單晶硅晶片化學機械拋光基本特性研究

侯保江,安亞青,水涌濤,孫向春

(1.北京航天長征飛行器研究所， 北京 100076； 2.中國運載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

由于具有較高的直接帶隙，飽和電子速度和電子遷移率，單晶硅晶片已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于從宏觀到納米級的器件中，用于照明，光電檢測，太陽能轉(zhuǎn)換等。例如，具有納米級光滑、超平坦且無損傷表面的單晶硅晶片適用于金屬有機化學氣象沉淀，以生產(chǎn)高性能柔性太陽能電池和發(fā)光二極管(LED)[1]。在加工過程中，單晶硅晶片首先經(jīng)歷鋸切過程，由于其高硬度和脆性，在晶片表面深處引入缺陷和/或斷裂損傷，隨后，利用研磨和拋光過程去除鋸切引起的損傷并產(chǎn)生一個名義上的無損傷表面。

目前，CMP是被用作生產(chǎn)納米級光滑表面最有效的方式之一。在文獻中，發(fā)現(xiàn)各種化學漿料已被用于單晶晶片的CMP中。J.B.Matovu等[2]研究了在H2O2和二氧化硅顆粒存在下的單晶硅晶片去除率，并將其與在其他氧化劑如碘酸鈉和高碘酸鈉存在下獲得的結(jié)果進行了比較，他們的研究表明，在用于拋光單晶硅晶片表面的水性漿料中。在缺少機械拋光的情況下，除了在pH10和pH12的H2O2漿液中外，在3mM濃度的氧化劑如NaIO3，NaIO4和H2O2的水性漿液中的單晶硅晶片的化學溶解可以忽略不計，這歸因于形成了相對穩(wěn)定的Ga2O3鈍化層。McGhee等[3]提出了一個三步機制，用于在含有H2O2和氨的水性漿料中除去單晶硅晶片。

此外，一些研究還關(guān)注了單晶晶片的CMP特性。Bingjun Yu等[4]的研究發(fā)現(xiàn)如果將SiO2顆粒用于單晶硅晶片表面的拋光，高的拋光速度可以帶來高的摩擦化學去除率而不會損傷單晶硅晶片的表面基體。Yue-Han Wu等[5]研究了用投射電鏡觀察單晶硅晶片的CMP，他們的研究結(jié)果表明，在常規(guī)離子研磨后的兩步中用NH4OH和H2SO4進行拋光是獲得改善表面質(zhì)量的有效方法。Ookawa等[6]發(fā)現(xiàn)，如果拋光墊使用了很長一段時間，隨著拋光時間的增加，表面粗糙度會上升而材料去除率會下降。Hoshino等[7]通過研究指出，在CMP過程中，氧化鈰磨粒同SiO2表面分子形成大量Si-O-Ce化學鍵，而SiO2的拋光效果取決于Si-O-Si鍵的機械撕裂作用。

然而，就單晶硅晶片晶片的CMP而言，還有很多理論和技術(shù)上的問題未解決。在本次研究中，實驗研究了基本拋光特性，即拋光參數(shù)對表面粗糙度，平整度和材料去除率(MRR)的影響。同時，還觀察了工作表面的形貌特征和工作表面的XRD光譜，以闡明材料去除機理。

1 材料和方法

在表1所示的加工參數(shù)下，在商業(yè)拋光機(ES36B-4P-4M，浙江森永有限公司，如圖1所示)上進行單晶硅晶片晶片的實際CMP操作，以闡明CMP特性。拋光漿液由氧化劑、分散劑、絡(luò)合劑、pH調(diào)節(jié)劑和磨料組成。詳細地，分別將氯化鈉，苯磺酸鈉，焦磷酸鈉，碳酸鈉和膠體二氧化硅分散體分離為氧化劑，分散劑，絡(luò)合劑，pH調(diào)節(jié)劑和磨料。

圖1 單晶硅(Si)CMP的實驗裝置

本次實驗使用的單晶硅晶片晶片由江西德義半導(dǎo)體科技有限公司提供。晶片的直徑為4英寸，其一面已經(jīng)研磨，表面粗糙度Ra為110 nm，另一面未拋光。拋光液供給速率為500 mL/min，拋光液溫度為16 ℃，拋光頭和拋光墊的轉(zhuǎn)速在20 r/min到50 r/min范圍內(nèi)變化。拋光期間施加到晶片上的載荷從50 N到100 N不等。CMP之后將樣品在去離子水中超聲波沖洗5min，然后用空氣噴槍吹干以進行測量。用表面輪廓儀(Nanovea,MG210)對拋光晶片的表面粗糙度和形貌進行評估。材料去除率(MRR)通過稱量晶片CMP前后的重量進行計算。在本次研究中，通過總厚度變化(TTV)來評估單晶硅晶片晶片的平坦度。使用千分尺測量五個不同的點的厚度，最大厚度與最小厚度之差定義為TTV。

表1 實驗條件

2 結(jié)果與討論

2.1 表面粗糙度

CMP工藝參數(shù)對粗糙度的影響如圖2所示，表面粗糙度Ra隨著拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速以及拋光負載的增加而減小。特別值得注意的是，拋光墊的轉(zhuǎn)速和拋光負載對粗糙度有很大影響。當拋光墊的轉(zhuǎn)速在20～40 r/min范圍內(nèi)時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，表面粗糙度顯著減小；當拋光負載超過70 N時，負載的增加會使表面粗糙度明顯減小。然而，拋光頭的轉(zhuǎn)速對表面粗糙度變化的影響非常小。

2.2 總厚度變化(TTV)

圖3表示的是CMP工藝參數(shù)對TTV的影響。拋光墊和拋光頭轉(zhuǎn)速的改變對TTV的影響很小。與此同時，拋光墊和拋光頭轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致TTV的增加，即TTV變差。TTV變差可歸因于拋光墊和拋光頭高速旋轉(zhuǎn)引起的劇烈振動。

拋光負載是影響TTV的主要因素之一。隨著拋光負載的增加，晶片的TTV將相應(yīng)減小。這是因為如果拋光負載很小，單晶硅晶片晶片會懸浮在拋光墊上方(圖4(a))，導(dǎo)致拋光墊和單晶硅晶片晶片之間的接觸無效，晶片表面不同位置的材料去除量不等，在較低的拋光負載下已拋光晶片的TTV相對較高；隨著拋光負載的增加，單晶硅晶片晶片與拋光墊充分接觸(圖4(b))，從而改善了單晶硅晶片晶片的TTV。

圖2 工藝參數(shù)與表面粗糙度之間的關(guān)系

圖3 TTV與工藝參數(shù)之間的關(guān)系

圖4 拋光墊與晶片之間的接觸狀態(tài)

2.3 材料去除率(MRR)

在單晶硅晶片晶片的CMP中，工藝參數(shù)對MRR的影響繪制在圖5中。從圖5中可以看出：MRR的值隨著拋光墊轉(zhuǎn)速、拋光頭的轉(zhuǎn)速和拋光負載的增加而增加。在CMP過程中，普雷斯頓方程被廣泛接受用于預(yù)測拋光材料去除行為

MRR=kPv

(1)

其中，P是外加載荷，v是晶片上相對于拋光墊的任意一點的速度，k是取決于加工條件的普雷斯頓系數(shù)，例如拋光液、拋光墊和加工環(huán)境。

從普雷斯頓方程可以看出，MRR與拋光墊和晶片表面的相對速度以及外加載荷成正比。這些與本次研究中的發(fā)現(xiàn)一致。然而，拋光載荷的改變對MRR的影響是最明顯的，然后是拋光墊的轉(zhuǎn)速，而拋光頭轉(zhuǎn)速對MRR的影響相對較弱。這可能是因為拋光負載的增加會增加基板表面與拋光墊之間的摩擦力，因此，MRR隨著拋光負載的增加而增加。當拋光頭轉(zhuǎn)速變?nèi)鯐r，拋光墊的轉(zhuǎn)速對拋光墊與晶片之間的相對速度的影響非常明顯。因此，拋光頭轉(zhuǎn)速對MRR的影響相對較弱。

圖5 MMR與工藝參數(shù)之間的關(guān)系

2.4 表面形貌和材料去除機制

圖6是拋光負載分別為50 N、70 N、90 N和110 N，拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速分別為40 r/min時，通過表面輪廓儀觀察到的已拋光單晶硅晶片晶片的表面形貌圖。從圖6(a)可以看出：當拋光負載為50 N時，工件表面有一個局部凹痕，這意味著不同位置的MRR不同。如圖6(b)所示，當拋光負載為70 N時，也可以發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。然而，當拋光負載上升到90 N(圖6(c))和110 N(圖6(d))時，局部凹痕突然消失了，這表明MRR在不同位置幾乎相同。這與3.3中討論的結(jié)果一致。

圖6 拋光單晶硅晶片晶片的表面形貌圖

當拋光負載為50 N，拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速均為40 r/min時，通過XRD測量清潔前、后單晶硅晶片晶片表面的化學分析來闡明CMP過程中的材料去除機制。通過比較清潔前、后單晶硅晶片晶片表面的XRD化學分析的結(jié)果，可以認識到在清潔之前在表面上存在O、Si、Cl、S、Ga和As元素(圖7(a)),而清潔后的表面只存在Ga和As元素(圖7(b))。

圖7 拋光單晶硅晶片晶片的XRD光譜

因此，材料去除過程如下：首先，氯化鈉在極高壓力下與單晶硅晶片反應(yīng)形成硬度低于單晶硅晶片的新物質(zhì)，然后通過熔融二氧化硅磨料機械和塑性地除去所得的較軟物質(zhì)。

3 結(jié)論

1) 表面粗糙度Ra隨著拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速以及拋光負荷的增加而減?。划敀伖鈮|的轉(zhuǎn)速在20～40 r/min時，表面粗糙度隨著轉(zhuǎn)速的增加而顯著降低；然而，當拋光負載的大小超過70 N時，負載的增加會使表面粗糙度顯著下降。

2) 拋光負荷是影響TTV的主要因素之一。隨著拋光負載的增加，晶片的TTV將相應(yīng)的減小。

3) MMR隨著拋光墊和拋光頭的轉(zhuǎn)速以及拋光載荷的增加而增加；拋光載荷的改變對MRR的影響是最明顯的，然后是拋光墊的轉(zhuǎn)速，而拋光頭轉(zhuǎn)速對MRR的影響相對較弱。

4) 單晶硅晶片晶片在CMP過程中的材料去除過程為：首先，氯化鈉在極高壓力的條件下與單晶硅晶片反應(yīng)形成硬度低于單晶硅晶片的新物質(zhì)，然后通過熔融二氧化硅磨料機械和塑性地除去所得的較軟物質(zhì)。