化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）過(guò)程中拋光盤溫度控制的分析研究

孫振杰，劉 濤，費(fèi)玖海

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所,北京 101601)

在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，溫度的變化對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光的工藝性有顯著的影響，因此晶片在拋光過(guò)程中實(shí)施溫度控制是非常必要的，因此建立一種行之有效的拋光溫度控制方法，是CMP工藝研究的一個(gè)重要方面。

1 化學(xué)機(jī)械拋光的加工機(jī)理

如圖1所示，在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，晶片粘貼在拋光頭（承載器）的下表面，拋光頭與拋光盤各自以一定的速度旋轉(zhuǎn)，在拋光壓力的作用下，晶片、拋光液和拋光墊彼此接觸，拋光過(guò)程中，由于機(jī)械摩擦的去除作用而產(chǎn)生大量的熱量，熱量的積累導(dǎo)致拋光盤表面溫度上升。

圖1 藍(lán)寶石拋光示意圖

2 溫度對(duì)拋光效果的影響分析

在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，溫度對(duì)拋光效果的影響有以下幾個(gè)方面，一是使得拋光墊發(fā)生局部熱變形，改變了其彈性和全局平整度，從而改變了晶片表面壓力分布的均勻性，使得拋光過(guò)程中材料去除率一致性變差，最終導(dǎo)致拋光后晶片翹曲度、彎曲度指標(biāo)降低，影響拋光效果；二是溫度過(guò)高使得粘接晶片的石蠟軟化，粘接力減小，出現(xiàn)晶片脫落和碎片現(xiàn)象；三是影響了拋光液與晶片之間的化學(xué)反應(yīng)。

以藍(lán)寶石晶片（單晶Al2O3）拋光為例，拋光過(guò)程中，材料首先與化學(xué)拋光液中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

上述化學(xué)反應(yīng)本身是一個(gè)放熱過(guò)程，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，在一定程度上能夠促進(jìn)和加快反應(yīng)速度，從而加大材料的去除率，提高生產(chǎn)效率。但是，隨著熱量積累，過(guò)高的溫度有可能改變拋光液的化學(xué)組成，改變拋光液的pH值，降低反應(yīng)速度，同時(shí)，溫度過(guò)高也會(huì)促使拋光液中納米粒子表面活性劑的分解脫離，從而導(dǎo)致晶片表面出現(xiàn)劃痕。因此在拋光過(guò)程中溫度必須在合適的范圍內(nèi)，才能滿足藍(lán)寶石晶片的平整化要求。大量的拋光工藝實(shí)驗(yàn)證明，藍(lán)寶石晶片的拋光溫度的最佳控制范圍應(yīng)該在35℃～40℃。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到溫度對(duì)晶片粘接力的影響如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)晶片粘接力

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到溫度變化時(shí)拋光液pH值對(duì)拋光速率的影響如圖3所示

圖3 拋光液pH值對(duì)拋光速率的影響曲線

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到溫度對(duì)拋光速率的影響曲線如圖4所示。

圖4 溫度對(duì)拋光速率的影響曲線

實(shí)驗(yàn)曲線表明，當(dāng)溫度低于25℃時(shí)，晶片的粘接力較大，但是拋光速率較低，隨著溫度的上升速率增加很快，當(dāng)溫度高于40℃后，晶片的粘接力下降，拋光速率增長(zhǎng)緩慢。

3 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了獲得理想的拋光去除率和拋光效果，在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中通常采用一定的技術(shù)措施進(jìn)行溫度控制，一種簡(jiǎn)單而有效的方法就是采用拋光盤水冷卻的方式進(jìn)行拋光溫度控制。

由圖1可知，拋光墊粘附于拋光盤表面，拋光過(guò)程中摩擦產(chǎn)生的熱量將通過(guò)拋光墊直接傳遞給拋光盤，導(dǎo)致拋光盤表面溫度升高，在拋光盤的內(nèi)部設(shè)計(jì)一種循環(huán)通道，采用冷卻水在拋光盤內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)的方法將拋光盤本身的熱量帶走，從而使拋光盤表面溫度降低，通過(guò)控制冷卻循環(huán)水的流量和循環(huán)時(shí)間，使整個(gè)系統(tǒng)的熱交換達(dá)到一種相對(duì)平衡狀態(tài)，使拋光盤表面溫度保持在一定范圍內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)拋光過(guò)程中的溫度控制。

圖5為采用冷卻水循環(huán)的方法進(jìn)行溫度控制的拋光盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，由圖可以看出，拋光盤內(nèi)部水槽成蝶形，使得拋光過(guò)程中，主要工作區(qū)域的熱交換更趨向于均勻，有效避免了拋光盤局部溫度不一致的情況。

圖5 拋光盤結(jié)構(gòu)圖

圖6為溫度控制原理示意圖，系統(tǒng)的工作原理是：置于拋光盤上方的溫度傳感器檢測(cè)到拋光盤溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過(guò)PLC控制啟動(dòng)水泵，從而把水箱中的冷卻水輸送到蝶形水道，經(jīng)過(guò)循環(huán)后流回水箱。經(jīng)過(guò)多次水的循環(huán)后，水箱中的水溫度改變，此時(shí)置于水中的溫度傳感器檢測(cè)達(dá)到設(shè)定值后，由進(jìn)出水電磁閥和浮球液位開(kāi)關(guān)共同控制水箱中的水能夠及時(shí)更換。

圖6 溫度控制原理圖

通過(guò)上述控制原理完成的溫度控制系統(tǒng)，在藍(lán)寶石晶片拋光實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)拋光溫度控制的效果非常明顯，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 藍(lán)寶石拋光溫度控制分析研究

前面已經(jīng)介紹過(guò)，在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，溫度控制的必要性以及溫度控制的最佳范圍。但是，不同的環(huán)境溫度對(duì)拋光溫度控制系統(tǒng)的要求也不同，不同室溫下，溫度控制情況也有差別，下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 室溫18℃時(shí)的拋光實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了研究室溫對(duì)拋光溫度的影響，我們分別采用不同的拋光參數(shù)組合進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，在室溫18℃情況下，無(wú)論哪種拋光參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的拋光溫度基本上相同，如下表1所示。

表1 相同室溫（18℃）下不同拋光參數(shù)對(duì)應(yīng)拋光墊溫度

上述拋光實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于環(huán)境溫度較低，為了驗(yàn)證環(huán)境溫度對(duì)拋光溫度的影響，拋光過(guò)程中未使用溫度控制系統(tǒng)，要將拋光溫度控制在35～38℃最佳的范圍內(nèi)達(dá)到最佳拋光效果，溫度控制系統(tǒng)則需要對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加熱，以提高拋光墊表面的溫度。

4.2 室溫25℃時(shí)的拋光實(shí)驗(yàn)

在室溫為25℃時(shí)，無(wú)論上述哪種參數(shù)組合，如果不使用溫度控制系統(tǒng)，都會(huì)造成拋光墊溫度過(guò)高，因此為了滿足拋光工藝要求，應(yīng)該使用溫度控制系統(tǒng)采用冷卻水循環(huán)，以降低拋光墊表面的溫度。以下折線圖說(shuō)明了在室溫25℃，溫度控制系統(tǒng)循環(huán)水溫度在23℃以下時(shí)，不同拋光參數(shù)對(duì)應(yīng)的拋光墊溫度變化曲線。

圖7 壓力與拋光墊溫度的關(guān)系

圖8 轉(zhuǎn)速與拋光墊溫度的關(guān)系

圖9 拋光液流量與拋光墊溫度的關(guān)系

由圖7、圖8和圖9可知，在嚴(yán)格控制循環(huán)水的溫度下，不論哪種拋光參數(shù)，拋光墊的溫度都基本控制在40℃之下，滿足化學(xué)機(jī)械拋光的要求。

通過(guò)上述兩組實(shí)驗(yàn)可知，在拋光過(guò)程中溫度的控制是必要的，而且不同環(huán)境溫度對(duì)溫度控制的要求也不同。在實(shí)際的拋光過(guò)程中，一般拋光過(guò)程都是在室溫一定的凈化間內(nèi)進(jìn)行，因此拋光時(shí)只需考慮一種情況即可。

室溫25℃時(shí)，在未使用溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在拋光1 h左右，拋光墊溫度高達(dá)55℃，此時(shí)出現(xiàn)晶片脫落現(xiàn)象，使得實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)再次證明了在拋光過(guò)程中，使用溫度控制系統(tǒng)的必要性。

5 結(jié)束語(yǔ)

影響拋光去除率和表面平坦化的因素有很多，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們知道對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常重要的，經(jīng)過(guò)以上的研究分析，我們得到了一種切實(shí)可行的方法，完善了拋光中平坦化加工工藝方案，最終實(shí)現(xiàn)了均勻的拋光去除率。

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