研磨抛光液对CMP研磨抛光工艺的影响

抛光液的pH最优值为10?11．5，常通过向水溶液中加入Na0H、KOH或NH40H来控制。碱性抛光液的致命缺点是不容易找到在弱碱性中氧化势高的氧化剂，导致抛光效率偏低。碱性抛光液的氧化剂主要有FeN033、K3FeCN6、 NH40H和一些有机碱。

（2）氧化剂对抛光效果的影响

金属材料的抛光过程中，为了能够快速地在加工表面形成一层软而脆的氧化膜，便于后续的机械去除，从而提高抛光效率和表面平整度，通常会在抛光液中加人一种或多种氧化剂。氧化剂种类会对抛光效果产生影响。抛光金属钨时常用的氧化剂有H202、FeNO33，及其混合物。H202：氧化性较弱，氧化反应仅仅发生在钨表面颗粒的边缘，只有当氧化产物W03溶解后，剩余的硬度较大部分才能暴露出来，参与下一次氧化反应；FeN033，中三价Fe离子氧化性较强，能在钨表面能够迅速形成硬度小、脆性大且容易去除的氧化层，从而提高了抛光效率和表面质量；当H202，FeN033混合剂时发生Fenton反应，生成氧化性更强的过氧氢氧自由基?OOH，氧化层的形成速度进一步加快，所以相对于FeNO33，抛光效率提高大约一倍。目前最常见的一种比较经济的氧化剂是H2O2。H2O2虽然能用于多种材料的化学机械抛光，但由于其化学性质不稳定，容易发生分解，从而影响抛光效果。为了增强H2O2的稳定性，通常会向抛光液中添加一些稳定剂，以防止其分解。例如在铜及氮化钛的抛光过程中，通常添加0．5％重量百分比的H3PO4。作为稳定剂，抛光效率显著提高。氧化剂的浓度会对抛光效果产生影响。在铝抛光过程中，随着氧化剂H2O2浓度的增加，氧化层形成速度加快且被及时去除，抛光效率提高，表面刮痕尺寸减小；但当氧化剂浓度增加到一定值时候，抛光效率反而降低，表面刮痕尺寸增大，其原因是化学反应速度大于机

械去除速度，氧化层不能及时被去除，阻碍了氧化反应的进行，机械去除也使得表面容易产生较大尺寸的刮痕，所以氧化剂H2O2浓度应控制在1～3％体积百分比。而在铜抛光过程中，抛光液中氧化剂H2O2的浓度最好控制在7％以下。此外，氧化剂的浓度也会影响抛光液中磨粒特别是金属磨粒的平均尺寸。随着氧化剂浓度的增加，磨粒的平均尺寸会减小，其原因是磨粒表面经氧化反应形成的氧化层，一部分溶解，另外一部分则被抛光垫去除。

（3）磨料对抛光效果的影响

化学机械抛光过程中磨料的作用是借助于机械力，将晶片表面经化学反应后形成的钝化膜去除，从而达到表面平整化的目的。目前常用的磨料有胶体硅、SiO2、Al2O3，及CeO2等。磨料的种类决定了磨粒的硬度、尺寸，从而影响抛光效果。抛光铝实验中，相对于Al2O3，磨料，胶体SiO2磨料能获得较好的表面平整度，表面刮痕数量少、尺寸小，其原因是胶体SiO2磨粒尺寸小，抛光时磨料嵌入晶片表面的深度较小，并且在优选其它参数的情况下，也能获得很高的抛光效率。磨料的浓度会影响抛光效果。抛光铝实验中，随着磨料胶体SiO2浓度的提高，单位面积参与磨削的磨粒数目增加，所以抛光效率提高，表面刮痕尺寸缓慢增大或基本保持不变；但磨料浓度过大时，抛光液的粘性增大，流动性降低，影响加工表面氧化层的有效形成，导致抛光效率降低。磨粒的尺寸也会对抛光效果产生影响，磨粒尺寸越小，表面损伤层厚度小。据统计，在硅片的精抛过程中，每次磨削层的厚度仅为磨粒尺寸的四分之一。为了有效地减小表面粗糙度和损伤层厚度，通常采用小尺寸的胶体硅15?20nm来代替粗抛时的胶体50?70nm；同时通过加强化学反应及提高产物的排除速度来提高抛光效率。

（4）分散剂对抛光效果的影响

理想的抛光液在复杂的化学环境及动态的加工条件下。都应具有足够的稳定性。但实际应用中，抛光液的磨料容易发生聚集硬聚集，产生了微量的大尺寸磨料颗粒，导致加工表面受力分布不均匀，粗糙度增大，表面缺陷增多，抛光过程难以控制，同时也影响了后续的表面清洗工作。为了消除硬聚集现象，通常在抛光之前对抛光液进行必要的过滤。但过滤并不能完全消除聚集现象，其原因是在实际抛光过程中，加工参数的波动会导致磨料的瞬时聚集软聚集，从而影响加工表面质量。因此，为了消除聚集现象，使磨料悬浮均匀，通常在抛光液特别是离子浓度大且酸碱度很高的抛光液中加入适量的分散剂。分散剂可以使磨料颗粒之间产生排斥力，防止磨料聚集。从而保证抛光液的稳定性，减少加工表面缺陷。但随着分散剂的加入，磨料颗粒与加工表面之间会发生交互作用，形成表面活性分子，导致摩擦力减小，抛光效率降低。

3.3.2抛光液的物理性能及对抛光效果的影响 （1）流速对抛光效果的影响

研究表明，当抛光液的流速较小时，晶片、磨料及抛光垫三者之间的摩擦力增大，温度升高，导致加工表面粗糙度增大，表面平整度降低；当流速较大时，能够使反应产物及时脱离加工表面．还可以降低加工区域的温度，使得加工表面温度相对一致，从而获得较好的表面质量。但抛光液流速过大时，又会破坏加工表面平整度，降低抛光效率。目前很多公司广泛应用的一种方法是抛光开始阶段采用较小的流速，随着加工区域温度的升高，流速逐渐提高至平均值，最后阶段采用较大的流速。

（2）粘性对抛光效果的影响

抛光液的粘性会影响晶片与抛光垫之间的接触模式。接触模式可借助

Hersey number来描述。

Hersey numberviscosity×velocity／pressure

从上式可知，Hersey number与抛光液的粘性、相对速度及抛光压力有关。在其它参数不变的情况下，当抛光液粘性较小时，Hersey number 较小，接触模式属于边界模型，晶片、抛光垫之间形成的流体层薄膜厚度较小，近似与一种完全的固体-固体接触，摩擦系数较大，抛光效率较高；当抛光液粘性较大时Hersey number达到一定值以后，接触模式属于弹性流体力学模型固体-液体接触或流体力学模型液体-液体接触，薄膜厚度较大，摩擦系数较小，抛光效率较低。抛光液的粘性还会影响抛光液的均布、流动及加工表面的化学反应。在氧化物的抛光过程中，随着添加剂的加入，抛光液的粘性增大，抛光效率线性降低，其原因是添加剂阻碍了抛光液的均匀分布和有效流动。在钨的抛光过程中，仅加入少量的添加剂，抛光效率显著降低，继续加入添加剂时，抛光效率基本不变，仍维持在一个很小值，其原因是添加剂阻碍了加工表面氧化层的进一步形成，材料去除主要依靠机械摩擦作用来完成

（3）温度对抛光效果的影响

随着抛光液温度的升高，化学反应速度加快，抛光效率提高。但温度过高时，化学反应过于剧烈，易造成表面疲劳破损层的厚度增大，从而影响加工表面质量。此外，抛光液的粘性也容易受到温度的影响，随着抛光液温度的升高，抛光液的粘性降低。所以评价抛光液的性能时，应充分考虑温度的影响。

（4）抛光液的循环使用

虽然化学机械抛光技术在半导体材料精加工方面得到广泛应用，并取得显著成果，但由于某些问题的存在如成本高等，限制了该技术的进一步发展。

据统计，仅用于购买商业化抛光液的费用就占整个抛光过程成本的50％。而在

实际加工过程中，仅很小一部分抛光液的化学及物理性能发生改变，其