基于全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，IC技術(shù)（Integrated circuit, 即集成電路）已經(jīng)滲透到國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，成為世界第一大產(chǎn)業(yè)。IC 所用的材料主要是硅和砷化鎵等,全球90%以上IC 都采用硅片。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，一方面，為了增大芯片產(chǎn)量，降低單元制造成本，要求硅片的直徑不斷增大；另一方面，為了提高IC 的集成度，要求硅片的刻線寬度越來(lái)越細(xì)。半導(dǎo)體硅片拋光工藝是銜接材料與器件制備的邊沿工藝，它極大地影響著材料和器件的成品率，并肩負(fù)消除前加工表面損傷沾污以及控制誘生二次缺陷和雜質(zhì)的雙重任務(wù)。在特定的拋光設(shè)備條件下， 硅片拋光效果取決于拋光劑及其拋光工藝技術(shù)。

20世紀(jì)60年代中期前，半導(dǎo)體拋光還大都沿用機(jī)械拋光，如氧化鎂、氧化鋯、氧化鉻等方法，得到的鏡面表面損傷極其嚴(yán)重。1965年Walsh和Herzog提出SiO2溶膠-凝膠拋光后，以氫氧化鈉為介質(zhì)的堿性二氧化硅拋光技術(shù)就逐漸代替舊方法，國(guó)內(nèi)外以二氧化硅溶膠為基礎(chǔ)研究開(kāi)發(fā)了品種繁多的拋光材料。

隨著電子產(chǎn)品表面質(zhì)量要求的不斷提高, 表面平坦化加工技術(shù)也在不斷發(fā)展，基于淀積技術(shù)的選擇淀積、濺射玻璃SOG( spin-on-glass) 、低壓CVD( chemical vapor deposit) 、等離子體增強(qiáng)CVD、偏壓濺射和屬于結(jié)構(gòu)的濺射后回腐蝕、熱回流、淀積-腐蝕-淀積等方法也曾在IC藝中獲得應(yīng)用, 但均屬局部平面化技術(shù),其平坦化能力從幾微米到幾十微米不等, 不能滿足特征尺寸在0. 35 μm 以下的全局平面化要求。

1991 年IBM 首次將化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)( chemical mechanical polishing , 簡(jiǎn)稱CMP)成功應(yīng)用到64 Mb DRAM 的生產(chǎn)中, 之后各種邏輯電路和存儲(chǔ)器以不同的發(fā)展規(guī)模走向CMP, CMP 將納米粒子的研磨作用與氧化劑的化學(xué)作用有機(jī)地結(jié)合起來(lái), 滿足了特征尺寸在0. 35微米以下的全局平面化要求。CMP 可以引人注目地得到用其他任何CMP 可以引人注目地得到用其他任何平面化加工不能得到的低的表面形貌變化。目前, 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)已成為幾乎公認(rèn)為惟一的全局平面化技術(shù)，逐漸用于大規(guī)模集成電路(LSI) 和超大規(guī)模集成電路(ULSI) ，可進(jìn)一步提高硅片表面質(zhì)量，減少表面缺陷。

拋光液是CMP 的關(guān)鍵要素之一, 拋光液的性能直接影響拋光后表面的質(zhì)量. 拋光液一般由超細(xì)固體粒子研磨劑( 如納米SiO2、Al2O3 粒子等) 、表面活性劑、穩(wěn)定劑、氧化劑等組成, 固體粒子提供研磨作用, 化學(xué)氧化劑提供腐蝕溶解作用。

關(guān)于堿性SiO2的拋光機(jī)理，過(guò)去一般用化學(xué)及機(jī)械磨削理論來(lái)進(jìn)行解釋，也有人提出一個(gè)吸附效應(yīng)的概念。

堿性的拋光液和硅片接觸，發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：

Si+2OH-+H2O=SiO32-+2H2 （2-1）

反應(yīng)是較容易進(jìn)行的。同時(shí), 拋光液的固體顆粒及襯墊與硅片磨擦起機(jī)械磨削作用, 而在硅片拋光中, 化學(xué)效應(yīng)起了主要作用, 這種化學(xué)作用是在硅表面的原子和溶液的OH-之間的氧化還原作用引起的, 根據(jù)表面化學(xué)和固體物理晶格排列理論, 由于硅單晶表面處硅原子有規(guī)則排列的終止, 硅原子及其剩余的價(jià)鍵具有物理吸附和化學(xué)吸附兩種力、其中物理吸附是指表面晶格系統(tǒng)分子與它周圍分子之間引力作用, 而化學(xué)吸附則是由于表面硅原子電子轉(zhuǎn)移的鍵合過(guò)程, 對(duì)它周圍的分子或離子形成強(qiáng)大的化學(xué)鍵力, 并能生成組成不易確定的表面化合物。

顯然, 拋光Si表面的過(guò)程中, 這兩種力將使拋光液中的由于化學(xué)反應(yīng)而生成的氫氣和硅酸鹽緊緊地吸附在表面的硅原子上, 使進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)難于進(jìn)行, 而拋光液中的SiO2顆粒由壓力和軟襯墊作用和表面硅原子起到緊密的接觸研磨、這樣除了磨削機(jī)械作用外, SiO2膠團(tuán)對(duì)這些吸附物也產(chǎn)生了一種反吸附(即解吸) 作用, 被解脫的吸附物隨SiO2研磨運(yùn)動(dòng)拖走后, 化學(xué)反應(yīng)才得以繼續(xù)進(jìn)行, 因此實(shí)際上拋光過(guò)程就是化學(xué)、磨削及吸附效應(yīng)同時(shí)作用的過(guò)程。

根據(jù)這種設(shè)想, 對(duì)于拋光液中的SiO2顆粒要滿足兩個(gè)要求：①足夠大的顆粒度以保持較好的研磨作用；②要求其有最大的吸附能力。SiO2顆粒大, 磨削作用大, 但吸附力會(huì)降低, 所以運(yùn)用這種觀點(diǎn)也很好地解釋了拋光速率和固體顆粒大小不是有嚴(yán)格地對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在拋光工藝?yán)? 影響拋光速率的因素有壓力、PH 值、溫度、拋光液濃度等等, 其中壓力的影響幾乎是直線關(guān)系的。由于SiO2硬度和硅單晶硬度相似(莫氏硬度均為7 ), 所以機(jī)械磨消作用較少, 使機(jī)械損傷大大減少。

磨粒對(duì)拋光性能的影響研究較多. 關(guān)于磨粒粒徑對(duì)拋光性能的影響, 研究結(jié)果還不統(tǒng)一。1996 年Michael等提出了CMP 加工中顆粒尺寸對(duì)拋光液拋光性能( 如拋光速率、微劃痕數(shù)量)的重要性。隨后Zhou等研究了在單晶硅晶片的拋光中, 納米SiO2 粒徑(10～140 nm) 對(duì)去除率的影響, 發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)條件下, 粒徑80nm的SiO2 粒子去除率最高, 得到的表面質(zhì)量最好，而B(niǎo)ielmann等對(duì)金屬鎢CMP 的研究卻發(fā)現(xiàn), 拋光后表面的局部粗糙度與Al2O3 磨粒的粒徑間沒(méi)有相關(guān)性, 而去除率則隨顆粒減小反而增加。

Mazaheri 等研究了CMP中磨粒的表面粗糙度對(duì)去除率的影響, 發(fā)現(xiàn)相同直徑時(shí), 表面不平磨粒的滲透深度比球形磨粒大, 但去除率比球形的小。

Basim等研究發(fā)現(xiàn), 隨著大顆粒尺寸及濃度的增加, 拋光后氧化膜表面的缺陷增加, 并且拋光機(jī)理也發(fā)生相應(yīng)變化, 因而為獲得滿意的拋光結(jié)果, 必須采取有效的方法去除拋光液中的大顆粒。

采用透射電鏡或掃面電鏡對(duì)經(jīng)不同拋光液處理的硅片樣品進(jìn)行觀測(cè), 以確定研磨液的粒形、粒貌和粒徑大小對(duì)研磨性能的影響。用DLS 光散射儀表征多配拋光液的粒徑。

二硅化硅溶膠或凝膠拋光液的基本形式是由一個(gè)SiO2拋光劑和一個(gè)堿性組份水溶液組成。SiO2顆粒要求范圍為10 ~150納米, 堿性組成一般使用NaOH、氨或有機(jī)胺，pH 值為9.5~11.0，SiO2濃度為15~50%。

1）方法1：

稱取一定量的去離子水放入燒杯中, 開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī), 其轉(zhuǎn)速為80~100 r/ min。加入計(jì)算量的分散劑, 待其全部溶解后繼續(xù)攪拌10 min , 再將計(jì)算量的納米級(jí)SiO2 加入上述溶液中, 再攪拌30 min。用NaOH、有機(jī)堿或鹽酸調(diào)pH 值至8.5~10.0，補(bǔ)加去離子水達(dá)到預(yù)定的刻度, 停止攪拌, 放置12 h。最后將SiO2 溶膠攪拌30 min , 用中速濾紙過(guò)濾, 濾液為SiO2 溶膠。

2）方法2

將Na2SiO3 溶液經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂移除Na+離子，制備出活性硅酸，在三口燒瓶?jī)?nèi)經(jīng)過(guò)氫氧化鈉堿化濃縮，并持續(xù)加入新鮮的硅酸分子聚合生長(zhǎng)，聚合過(guò)程中通過(guò)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的氫氧化鈉溶液維持體系pH 為10，同時(shí)保持液面恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間與硅酸流量制備出不同粒徑的納米二氧化硅溶膠。

分別以NaOH 和有機(jī)堿為堿性物質(zhì)，配制成SiO2 濃度為10 %、20 %、30 %、40 %和50 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 5 種溶膠。在無(wú)蒸發(fā)條件下，放置60 天，未觀測(cè)到溶膠產(chǎn)生凝聚和沉淀的現(xiàn)象; 在有蒸發(fā)的情況下，由于水份蒸發(fā)導(dǎo)致SiO2 固體含量增加，溶膠變粘稠，但仍無(wú)凝聚和沉淀層現(xiàn)象產(chǎn)生。此時(shí)加入一定量的去離子水并攪拌，仍能恢復(fù)SiO2 溶膠的初始狀態(tài)。上述現(xiàn)象說(shuō)明，不論是NaOH 還是有機(jī)堿作為溶膠的堿性物質(zhì)以及溶膠濃度變化都對(duì)SiO2溶膠的穩(wěn)定性影響不大。

用分散劑和NaOH 配制成不同pH 值的水溶液，分別加入相同重量的非烘型SiO2 ，攪拌均勻，分別測(cè)定其pH值并記錄溶液的膠凝時(shí)間，繪出其關(guān)系曲線示于圖2。由圖2 看出， 在本試驗(yàn)條件下，SiO2溶膠的穩(wěn)定性隨pH 值增大而增大，當(dāng)pH 值> 8.5時(shí)，溶膠可達(dá)到非常穩(wěn)定的狀態(tài)。

3）溫度對(duì)SiO2 溶膠穩(wěn)定性的影響

探討溫度對(duì)含NaOH 的SiO2 溶膠穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，在低于50 ℃的溫度范圍內(nèi), 溫度對(duì)SiO2 溶膠穩(wěn)定性無(wú)明顯影響。室溫下該溶膠放置兩個(gè)月, 未見(jiàn)凝聚和沉淀現(xiàn)象產(chǎn)生。但當(dāng)溫度升至55～90℃范圍時(shí), 則溫度影響較大。當(dāng)溫度≥90 ℃時(shí), 由于溶膠顆粒變化而產(chǎn)生部分沉淀。

4具體實(shí)例

堿性硅晶片拋光液A，它的PH值范圍為8~13，粒徑為15nm~150nm，它是由磨料、PH調(diào)節(jié)劑、表面活性劑和水混合組成。該拋光液是堿性，不腐蝕污染設(shè)備，容易清洗；硅拋光速率快，平整性好，表面質(zhì)量好；使用不含金屬離子的螯合劑，對(duì)有害離子的螯合作用增強(qiáng)；采用非離子表面活性劑，能對(duì)磨料和反應(yīng)產(chǎn)物從襯底表面有效的吸脫作用，拋光后易于清洗；對(duì)環(huán)境無(wú)污染；拋光液具有良好的流動(dòng)性，提高質(zhì)量傳輸?shù)囊恢滦?、降低表面的粗糙度?/DIV>

拋光液B

拋光液C

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