O_(8))的研究进展和作用机制。

哑铃形氧化硅磨粒的制备及其化学机械抛光性能

通过阴离子诱导辅助生长法制备哑铃形氧化硅磨粒,并对哑铃形氧化硅磨粒进行表征,研究该磨粒对氧化锆陶瓷化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)性能的影响.实验结果表明:哑铃形氧化硅磨粒稳定性好、分散性好,具有优异的化学机械抛光性能.与球形氧化硅磨粒相比,用哑铃形氧化硅磨粒对氧化锆陶瓷抛光时,材料去除率提高39%,抛光后陶瓷表面平整光滑,表面粗糙度为1.960 nm.这是因为哑铃形氧化硅磨粒抛光液润湿性好,可以与氧化锆陶瓷表面充分接触,有利于固相化学反应的发生.此外,哑铃形氧化硅磨粒的摩擦系数更大,这使得机械效应显著增强.

工艺参数对化学机械抛光磷锗锌晶体表面粗糙度的影响

针对高能领域对磷锗锌(ZGP)晶体表面粗糙度达到亚纳米级的要求,提出一套完整的ZGP晶体加工工艺。首先用内圆切割机将ZGP晶体切成7 mm×7 mm×15 mm的长方体;然后根据对比实验,选取最佳磨粒(金刚石)粒径为5μm,用机械研磨的方法使晶体的表面粗糙度(Sa)降至150 nm左右;随后基于化学机械抛光(CMP)技术,设计了粗抛光(采用3μm的金刚石悬浮液作为抛光液)和精抛光(SiO_(2)体系)两道工序,通过单因素实验确定了最佳抛光时间均为1 h,并通过正交试验得到如下优化的精抛光工艺:SiO_(2)粒径0.05μm,SiO_(2)质量分数8%,H_(2)O_(2)质量分数3%,pH=9,抛光压力17.24 kPa,抛光转速13.5 r/min,抛光液流量300 mL/min。最终得到表面粗糙度为0.106 nm的超光滑ZGP晶体。

A向蓝宝石晶片化学机械抛光研究

采用正交试验和单因素实验,研究了磨粒种类(包括SiO_(2)、Al_(2)O_(3)和CeO_(2))和抛光工艺参数(包括抛光压力、抛光盘转速和抛光液流量)对A向蓝宝石(1120)化学机械抛光(CMP)效果的影响。通过超精密分析天平计算材料去除率,原子力显微镜观察抛光表面形貌。结果表明:在A向蓝宝石晶片CMP抛光过程中,胶体SiO_(2)磨粒比Al_(2)O_(3)和CeO_(2)磨粒的抛光效果好。抛光工艺参数对A向蓝宝石材料去除率的影响程度主次顺序为抛光压力、抛光盘转速和抛光液流量。当抛光压力为14.5 kPa,抛光盘转速为80 r/min,抛光液流量为90 mL/min时,A向蓝宝石晶片抛光效果最优,材料去除率达到2 366 nm/h,表面粗糙度(Ra)为0.80 nm左右。

光刻与化学机械抛光技术原位集成制备SU-8微透镜阵列

垂直腔面发射激光器通常与微光学元件组合使用,以改善激光束的聚焦或准直效果。研究了一种光刻和化学机械抛光技术相结合的新工艺方法,用于原位制备SU-8微透镜阵列。通过调控光刻参数,可以精确控制微透镜的直径与高度。实验制备了不同尺寸的SU-8微透镜阵列,它们具有光滑的表面,分辨率可达12.7 lp/mm,展示出良好的光学特性与高稳定性。这是一种低成本和高良率的微透镜制备方法,适用于在已成型的垂直腔面发射激光器表面原位集成制备高精度定位的微透镜,无需额外的光学对准、转移和键合步骤。

碲锌镉衬底的化学机械抛光液研究

作为碲锌镉衬底表面加工的重要工序,化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)的加工效果决定了碲锌镉衬底的表面质量和生产效率。抛光液是CMP的关键影响因素之一,直接影响衬底抛光后的表面质量。对碲锌镉衬底CMP工艺使用的抛光液进行了研究,探究了以二氧化硅溶胶和过氧化氢为主体的抛光液体系在不同pH值、不同磨料浓度下对衬底抛光表面质量和去除速率的影响。结果表明,使用改进后的抛光液体系对碲锌镉衬底进行CMP,能够在获得超光滑表面的同时实现高效率加工,为批量化制备高表面质量的碲锌镉衬底奠定了良好基础。