前言

       化學機械拋光(CMP)技術是半導體晶片表面加工的關鍵技術之一,并用于集成電路制造過程的各階段表面平整化,近年來得到廣泛應用。在CMP過程中,拋光墊具有儲存、運輸拋光液、去除加工殘余物質、傳遞機械載荷及維持拋光環境等功能。隨著CMP過程的不斷進行,拋光墊的物理及化學性能會發生變化,表現為拋光墊表面產生殘余物質,微孔的體積縮小、數量減少,表面粗糙度降低,表面發生分子重組現象,形成一定厚度的釉化層,導致拋光效率和拋光質量的降低。為了消除以上現象,必須對拋光墊進行修整。合理的修整不僅可以改善拋光效果，還可以提高其使用壽命，降低拋光成本。

       從修整方式的角度來看，拋光墊分為自修整拋光墊和非自修整拋光墊。自修拋光墊將磨料嵌入到拋光墊內部，在拋光過程中，舊磨料借助于拋光墊于晶片之間的摩擦力，自動脫離拋光表面，使得新磨料暴露出來，所以該種拋光墊具有自動修復功能。這種自修整拋光墊目前還未得到廣泛應用，絕大多數拋光墊均需要進行離線或者在線修整。但目前關于拋光墊修整的研究很少，尚未形成完整的理論，主要研究者ATI(Abrasive Technology Inc)、AppliedMaterial，Inc和3M公司，修整器及其修整工藝參數作為公司內部機密未作詳細說明。本文著重介紹不同類型整修器及其相關修整工藝參數對修整效果影響規律的研究結果，從而為拋光墊的合理修整提供依據。

       1 修整器性能參數對修整效果的影響

       目前，最常用的修整器是金剛石修整器。金剛石顆粒的性能參數（包括類型。尺寸、形狀及粘結力等）、排列方式及胎體材料對修正效果有重要影響。

       1.1 金剛石顆粒的參數對修整效果的影響

       金剛石顆粒的參數包括金剛石顆粒的類型、尺寸、形狀及粘結力等多個方面。分析和評價每一個因素對拋光墊性能及拋光效果的影響規律,實驗過程非常復雜,目前幾乎只有ATI等公司在進行。但考慮到商業保密,大部分有關金剛石顆粒的實驗參數未予公開。

       在金剛石修整器修整效率的評價方面,Prabhu等提出采用RAS(relative abrasive sharpness)值作為修整效率的評價指標,并指出RAS與修整效率成線性關系。RAS與修整器和拋光墊兩者之間的摩擦力相關,RAS與修整效率之間的線性關系在后續很多實驗中得到驗證。但RAS的測量方法及裝置未做詳細說明。

       不同金剛石顆粒類型對修整效率產生不同影響。Bubnick等采用三種不同類型的顆粒進行修整實驗發現,修整效率相差2.6倍左右,RAS值越大,其修整效率越高。

       不同金剛石顆粒的尺寸、形狀對修整效果產生不同影響。隨著金剛石顆粒尺寸的增大,修整效率提高, 所獲得的拋光墊表面粗糙度大,表面凹坑多,容易產生劃痕等缺陷,拋光效果不理想。但顆粒尺寸過小時, 難以去除拋光墊表面的釉化層。Bubnick采用A、B、C和D四種不同顆粒形狀(具體形狀未作說明)的金剛石修整器進行試驗發現，RAS和修整效率出現很大差別，但RAS與修整效率之間仍存在線性關系。

       金剛石顆粒與胎體之間的粘結力會對修整效果產生影響。目前金剛石顆粒和胎體之間的粘結主要采用電鍍鎳(EP)等方法，在修整過程中，該方法容易造成金剛石顆粒的自由脫落，從而使得修整效率降低，修整器的使用壽命縮短，還會影響拋光效果。ATI公司采用一種P.B.S.m新技術來制備金剛石修整器，金剛石顆粒與胎體之間依靠化學。冶金的原理來粘結。將該兩種修整器進行修整實驗，通過對比單位面積金剛石顆粒的脫落數量發現，第二種方法的金剛石顆粒幾乎不存在脫落現象，說明粘結力顯著增強，如圖1、2所示。所以粘結力的增大，有利于提高修整效率和修整器的使用壽命。

       1.2 金剛石顆粒的排列方式對修整效果的影響

       常見金剛石顆粒的排列方式有三種:隨機排列、簇擁排列及均勻排列,如圖3、4所示。不同的排列方式會對拋光墊性能及拋光效果產生不同影響。

       簇擁排列的金剛石修整器對拋光墊修整時,動靜態摩擦系數最大,修整效率最高,但容易產生拋光墊的過度磨損,導致使用壽命的降低。均勻排列的金剛石修整器對拋光墊修整時,動靜態摩擦系數最小,修整效率最低，僅為簇擁排列的25%。但由于金剛石顆粒排列比較規則,易于表面溝槽的形成。隨機排列方式是由簇擁排列和均勻排列混合而成,所以該類型金剛石修整器的修整性能位于前兩者之間。

       相對于簇擁式排列,拋光墊經過均勻排列的金剛石修整器的修整后,拋光效率提高了35%,表面不均勻性降低,表面刮痕等缺陷減少,使用壽命大幅度提高。其原因是修整后的拋光墊表面出現了一層比較均勻、堅韌、厚實的微凸峰,能夠承受比較大的載荷,同時表面溝槽的形成有利于容納、清除加工殘余物質以及拋光液的快速輸送和均勻分布,從而改善了拋光效果。

       1.3 金剛石修整器的胎體材料對修整效果的影響

       隨著CMP的應用從氧化物發展到鎢、銅等金屬材料時,拋光液的pH值呈強酸性,具有很強的腐蝕性,這就要求修整器不僅具有機械磨削功能,還必須具有很強的抵抗化學腐蝕的能力。尤其是對拋光墊進行在線修整,修整器的抗腐蝕性更為重要。但現有的大多數金剛石修整器都是將金剛石顆粒通過電鍍、銅焊或燒結等辦法粘結到金屬材料胎體上,并不具備抗腐蝕能力。隨著胎體材料的腐蝕,金剛石顆粒脫落胎體,不僅會影響修整效果,縮短了修整器的使用壽命,還會給嚴重影響拋光效果。為了增強金剛石修整器的抗腐蝕能力,McGregor等選用陶瓷作為胎體材料,制成一個超平的修整面,并將金剛石顆粒均勻地粘結到胎體上，如圖5所示。

       經酸性溶液(硝酸鐵溶液)的浸泡實驗發現,該修整器未發生腐蝕和金剛石顆粒脫落等現象,具有非常強的抗腐蝕能力。經修整實驗發現,相對于傳統的修整器, 該修整器的修整效率基本相同,但由于其修整面更加平整,使得更多的金剛石顆粒與待修整面接觸,所以能夠獲得比較好的平面度,同時降低了金剛石顆粒的磨損量(大約為傳統修整器的金剛石顆粒磨損量的50%),提高了修整器的使用壽命。

       2 修整工藝參數對修整效果的影響

       2.1 修整壓力及轉速對修整效果的影響

       當修整壓力較小時,金剛石顆粒嵌入拋光墊的深度較小,不利于拋光墊表面釉化層的完全去除,表面微孔仍有堵塞,修整效率較低;隨著修整壓力的增大,去除厚度增大,修整效率提高,且表面均勻分布的微孔數量增大,有利于容納拋光液和加工殘余物質,從而改善拋光效果;但壓力過大時,容易造成拋光墊嚴重磨損,降低其使用壽命,且壓力過大也會使修整器產生振動, 影響修整效果。當修整器轉速增加時,不僅可以提高單位時間內拋光墊與金剛石顆粒之間發生機械摩擦的次數,還可以增大兩者之間的摩擦力,從而提高修整效率。總的看來,拋光墊修整時,修整壓力及轉速對修整效果的影響基本符合Preston方程的趨勢。

       2.2 修整溫度對修整效果的影響

       修整溫度對拋光墊的溝槽、微孔及硬度會產生重要影響,并最終影響拋光效果。

       當拋光墊未修整時,加工殘余物質填滿了溝槽,阻礙了拋光液的輸送,如圖6(a);對拋光墊進行修整時,隨著修整溫度的升高,溝槽內部殘余物質逐漸去除,溝槽寬度逐漸擴大,如圖6(b)和6(c);當修整溫度達到80e時,溝槽底部及兩側的殘余物質完全去除,槽壁比較平整,溝槽寬度達到最大值,有利于拋光液的輸送,如圖6(d)。

       不同修整溫度下,拋光墊表面微孔的變化過程與溝槽類似。未修整時,加工殘余物質和廢舊拋光液充滿了微孔,如圖7(a);隨著修整溫度的升高,雖然微孔尺寸增大,孔內殘余物質減少,容納的拋光液增多,但微孔的形狀不規則,分布不均勻,如圖7(b)和7(c);當溫度達到80e時,拋光墊表面的微孔內的殘余物質被全部去除,充滿了新的拋光液,且微孔形狀比較規則,分布均勻,如圖7(d)。所以經過高溫修整后的拋光墊,由于溝槽和微孔的存在,使得拋光液自由輸送,可以提高拋光效率,同時獲得比較好的表面平整度。

       修整溫度的變化還會導致拋光墊彈性模量的改變。隨著溫度的升高,拋光墊的彈性模量大幅度減小,硬度降低,經拋光實驗后發現,所獲得的加工表面比較平整,未出現表面缺陷及刮痕,從而有效地改善拋光質量。

       2.3 修整密度對修整效果的影響

       修整密度(Condition ing Density)是指拋光墊上某點在單位時間內修整的次數,其定義如下:

       CD=1/VarmRpad

       其中,CD為修整密度,Varm為修整器的徑向移動速度,Rpad為該點到拋光墊圓心的距離。從公式可以看出Varm為定值時，修整密度隨著Varm發生變化，所以拋光墊中間部分修整密度大,邊緣部分修整密度小,這種修整方式稱為過程修整;如果適當改變Varm值,就可以使得拋光墊上各部分的修整密度保持定值,這種修整方式稱為平坦修整。

       經修整實驗發現,拋光墊的磨損率與修整密度成正比,因此過程修整時,拋光墊中間部分修整量較大,邊緣修整量較小,導致表面平面度不理想;而采用平坦修整時,拋光墊各部分的修整量大體一致。經粗糙度分析發現,相對于過程修整,平坦修整后的拋光墊表面粗糙度比較小,各點處的波峰、波谷值變化較小。經釉化層分析發現,過程修整后,拋光墊中間部分修整密度大,去除的釉化層厚度較大,外圍部分去除的釉化層厚度較小;而平坦修整后,拋光墊各釉化層去除厚度基本一致。考慮到CMP過程中,作為主要加工區域的拋光墊中間部分,發生磨損、變形及釉化層等現象比較嚴重,是重點修整區域,因此過程修整方式適合于離線修整的粗修階段,平坦修整方式適合于離線修整的精修階段。

       此外,金剛石顆粒的刮除速度、嵌入深度及角度、修整時間及其間隔、修整器的徑向移動速度等工藝參數均會對修整效果產生影響,但有待進一步研究。

       3 金剛石修整器的發展趨勢

       化學機械拋光技術的不斷發展,對金剛石修整器的性能提出了更高的要求：

       1)金剛石顆粒不能脫落。在線修整過程中,金剛石顆粒的脫落會導致晶片和拋光墊的表面產生比較深的劃痕,表面缺陷比較嚴重。怎樣增大金剛石顆粒與胎體之間的粘結力,是金剛石修整器制備過程中必須解決的問題之一。減少金剛石顆粒的脫落,不僅可以改善拋光效果,還可以大幅度提高修整器的使用壽命,降低生產成本。

       (2)金剛石顆粒的排列方式必須均勻且規則。金剛石顆粒均勻排列的修整器能獲得比較理想的修整效果,使得CMP過程保持穩定,從而有效改善拋光效果。目前經常使用的均勻排列方式有矩陣式排列和同心圓排列。

        (3)修整器具有較長的使用壽命。CMP過程中使用的一些拋光液酸度很高,會對修整器的胎體材料產生腐蝕作用,造成金剛石顆粒的脫落。因此要提高修整器的使用壽命,降低拋光成本,必須改善胎體的性能,如選用陶瓷作為胎體材料,或者采用樹脂涂覆的方法強化胎體性能等。

       可以看到1#結合劑和主晶相為玻璃相,有少量的磷石英存在,5#結合劑的晶相為純玻璃相。對于1#結合劑當升溫至100e以上時結合劑中的磷石英發生晶型轉換,產生0.2%的體積膨脹效應,因此1#結合劑在140e~170e溫度區間內體積迅速增大;5#結合劑為玻璃相,在整個測試溫區內沒有相變因此膨脹系數沒有明顯變化。由實驗分析我們可以得出這樣的結論:在該實驗的結合劑體系中,Na2O是從兩方面對結合劑膨脹系數產生影響。一方面,結合劑中Na2O含量的提高,增加了結合劑體系中自由氧的含量,破壞了結合劑中Si、O網絡結構使膨脹系數增大;另一方面當結合劑中Na2O含量較低時,Na2O的加入可以抑制結合劑中析出磷石英,這有利于結合劑膨脹系數的減小。兩方面共同作用的結果如圖5所示的實驗現象,當Na2O含量較低時結合劑的平均膨脹系數隨Na2O含量的提高增加緩慢,當Na2O含量較高(摩爾比大于0.2時)膨脹系數隨Na2O含量的提高迅速增加。

       3 結論

       在B2O3-SIO2-AI2O3-Na2O體系的金剛石砂輪陶瓷結合劑中，結合劑的耐火度隨Na2O含量的增加而降低；結合劑中Na2O含量對由結合劑和金剛石磨料制得力學試條的強度有很大影響,當結合劑Na2O含量較低時,隨Na2O含量的增加,力學試樣抗彎強度提高。當Na2O/(B2O3+Al2O3)的摩爾比為0.5時,試樣的抗折強度最高為70MPa。同時              Na2O含量對結合劑20e~500e平均熱膨脹系數也有影響,當Na2O含量較低時結合劑的平均膨脹系數隨Na2O含量的提高增加緩慢,當Na2O含量較高(摩爾比大于0.2時)膨脹系數隨Na2O含量的提高迅速增加