应用物理学专业毕业论文24054.doc

大学本科生毕业论文题 目：化学机械抛光原理及其浆料研究专 业：应用物理学班 级：08级应用物理化学机械抛光原理及其浆料研究摘 要随着半导体产业的快速发展，多层布线技术得到了大力开发，导致人们对电子元件表面的平整度和光洁性的要求越来越高。为了满足这一要求，使得人们对化学机械抛光技术（CMP）的研究力度不断加大。本文主要对对化学机械抛光技术及国内外研究现状、抛光磨料及浆料的制备以及材料去除机理作了研究与分析。在化学机械抛光技术中，浆料的选择决定着是否能够得到高平整性与高光洁度的抛光元件表面。继而磨料作为浆料的主要组成部分，得到了人们的大力关注。磨料主要分为三类：单磨料、混合磨料、复合磨料。本文主要研究了SiO2、Al2O3、CeO2三种单磨料的特点和制备方法，介绍了混合磨料、复合磨料的特点。对CMP技术的研究，最主要的是研究被抛光元件表面的材料去除机理。由于接触形式不同，所依据的物理理论也不尽相同。本文主要分析了基于摩擦力学原理和流体力学原理的两种不同的材料去除机理模型。由分析结果可知，通过设定化学机械抛光过程中的各种参数值，可以使人们通过调节施加在被抛光元件表面的压力以及被抛光元件和抛光垫之间所产生的摩擦力来提高化学机械抛光的抛光能力，以得到拥有更高平整度和光洁度的元件表面。关键词：化学机械抛光、磨料、浆料、去除机理模型AbstractKeywords: chemical mechanical polishing, polishing solution , polishing removal mechanism model目录摘 要IABSTRACTII第一章 引言11.1化学机械抛光及其原理11.2化学机械抛光技术的发展2第二章 国内外对抛光浆料的研究现状及浆料的制备32.1抛光浆料简介32.2国内外对抛光浆料的研究32.3浆料制备方法5第三章 SIO2、AL2O3、CEO2磨料的简介与其制备方法63.1单磨料的特点63.1.1对SiO2磨料的研究63.1.2对Al2O3磨料的研究83.1.3对CeO2磨料的研究103.2混合磨料的特点123.3复合磨料的特点12第四章 化学机械抛光技术的抛光机理和模型构建134.1化学机械抛光机械去除机理模型概述134.2 CMP抛光机理模型举例134.3 CMP去除机理模型分析144.3.1基于摩擦力学原理的典型模型的分析144.3.2基于流体力学原理的典型模型的分析19结 论23参考文献24致 谢26第一章 引言在20世纪60年代以前，对于各种材料工件抛光还大都沿用单独的机械抛光或者化学抛光。机械抛光主要是采用氧化镁、氧化锆等抛光颗粒以机械研磨的方式对工件进行抛光，尽管机械抛光的速率很高，但是这种方法对抛光元件的表面损伤常常是非常严重的。同时对于化学抛光来说，这种方法是以化学反应为基础，因此其对抛光元件的表面损伤是很小的，并且在抛光后可使元件表面的抛光精度比较高，获得较好的抛光效果。但是由于化学反应所需的时间一般都较长，这就导致了抛光速率变得很低。随着科技的不断进步，半导体产业在60年代获得了快速发展，原有的抛光方法已不能满足需求，这就迫使人们不得不对抛光方法进行改进。因此人们便开始尝试各种各样的抛光方法，这时便有人将机械抛光与化学抛光结合起来，化学机械抛光技术（CMP）便出现了。并且在1965年，由Monsanto第一次提出了化学机械抛光（CMP）这一概念1。1.1化学机械抛光及其原理CMP技术将机械抛光和化学抛光的各自优点结合起来，使之进行抛光时，即可以获得较好光洁度和平整性的平面，又可以得到比较高的抛光速率。这种技术是目前能够实现全局平坦化的唯一有效方法2。化学机械抛光技术首先利用抛光液中的催化剂、表面活性剂、氧化剂、流动改进剂、稳定剂等成分与元件表面的原子进行一系列的氧化还原反应，从而达到软化元件表面的目的。然后使用物理机械的方法去除该软化层，使之裸露出新的电子元件表面。通过这两步的循环交替进行，进而最终达到对元件表面进行抛光的目的。以化学机械抛光原理为基础的简易抛光机如图1.1所示。图1.1 CMP抛光原理图（1.圆晶片；2.圆晶片固定装置；3.抛光浆料；4.研浆供料；5.抛光垫；6.旋转盘）化学机械抛光装置的基本组成部分是一个转动着的圆盘和一个被抛光电子元件固定装置。这两个装置都可施力于电子元件晶片并使其旋转，在抛光液的润滑下完成抛光。用一个自动研磨浆料添加系统就可以保正抛光垫湿润程度保持均匀， 同时适当地送入新研磨浆料以保持浆料的成分不变。1.2化学机械抛光技术的发展随着半导体产业的不断发展，与其相对应的抛光方法也在不断发展。并从80年代中期以后，为了满足半导体产业对硅元件表面抛光精度的要求，人们开始大力研究化学机械抛光这一方法，这也促使CMP技术开始快速的发展。由于半导体领域中的集成电路快速的发展，且电子产品的尺寸越来越小，这就要求电子元件的尺寸要尽可能的小，并且在小尺寸元件上要进行高密度的集成。一般来说，在各种规模集成电路上，至少有一万个以上的元件。这就要求小尺寸电子元件上的布线密度要非常的高，而电子元件的表面面积是一定的，为了提高电子元件的利用效率，人们便提出了多层布线技术。但多层布线技术对电子元件的表面的平整性和光洁度提出了更高的要求。但是以往的各种抛光方法（比如机械抛光、化学抛光）都不能产生高光洁度和平整性的电子元件表面，而采用化学机械抛光技术不但能实现电子元件表面的全程平坦化，而且其优点也很多，如加工简单、成本低。考虑到化学机械抛光技术的一系列的优点，使得这一技术在80年代得到了各个大公司（如摩托罗拉、奔腾、IBM）投入大量资金进行了研究和商业化开发。目前电子元件层间化学机械抛光技术在美国的生产厂家已经将此技术实用化3。Intel公司的奔腾、IBM公司、苹果公司及摩托罗拉公司都采用这种技术来进行半导体元件的加工。并随着机械抛光技术的不断发展和改进，其应用领域也越来越广，如磁头、光学玻璃、金属材料等表面的抛光领域。但总的来说，化学机械抛光技术的发展主要经历了三个主要阶段：以钨和氧化物作为研磨材料的阶段，且未出现铜布线工艺；19972000年，出现铜镶嵌工艺；开始研究纳米层次，且铜互连层成为研磨对象。第二章 国内外对抛光浆料的研究现状及浆料的制备2.1抛光浆料简介 抛光浆料（抛光液）作为化学机械抛光组成的一部分，拥有着不可替代的作用。因此抛光浆料选择的好坏在很大成分上决定了是否能够得到高平整性与高光洁度的抛光元件。一般来说，化学机械抛光浆料由抛光磨料、去离子水、催化剂、表面活性剂、氧化剂、pH值调节剂、流动改进剂、稳定剂、缓蚀剂其中的一种或者多种组成。但抛光磨料作为主要成分是不可或缺的，在化学机械抛光过程中，主要是在压力的作用下使磨料与硅晶片产生磨擦作用，从而以微划擦、微切削的方式作用于元件表面，最终达到去除元件表面材料的目的。对硅晶片表面进行抛光时，为了使机械去除时的操作和效果更好，这就要促使在硅晶片表面形成一层氧化膜，而氧化膜的产生就需要氧化剂的加入。而pH值调节剂的加入则是为了调配出碱性或者酸性的抛光浆料，酸性抛光液主要是对金属元件进行抛光，碱性抛光液主要是对非金属元件（如硅晶片）进行化学机械抛光。从以上分析可知，影响抛光效果的主要因素包括：抛光浆料中的抛光浆料、抛光液的pH值等；同时抛光浆液在使用过程中的温度与供给速度也会影响抛光效果。现代的化学机械抛光技术主要对抛光浆料有以下要求：无层错、流动性好、硅片表面品质好、低残留、悬浮性能好、易清洗、无毒、抛光速度快、不易沉淀和结块等4。由于国内抛光液制备技术的不成熟，导致大尺寸硅晶片的抛光液很多要使用进口产品，但主要以Rodel、3M、Fujimi等几家大公司为主。而对于抛光液的配方，却都以商业机密的形势进行了保密。因而在此只能简要地介绍国内与国外对于抛光浆料的一些研究。2.2国内外对抛光浆料的研究李薇薇等人5以化学机械抛光动力学过程以及阻挡层化学机械抛光机理为基础，通过实验研究了抛光浆料中抛光颗粒的粒径大小，得出了以小粒径的磨料进行化学机械抛光会获得比使用国际普遍采用的磨料粒径大小（50-70nm）更好的抛光效果。并同时研究了抛光液的流速对抛光效果的影响。其实验所用的磨料SiO2胶体的TEM照片如图2.1所示图2.1 SiO2胶体的TEM照片由于计算机的磁盘与磁头之间的间隙越来越小，为了不使磁头或者磁盘因接触而引起损坏，这就要求硬盘的表面要非常光滑，且没有凹坑、点蚀和划痕等缺陷。雷红等6为了达到这一目的，制备了一种以SiO2为磨料的抛光液用于进行硬盘表面的化学机械抛光，并且得到了已知报道以来硬盘表面最低的平均粗糙度和波纹度。用普通抛光液进行抛光得到的硬盘表面和雷红所制备的抛光液抛光所得到的硬盘表面的对比照片如图2.2所示6。 图2.2 不同抛光液硬盘表面形貌对比照片（左：普通SiO2 抛光液抛光后的硬盘表面；右：雷红所制备SiO2抛光液抛光后表面）S.L.Wang等7研究了以SiO2为磨料的碱性浆料对Cu布线抛光的一些工艺参数。D.S.Lim等8为了减少CMP碟形坑这一缺陷和提高全局平坦化的效率，研究了以纳米稀土材料CeO2颗粒的粒径大小对化学机械抛光的影响。Y.H.Kim等9研究了纳米稀土材料CeO2的晶体结构对化学机械抛光性能的影响。虽然国外对CMP抛光液的研究比较早，且很多成果都已经比较成熟。然而由于抛光液配方的商业性，至今为止只有少数的专利或者文献公布了其成果，且只限于公布成果并无详细抛光液配方。2.3浆料制备方法分散法浆料制备的主要方法，以SiO2浆料的制备为例，首先，将纳米SiO2粉末通过机械搅拌的方法使其直接分散到去离子水中，即将SiO2颗粒放于液体中进行润湿；其次，使液体中的团聚体在搅拌力作用下被打开成更小层次的团聚体或者单独的原生粒子；最后，将更小层次的团聚体或者单独的原生粒子用稳定剂稳定住，以防止团聚的再次发生。采用分散法制备出的SiO2抛光液浓度高、磨料颗粒均匀、粘度较小，而且抛光液的分散性好且纯度高。但抛光浆料的性质还会受不同磨料粉体本身性质的影响。抛光浆料的制备方法最主要的部分在于抛光磨料的制备，而磨料的制备方法将于下一章来进行介绍。第三章 SiO2、Al2O3、CeO2磨料的简介与其制备方法3.1单磨料的特点单磨料浆料是指在抛光液中只含有一种无机粒子，如SiO2、CeO2、Al2O3、ZrO2和TiO2等，其中SiO2、CeO2和Al2O3磨料的应用最为广泛，但却都有自己本身不可忽略的缺点。例如SiO2抛光磨料以其机械磨损性能较好、耐腐蚀、抗氧化、分散性好、来源广泛等优点，受到抛光材料界的青睐。但其的缺点也是不可忽略的，最主要的一点是其硬度比较高，在进行化学机械抛光时，非常容易对电子元件的表面造成划痕等缺陷，这就降低了电子元件的平整度。但随着人们不断地对二氧化硅磨料的开发，其在化学机械抛光中的地位有时仍是不可替代的。Al2O3则是凭借着其硬度高这一优点，被人们应用到一些对抛光面的平整度和光洁性要求较低的领域，比如宝石表面的抛光加工。其缺点也就不言而喻了，即可用其进行抛光的领域是非常有限的。而稀土氧化物CeO2具则以其比SiO2和Al2O3硬度小的优点，常常被人们用于高精度元件表面的抛光，适应了时代发展的潮流。以较高的抛光速率、非常好的光洁性和平整度越来越受到人们的青睐。而CeO2主要缺点是其黏度较大，在进行后续清洗时比较麻烦 。3.1.1对SiO2磨料的研究一、SiO2的简介SiO2是一种无味、无污染和无毒的一种非金属功能性材料。且纳米SiO2是一种无定形的白色团聚体，因此在化学机械抛光技术出现后，与其相对应的SiO2抛光液的开发也得到了大力的研究。SiO2因其机械磨损性能较好、耐腐蚀、抗氧化、来源广泛等优点，致使其在抛光颗粒家族中占了非常高的比重。现SiO2磨料主要应用于集成电路、单晶硅片、互连光纤等的抛光。但由于各元件的抛光精度不同，SiO2颗粒的粒径和尺寸也不尽相同。图3.110给出的是用于化学机械抛光的胶体SiO2颗粒扫描电镜的照片，从照片可以看出SiO2形貌呈现球形，且颗粒粒径分布均匀。图3.1 SiO2扫描电镜照片二、SiO2的制备方法（1）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶方法因其独有的各种优点，使其成为了当今制备SiO2颗粒的一种非常重要的方法。此方法通常是以金属盐或者无机盐为前驱物（如水玻璃），经过水解反应、缩聚反应的过程逐步使SiO2粉末进行凝胶化，然后进过一定的程序（如陈化和干燥），最终形成所需要的二氧化硅凝胶。其制备流程如图3.2所示。用该方法制备的SiO2磨料纯度比较高，且其颗粒的大小比较均匀，但在抛光后不易清洗。水溶剂金属盐或无机盐水解缩聚溶胶陈化SiO2凝胶SiO2粉末干燥图3.2 二氧化硅凝胶制备流程图（2）化学沉淀法化学沉淀法主要是应用一定条件下的化学反应生成SiO2沉淀，其制备流程如图3.3所示。运用沉淀法所制备的SiO2磨料具有粒度分布均匀且粒径较小、形状呈球形、比表面积比较大等优点，且获得的SiO2粉体为无定形的。沉淀剂金属盐或无机盐反应器沉淀洗涤烘干SiO2粉体图3.3 制备流程图（3）微乳液法微乳液法属于液相化学制备方法的一种。该种方法主要先用各种成分配出乳液，然后用剂量比较大的溶剂去包裹剂量比较小的溶剂，进而形成一个一个的微泡。这就使SiO2的成核、团聚等一系列的过程全都在这个小泡中进行，最终自然而然的形成球状颗粒。使用微乳液法制备的SiO2粒子的尺寸小、分散性好，并且操作过程比较简单。3.1.2对Al2O3磨料的研究一、Al2O3的简介：Al2O3与SiO2一样是一种无定形的粉状物，因其稳定性好、硬度高、来源广等优点，在化学机械抛光的发展进程中，开始被人们用于作为化学机械抛光的磨料。随着人们对Al2O3磨料的认识不断加深，人们开始重视这一新的抛光磨料。Al2O3磨料因其硬度高于SiO2，它还可以用于各种宝石和石英的表面抛光。现Al2O3磨料和SiO2磨料已然成为抛光磨料家族的两大支柱。与SiO2磨料一样，作为化学机械抛光的磨料，其尺寸大小、物理性质与化学性质，都会对化学机械抛光的抛光效果产生直接的影响。当以亚微米级球形Al2O3粉末或者纳米级球形Al2O3粉末作为化学机械抛光的磨料时，其优点是非常明显的，例如去除率高、平整性好、抛光率快、光洁度高、抛光面不易产生微细划痕，其抛光效果并不次于SiO2磨料。因此，人们开始热衷于研究微米级球形Al2O3和纳米级球形Al2O3的制备方法，以便更好的探索这一新的抛光磨料的领域。Al2O3磨料的SEM形貌图如图3.4所示11。图3.4 Al2O3 磨料的SEM形貌图二、Al2O3磨料制备方法(1)溶胶-凝胶法该法与制备SiO2的方法相识，首先是将Al的化合物（如Al(NO3)39H2O）经过一定的水解反应，然后进行干燥会得到干凝胶，然后对干凝胶进行煅烧，使干凝胶的结构与形态发生转变，继而就会得到Al2O3粉末。其形貌图如图3.5所示10。由形貌图可看出，由该方法所制备的Al2O3磨料的形状呈球形，且其粒径比较小。图3.5 Al2O3粉末形貌图(2)化学气相沉积法化学气相沉积法是将Al的化合物放置在高温下，通过高温加热使化合物分解并释放出单质Al的蒸汽，单质铝会与空气中的氧气发生氧化反应，从而生成Al2O3。使用这种方法所制备的Al2O3颗粒粒径一般非常小，最大也只有几十纳米。其制备出的Al2O3的形貌图如图3.6所示10。图3.6 Al2O3的形貌图3.1.3对CeO2磨料的研究一、CeO2的简介稀土元素铈是人们认识稀土元素后应用最早的一种元素。由于性质活泼，导致其在自然界中，大部分都是以氧化物、氟化物等的形式存在。因此，人们对其氧化物二氧化铈的研究较多。作为一种廉价的稀土氧化物，已经被应用到很多的领域。例如汽车尾气处理、化学机械抛光、防晒剂等。本文主要研究CeO2作为化学机械抛光中的抛光磨料时的各种性质。CeO2以其强氧化性和与二氧化硅相比较小的硬度等性质，使其成为了化学机械抛光磨料家族中新成员。由于CeO2相对来说比较柔软，以CeO2为磨料进行抛光后，电子元件表面的划伤很少，即电子元件表面的平整度较高。这一系列的优点使的CeO2得到了人们的关注，而且导致许多人开始大力探索这一新的化学机械抛光磨料。二、CeO2磨料的制备方法(1)溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法作为制备化学机械抛光磨料的一种常用方法，当然也可以用于制备CeO2颗粒。主要步骤是将稀土金属盐进行水解，然后再经过聚合作用生成稀土金属氧化物的溶胶，继而对溶胶进行老化生成CeO2凝胶，在对凝胶进行焙烧干燥后就可以得到粉CeO2末。使用此方法制备的CeO2颗粒具有粒径小、纯度高、颗粒均匀性好等优点。(2)水热法水热法从总体上来说可以分为水热沉淀法、水热晶化法、水热合成法和微波水热法等。本文主要介绍以微波水热法来制备CeO2，该方法主要是先将铈的化合物加入去离子水中形成溶液；然后向溶液中滴入酸或者碱，用来析出CeO2的水合物沉淀；然后在微波的作用下使水CeO2合物进行脱水，继而就形成了CeO2粉末。使用该方法制备的粉CeO2末粒径小且分布窄，而且操作简单。（3）化学共沉淀法化学共沉淀法主要是先将含有稀土元素铈的金属盐加入去离子水中配置成溶液，然后再加入沉淀剂用以得到中间产物的前躯体。接着经过一系列的操作，最终生成CeO2粉体。主要制备流程如图3.7所示。沉淀法得到的CeO2粉体比表面积大（即表面原子比较多），颗粒分布均匀，粒径比较小。含铈的金属盐沉淀剂混合溶液前躯体溶液沉淀陈化前躯体前躯体粉体CeO2粉体过滤洗涤干燥焙烧图3.7沉淀法制备二氧化铈流程图（4）喷雾高温分解法喷雾高温分解法是通过将含有铈成分的易蒸发溶液以雾态形式喷入燃烧腔里面，雾态溶液会被很快的点燃。然后通过燃烧过程中产生的超高温，使雾态溶液中的金属成分经过燃烧然后生成金属氧化物的粉尘。粉尘通过燃烧区域后温度会快速的降低，经过高温条件下的一系列化学反应，最终边生成了CeO2粉体。使用该方法所制备粉CeO2体操作方法简单，避开了沉淀法中的干燥、洗涤、焙烧一系列的繁琐过程，但由于不容易控制反应温度，所生成的CeO2的量较少，即该种方法的制备速率较低。3.2混合磨料的特点由于单磨料的各种缺点，有人就开始将两种或两种以上磨料(如：ZrO2、SiO2、CeO2、Al2O3、TiO2等)混合在一起用来配制浆料，用以提高抛光浆料的性能,以希望达到提高抛光速率和抛光质量的目的。例如SiO2/CeO2混合磨料，将这两种抛光磨料混合后，就如化学机械抛光技术一般，该混合磨料就集中了两种磨料的优点，是抛光的效果会好于使用单磨料进行抛光的效果。但由于不同磨料之间的比例要通过大量的实验来进行测定且单磨料的某些缺点也会被带进来，因此采用一定比例SiO2/CeO2混合磨料在可以提高抛光速率的同时也有着非常大的缺陷。继而人们开始研究复合材料这一新领域。3.3复合磨料的特点目前，随着各种技术对元件表面的抛光要求的提高，复合磨料的开发已然成为了化学机械抛光这一领域的研究热点。复合磨料主要分为掺杂性复合磨料和包覆性（核-壳结构）复合磨料，但主要以包覆性复合磨料为主。抛光效果的好坏主要是由磨料粒径的分布和大小以及硬度等因素所决定的，而复合磨料的目的就是为了通过人工操作来改变这些因素，比如将硬度较小的磨料包覆在硬度较大的磨料上，以提高在进行化学机械抛光时元件表面的光洁度和平整度，同时提高了化学机械抛光的速率。如刘连利，赵志成12采用超声-沉淀法制备了CeO2/Al2O3纳米复合粉体，扩展了Al2O3作为CMP研磨料的应用。第四章 化学机械抛光技术的抛光机理和模型构建4.1化学机械抛光机械去除机理模型概述化学机械抛光技术作为摩擦力学、化学、流体力学、固体物理等诸多学科的交叉领域，其机理模型的建立是非常复杂的，因而至今仍然没有一个公认的去除机理模型。随着纳米技术的发展，导致在国内外有非常多的研究员在研究这一领域。现以电子元件与抛光垫的不同接触形式以及不同的抛光磨料为依据，进行一个大概的分类，如图4.1所示13。材料去除机理及模型机械作用机理化学作用机理全接触模型半接触模型非接触模型其他模型Si反应机理介电层反应机理互联金属反应机理阻挡层反应机理接触力学理论模型型接触力学+流体力学模型流体力学理论模型唯象学理论模型基于碱性抛光液反应机理基于酸性抛光液反应机理基于硬抛光垫模型基于软抛光垫模型4.1 材料去除机理及模型分类4.2 CMP抛光机理模型举例研究员们早在1995年就发表过一篇关于建立化学机械抛光去除机理模型的综述。他们逐个列举了已建立的CMP去除机理模型，这些模型针对各自所作的假设，总结出了一些相对完整且具有一般性的结论。C.B.Burk等人提出了三种接触形式：不接触、全接触和半接触14。当薄膜厚度比抛光垫表面平均微凸峰高度小时，电子元件和抛光垫完全接触，则整个化学机械抛光过程为全接触形式，可以运用接触力学原理来建立化学机械抛光技术中机械去除模型；若前者比后者大时，抛光过程可以被认为是不接触的，则可被称之为完全流体润滑，继而可用流体动力学原理来化学机械抛光技术中机械去除模型；当电子元件和抛光垫之间部分接触时，则化学机械抛光过程中为半接触形式，即可用接触力学和流体动力学来建立化学机械抛光技术中机械去除模型。接下来对化学机械抛光的机械去除模型进行简要介绍。由普雷斯顿方程可知，在化学机械抛光的过程中，可以通过控制施加于抛光区域压强的大小来提高抛光效果。根据这一理论，吕玉山，蔡光起，华雷15提出通过在抛光区域的外部施加负载来对被抛光元件表面所受的压力进行校正，以达到提高抛光质量的假设。在这个假设的基础上，华等人测定在不同加载区域下施加负载时，抛光面所受压强的分布情况，并通过大量的实验数据说明了其假设的正确性。这就为研究元件的全局平坦化提供了一种新的方式。刘昌雄16以圆平动抛光（CTP）理论为基础，通过建立部分膜与全膜数学模型，对圆平动抛光过程中的速度运动关系进行了研究，进而提升整个圆平动抛光的效果。但其模型中没有考虑温度的变化，计算结果会产生一定的误差。张朝辉，雒建斌17通过研究多孔结构的抛光垫对化学机械抛光流动性的影响，提出了用于化学机械抛光的三维流体模型。并通过数值模拟的方法得出了小孔径尺寸的多孔抛光垫可以提高抛光元件的表面去除率。4.3 CMP去除机理模型分析现通过详细分析苏建修的博士论文IC制造中硅片化学机械抛光材料去除机理研究18中硅片化学机械抛光过程中摩擦力的研究，以说明摩擦力对化学机械抛光过程所产生的影响。并通过详细分析张朝辉的化学机械抛光流动性能分析19中提出的基于流体力学原理建立的牛顿流体润滑方程，并通过润滑方程分析了化学机械抛光中所施加的压力分布情况。4.3.1基于摩擦力学原理的典型模型的分析在此，通过对苏建修所建立的硅片表面摩擦力分布模型进行更详细的分析，可得知硅片表面摩擦力的分布情况18。其摩擦力分布模型所用的硅片与抛光垫关系示意图如4.2所示。图4.2 硅片与抛光垫关系示意图现设xO2y为固定坐标系，O2该坐标系的原点，假设OW为抛光元件的中心，并且其初始的位置在点O2上，O2为抛光垫旋转的中心，e为抛光垫的中心O1到坐标原点O2的偏心距，在抛光过程中，抛光头会带着抛光元件以点O2为中心在x轴上做直线往复运动。np、nw分别为抛光垫的转速和硅片的转速;分别为抛光垫的角速度和硅片的角速度。在硅片上任取一微小单元Q，Ri与ri，分别表示Q点到抛光垫中心O1和硅片中心O2距离，其小单元面积为ridrid，()。微单元Q上受抛光垫的摩擦力为dF1Q、dF2Q。dF1Q为假设硅片静止，抛光垫旋转时给Q点的摩擦力；dF2Q为假设抛光垫静止，硅片旋转时给Q点的摩擦力。为了便于计算，设硅片的半径为r；硅片上的平均工作压强为P0。现假设化学机械抛光过程中抛光垫与工件摩擦时的摩擦系数J与相对速度V的关系为： （4.1）k: 系统摩擦系数因子(与抛光过程的各个参数有关)m：速度指数(与抛光系统有关)由以上条件可知，当硅片静止，抛光垫旋转时给Q点的摩擦力为： （4.2）当抛光垫静止，硅片静止是给Q点的摩擦力为： （4.3）注： N为硅片上平均工作压力 压力与压强的关系： 速度与角速度的关系： 从图4.2中可以得到,在三角形O2QO1中： （4.4）现设 ， 则在三角形O1QO2中，有正弦定理可得 （4.5）将dF1Q分解到径向 (如图4.3)可得 （4.6） 图4.3将dF1Q分解到切向（如图4.4）可得 （4.7）由几何关系可知： （4.8）将4.4式、4.5式带入4.8式可得 （4.9） 由4.7式和4.9式可得出 （4.10） 图4.4当不考虑抛光头摆动的影响时，可得Q点的径向合力（如图4.5） (4.11)注：由于，则dF2Q在径向无分力。Q点的切向合力为： （4.12）图4.5 进而可以得到在进行化学机械抛光时硅片表面Q点的摩擦力（如图4.6所示）现设x轴的正向为正方向，y轴的正向为正方向，则可得dF1Q在x轴和y轴的分力分别为 （x方向） （y方向） 图4.6dF2Q在x轴和y轴的分力分别为 （x方向） （y方向）从而可以得到 （4.13） （4.14） 由4.13、4.14两式可得硅片上所受的摩擦力为： （4.15）注：不论是硅片旋转还是抛光垫旋转，在x轴上都会产生一系列的两个大小相同但方向相反的作用力，因此Fx=0。 （4.16）通过以上计算可以得到硅片所受的摩擦力大小以及分布。由4.16式可以看出摩擦力大小主要与硅片表面所受压强P0、系统摩擦系数因子k以及抛光垫的转速有关，而硅片的转速对摩擦力的影响是非常小的。由于P0、可人为设定，并且k可通过实验得到，因此我们可以分析不同压强或者不同的抛光垫转速下的硅片表面所产生的不同的摩擦力，以便更好地改进化学机械抛光系统，进而得到更好地抛光效果。4.3.2基于流体力学原理的典型模型的分析 现对张朝辉19基于流体力学理论得到的压力分布与各因素（如抛光垫转速）之间关系的结论进行了的详细分析。现假设抛光液为牛顿流体，并设坐标系为柱坐标系，其分析过程的简略图如图4.7所示。图4.7 分析过程简略图在柱标系中，现设：为粘度系数、W为径向的流体速度、为周向的流体速度。由牛顿切应力公式可知注：为切应力（压强）又由于压力P与压强的量纲是相同的，r与Z的长度量纲也是相同的，则由量纲分析可知径向的压强的梯度为 （4.17）同理，周向的压强梯度为 （4.18）Z方向的压强梯度为将4.17式和4.18式沿Z方向进行积分可得径向的流体速度为： （4.19）注：w1为晶片表面径向的流体速度。w2 为抛光垫表面周向的流体速度。周向的流体速度为： （4.20）注：u1为晶片表面上的周向速度。u2为抛光垫表面上的径向速度。h为抛光液的厚度。从而可以得到径向的流量为： (4.21)周向的流量为： （4.22）由质量守恒方程可知 (4.23)注：为Z方向的流体速度。将4.23式沿Z轴方向进行积分可得 （4.24）将4.21与4.22式带入4.24可得 （4.25） 对4.25式进行化简可得润滑方程：通过对润滑方程进行无量纲化和离散化可以得到压力分布与各种参量（如抛光垫转速）之间关系的关系式。进而通过调节各参量来改变压力的分布，以提高化学机械抛光的抛光质量。结 论本文主要研究了化学机械抛光技术的原理、组成和去除机理模型，从理论上评价了CMP技术的优点。通过了解化学机械抛光技术的原理和发展历程，对CMP技术有了更深层次的认识。通过对SiO2、Al2O3、CeO2三种单磨料、混合磨料、复合磨料的特点及制备方法的分析，有多种方法可以用于制备抛光颗粒，如溶胶-凝胶法、化学沉淀法、水热法、化学气相沉积法等，但各种制备方法的使用范围不同，各种磨料各有其优缺点。在进行化学机械抛光时，要根据被抛光元件材料的性质来选择抛光磨料。对于化学机械抛光过程中材料去除机理的研究，本文主要分析了基于摩擦力学原理和流体力学原理的两种不同的材料去除机理模型。基于摩擦力学原理的模型分析可以得到硅片所受的摩擦力大小及其分布。摩擦力大小主要与硅片表面所受压强P0、系统摩擦系数因子k以及抛光垫的转速有关，而硅片的转速对摩擦力的影响是非常小的。因此我们可以分析不同压强或者不同的抛光垫转速下的硅片表面所产生的不同的摩擦力，以便更好地改进化学机械抛光系统，进而得到更好地抛光效果。基于流体力学原理的模型分析可以得到压力分布与各种参数之间的关系。进而通过调节各参量来改变压力的分布，以提高化学机械抛光的抛光质量。参考文献1.郭世璋，王庆林化学机械抛光技术简介及应用J中国电子商务2010，（6）：256-2572.李长河化学机械抛光技术J现代零部件2006，（3）：102-1043.王相田化学机械抛光技术J上海化工1999，(19)：4-54.廉进卫，张大全，高立新化学机械抛光液的研究进展J化学世界2006，（09）：566-5685.李薇薇，檀柏梅，周建伟等集成电路多层铜布线阻挡层CMP技术与材料J半导体技术2006，31(5)：334-3456.雷红，雒建斌，潘国顺纳米SiO2 粒子抛光液的制备及其抛光性能J润滑与密封2004，163：84-867.WANG S L，YUAN Y J，LIU Y L，et alStudy on chemical mechanical polishing technology of copper JKey Engineering 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