組合式金剛石修整器修整應(yīng)用研究

尹 翔，劉 偉，苗 苗

(1.安泰科技股份有限公司,北京 100081;2.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司,北京 102200)

1 前言

半導(dǎo)體集成電路致密化技術(shù)隨著摩爾定律的推測不斷地縮小線寬，臺(tái)積電(TSMC)7 納米的鰭式場效應(yīng)晶體管(Fin Field-effect Transistor,FINFETs)制程技術(shù)已于2018年量產(chǎn)，最新款的 iPhone 處理器也應(yīng)用 7 納米制程工藝，更先進(jìn)的 5 納米制程，也預(yù)計(jì)會(huì)于 2019 上半年流片(Tape out)，2020上半年就能進(jìn)入量產(chǎn)，隨后的 3 納米制程技術(shù)也已經(jīng)宣稱到位[1]。半導(dǎo)體集成電路線寬縮小工藝除了深紫外線(DUV)的曝光技術(shù)之外，化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)的平坦化技術(shù)也是極重要的關(guān)鍵因素[2-4]，但在晶圓拋光加工過程中，拋光墊會(huì)因?yàn)閺椥云７Χ匣?，造成表面累積殘留物，導(dǎo)致拋光墊表面釉化，失去拋光功能。此時(shí)，需要利用金剛石修整器來修整拋光墊的表面[5]，移除老化的拋光墊層及拋光產(chǎn)生的殘留物，使拋光墊回復(fù)原始的特性，以維持拋光質(zhì)量的穩(wěn)定。由于CMP制程中金剛石修整器是直接對(duì)拋光墊表面進(jìn)行修整加工，加工拋光墊后的表面形貌即決定了晶圓平坦化的質(zhì)量，所以能夠控制好金剛石修整器的切削特性，就可以穩(wěn)定控制拋光墊的表面形貌，進(jìn)而控制整個(gè)CMP的質(zhì)量[6]。優(yōu)良的金剛石修整器除應(yīng)具備良好的材料移除率之外，鉆石磨粒的等高度、加工壽命長、加工穩(wěn)定度高、加工表面粗糙度的控制及低制造成本等都是必要的要求[7]。

2 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)

CMP的基本原理主要是利用化學(xué)反應(yīng)以及機(jī)械磨削共同作用的機(jī)制進(jìn)行晶圓材料移除，其相關(guān)的耗材以拋光液(Slurry)、拋光墊(Pad)及修整器(Diamond Dresser)三者為主，這些耗材都是CMP達(dá)成高精密平坦化、高質(zhì)量晶圓表面及高生產(chǎn)能力的重要關(guān)鍵材料。CMP制程中拋光液(Slurry)的化學(xué)成分與晶圓表面材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使表面的材料結(jié)構(gòu)變得松散，再利用拋光液中懸浮的磨粒(如：SiO2)進(jìn)行研磨的動(dòng)作，而將松軟的材料磨除，達(dá)到材料拋光的目的。CMP是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展中最重要的關(guān)鍵技術(shù)，主要是因半導(dǎo)體線寬縮小的限制，晶圓表面結(jié)構(gòu)全面平坦化制程也將面臨更嚴(yán)苛的要求。在CMP制程中，是使用拋光墊(Pad)配合拋光液(Slurry)，用化學(xué)機(jī)械的機(jī)制來拋光晶圓表面的。CMP良好的磨削率受到不均勻拋光和表面劃痕的限制，而金剛石修整器是讓拋光墊達(dá)到全面平坦的唯一工具，是整個(gè)CMP制程達(dá)到全面平坦化的關(guān)鍵技術(shù)之一，沒有適用的修整器，也就沒有良好的加工質(zhì)量[8]。

3 組合式金剛石修整器[9]

傳統(tǒng)的研磨墊修整器通常是將金剛石磨粒焊于不銹鋼基板上，制程中使用高溫釬焊(Brazing)。然而，超過1000℃的高溫，不銹鋼基板會(huì)因?yàn)橹行呐c邊緣的冷卻速率不同而產(chǎn)生型變，從而降低磨粒與磨粒之間的等高度。而當(dāng)金剛石磨粒間的高度差異過大，則會(huì)導(dǎo)致拋光墊表面形貌的平整度下降，繼而影響拋光晶圓的質(zhì)量。因此，隨著集成電路的線寬逐漸縮減，對(duì)于拋光墊修整器的質(zhì)量要求也隨之提高，尤其是針對(duì)線寬小于 22 納米以下的制程，晶圓在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光制程時(shí)，對(duì)拋光墊的平整性要求更高，以避免刮傷(Micro- Scratches)晶圓或造成金屬線路凹陷(Dishing)及侵蝕(Erosion)的現(xiàn)象。

為了要解決上述的技術(shù)問題，并避免修整器在高溫制程中因熱應(yīng)力及高溫變形的影響而降低金剛石研磨粒間的等高度水平，本研究開發(fā)了一種創(chuàng)新概念組合式金剛石修整器技術(shù)方案。見圖1所示。

圖1 組合式金剛石修整器設(shè)計(jì)示意Fig.1 Design of combined Diamond Dressing disc

組合式金剛石修整器具有金剛石磨粒的小磨盤與不銹鋼基盤組合的設(shè)計(jì)，每個(gè)小磨盤可以預(yù)制有不同類型的金剛石磨粒參數(shù)，如金剛石磨粒的粒度(Particle Size)、突出高度(Protrusion Height)、晶形方向性(Orientation)、間距(Pitch)、分布圖案(Pattern)都可以被設(shè)計(jì)控制，因此組合式修整器的設(shè)計(jì)可以應(yīng)付不同功能性的變化，可以滿足晶圓在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)變換不同制程的需求。例如，材料移除率高或是非常低的表面粗糙度(Ra)的設(shè)計(jì)。最后的金剛石修整器的組裝過程會(huì)在室溫下進(jìn)行，使用小螺桿進(jìn)行固定及等高度調(diào)整，因此金剛石修整器的平整度不會(huì)因?yàn)楦邷囟鴮?dǎo)致金屬基盤翹曲或變形。

組合式修整器是先將金剛石釬焊于具有通孔設(shè)計(jì)的小基板上，再利用螺桿將小磨盤固定于不銹鋼的大基盤上。不銹鋼的小磨盤上設(shè)計(jì)的通孔，在高溫釬焊的冷卻過程中，可以減少小磨盤中心點(diǎn)與邊緣材料因?yàn)槔鋮s速率的差異所造成的熱應(yīng)力或熱變形，如圖2所示。

釬焊后的金剛石磨?？梢跃_地排列位置及控制突出高度，如圖3所示。

圖2 不銹鋼基板及釬焊后的金剛石小磨盤Fig.2 Stainless steel substrate and brazed diamond dressing disc

圖3 排列位置整齊的金剛石磨粒Fig.3 Regularly arraying diamond grits

每一個(gè)小磨盤再使用高度規(guī)量測高度，將高度值相近的設(shè)為一組，最后利用小螺桿將其組裝在不銹鋼基盤上。組裝完成的組合式金剛石修整器還需要使用高度規(guī)作為等高度的量測依據(jù)，如每一小磨盤之間的等高度差異過大時(shí)，則可以調(diào)整螺桿的扭力微調(diào)高度，或是在小磨盤與大基盤間加入一可變形的材料，作為緩沖區(qū)，以利等高度調(diào)整。

4 傳統(tǒng)修整器與組合式修整器比較

本研究比較了傳統(tǒng)的釬焊金剛石修整器以及組合式金剛石修整器的材料移除率及加工后的表面形貌，如圖4所示。

傳統(tǒng)的鉆石碟修整器是通過釬焊過程將金剛石磨粒附著在平坦的不銹鋼盤基底上，如圖4a，由于金剛石磨粒尺寸和形狀的變化差異大，使得金剛石磨粒在磨削后的拋光墊的表面形貌會(huì)呈現(xiàn)不均勻的凹凸?fàn)?。此外，由于在高溫的釬焊過程中，不銹鋼基板會(huì)變形，從而導(dǎo)致修整器上的金剛石尖端不能均勻修整拋光墊。目前在CMP制程中所使用的拋光墊修整器，大部分的磨粒等高度差都在100μm左右，而這些磨粒中僅約10 %實(shí)際參與切削工作，90 %的磨粒是沒有作用的，理想的金剛石修整器的磨粒排列高度落差是越小越好，這能使參與切削工作的金剛石自然增加，除了可以提升切削率之外，也可以延長鉆石修整器的使用壽命[10]。

圖4 比較二種不同的金剛石修整器Fig.4 Comparison of two different brazed diamond dressing discs

組合式金剛石修整器是將不銹鋼的小基板做通孔加工，再將金剛石釬焊于小基板上形成一小磨盤，釬焊后的小磨盤需做等高度的量測分類，將每個(gè)磨盤的等高差控制在20μm以內(nèi)，再組裝于不銹鋼的大基本上，完成一組合式金剛石修整器，如圖4b所示。不銹鋼小基座通孔的目的除了可以用螺桿鎖扣的方式固定于大基座上調(diào)整高度差外，主要的目的是在高溫的釬焊過程，避免因?yàn)楦邷乩鋮s的溫差造成材料變形，或是因熱應(yīng)力的影響造成金剛石在加工研磨時(shí)的脫落。組裝后的金剛石修整器仍需要再量測組裝造成的公差，利用鎖螺桿的扭力或是加一墊片控制高度差，將12個(gè)小磨盤的高度差控制在20μm以內(nèi)，以增加金剛石磨粒接觸拋光墊表面的數(shù)目。

本研究利用自制的拋光機(jī)臺(tái)，固定轉(zhuǎn)速、固定荷重的方式加工DOW IC1000的拋光墊，拋光液為DI Water，如圖5所示。加工參數(shù)如表1所示。

圖5 自制拋光機(jī)Fig.5 Self-designed polishing machine

表1 修整實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Dressing experimental parameters

修整率 (CR,Cutting Rate)計(jì)算方式是在一定固定時(shí)間內(nèi)計(jì)算加工前后拋光墊的厚度差。

CR=(TB-TF)/t

其中:TB=修整前之拋光墊厚度平均值;TF=修整后之拋光墊厚度平均值;t=修整時(shí)間。

在所有拋光實(shí)驗(yàn)前，均須對(duì)拋光墊的表面做預(yù)拋，以確保拋光墊表面的平整性。傳統(tǒng)的修整器使用90/100#的金剛石，間距0.5mm,共約4萬顆金剛石，組合式鉆石碟也是使用90/100#的金剛石，間距0.5mm,每一顆小磨盤約1千顆金剛石，12顆小磨盤共約1萬2千顆金剛石磨粒，是傳統(tǒng)金剛石修整器的1/3數(shù)量。對(duì)比了傳統(tǒng)金剛石修整器和組合式金剛石修整器分別修整拋光墊的修整效率如圖6所示。

圖6 拋光墊修整速率比較圖Fig.6 Contrast of dressing rates for polishing pads

從切削拋光墊的修整速率來觀察，這兩種修整器的切削速率差異不大，組合式修整器比傳統(tǒng)式的修整器略高，主要原因是傳統(tǒng)式修整器的變形量大，磨粒的等高性差，接觸拋光墊的金剛石磨粒少，而組合式修整器的每一個(gè)小磨盤的磨粒等高性佳，組合后還可以控制平均高度，因此，總接觸拋光墊的磨粒數(shù)量會(huì)較多，且組合式修整器每一小磨盤之間有足夠的排屑空間，有利于加工效率及表面形貌的光滑。

比較加工后IC1000的拋光墊的 SEM 照片，如圖7所示。從圖中觀察可發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)式修整器加工后的拋光墊表面較為粗糙，且在多處可發(fā)現(xiàn)較大的凹洞及突出纖毛，而組合式修整器修整后的表面則較平順，且可清晰地看到拋光墊本身的發(fā)泡氣孔。

使用共軛焦顯微鏡觀察加工后拋光墊的粗糙度，傳統(tǒng)修整器加工后的表面粗糙度Ra為8.8μm,Rq為13.1μm,如圖8所示；組合式修整器加工后的Ra為7.1μm,Rq為9.2μm,如圖9所示。

圖7 比較不同修整器對(duì)IC1000拋光墊加工后的表面形貌SEM圖Fig.7 Comparing the surface morphology of IC1000 polishing pads processed by different brazing diamond dressing discs by SEM.

圖8 傳統(tǒng)式修整器加工后拋光墊的表面形貌Fig.8 Surface morphology of polishing pad after common dresser processing

圖9 組合式修整器加工后拋光墊的表面形貌Fig.9 Surface morphology of polishing pad after processing by combined dresser

通過3D的立體圖及平均表面粗糙度Ra的觀察，兩種修整器加工后的形貌差異不大，但是傳統(tǒng)式修整器的輪廓均方根值Rq卻是組合式修整器的1.4倍。從物理上的意義來看，Rq是在取樣長度內(nèi)，輪廓偏離平均線的均方根值，它是對(duì)應(yīng)于Ra的均方根(rms)參數(shù)，當(dāng)取樣的數(shù)值有極大數(shù)時(shí)，可以明顯的比較，也就是傳統(tǒng)修整器加工后拋光墊的表面會(huì)產(chǎn)生較深或較高的結(jié)構(gòu)。而組合式修整器加工后的Ra與Rq 差異不大，代表表面形貌屬于平坦式的結(jié)構(gòu)，是半導(dǎo)體CMP加工所需要拋光墊的特性。

5 結(jié)論

半導(dǎo)體CMP制程所使用的拋光墊需要很高的平整度，且表面粗糙度要低，才能達(dá)到新一代CMP加工的需求，目前唯有等高度良好的金剛石修整器才有機(jī)會(huì)達(dá)此要求。傳統(tǒng)的金剛石修整器因?yàn)楦邷剽F焊制程，造成金剛石磨粒的等高度差，使加工后的表面形貌質(zhì)量下降;而經(jīng)過優(yōu)化的組合式金剛石修整器除了制程簡單，還可以均勻地削除拋光墊材料，能得到良好的拋光墊表面形貌。