电子材料表面抛光中化学和机械的平衡及其改善方法

摘要：化学机械研磨（CMP）技术正面临加工新的电子材料的挑战。文章着重于需要应付各种电子材料CMP制程耳朵化学和机械之间的平衡反应。该材料的性能分为下列范畴：容易研磨（ETA），难以研磨（DTA），容易起反应（ETR）和难以反应（DTR）。作为代表的ETA-ETR、DTA-ETR，ETA-DTR和DTA-DTR的化学和机械平衡可当作无缺陷的表面。文章为每种电子材料提出了合适的抛光方法和实例。

关键词：表面抛光；化学机械抛光；电子材料

中图分类号：TG662 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）07-0056-03

一、简介

半导体行业需要不停地发展新的和先进的加工技术来应付新兴材料用于各种设备。因为与时俱进快速变化的半导体器件市场，当前挑战并创造新电子材料变得不可缺少。快速增长的半导体处理技术增加其应用的极限。

抛光技术已成为半导体制造的一项关键技术因为电子材料需要抛光以去除表面的污渍、实现的单晶后的基片表面沉积过程。对于表面缺陷的电子材料，常规机械抛光技术已经进化成一个使用化学反应的混合抛光技术。随着互连尺寸比例缩减，一种由IBM公司引进的化学机械抛光（CMP）技术快速增长，因其拥有在单晶深亚微米集成电路制造、超细加工电子材料的最强大的技术。CMP技术分别使用磨具和化学泥浆进行机械和化学移除。即使这些CMP技术被应用于半导体制造，一些去除机制仍然是模糊的，因为它是几乎不可能观察到晶圆片之间的接口，在抛光护垫过程。不幸的是，因为这个原因在很大程度上取决于CMP制程工程师的实验敏捷。此外，机械化学抛光技术面临着加工新的电子材料的挑战。

在CMP，磨料的选择和化学试剂决定了去质能力和表面靶材质量。因此，很重要的一点就是要了解目标材料的材料性能和选择适合自己的磨料磨具和化学工艺。本文我们主要讨论CMP反应中化学和机械之间平衡及其应付各种电子产品材料的能力。

二、电子材料

图1显示了电子材料的分类。对这些材料的材料性能进行了分类：容易研磨的组合（ETA），很难研磨（DTA），易反应（ETR）和难以反应（DTR）。本文这些电子材料分类如下：

1．ETA-ETR材料：导体材料，如铜、铝、W等易被硅溶胶模壳工艺和浆解散化学品粘附，分为ETA-ETR材料。

2．DTA-ETR材料：绝缘氧化物分为DTA -ETR材料。它不容易通过硅溶胶与二氧化硅表面产生研磨，然而，它们很容易地被碱性药物水合或氧化。

3．ETA-DTR材料：用于集成电路和微机电系统（MEMS）的绝缘聚合体是ETA-DTR材料。SU-8是一种厚的兼有化学稳定和热稳定性的基于环氧的光刻胶（PR），它主用于微细加工。

4．DTA-DTR材料：宽带隙的化合物，如SiC和GaN都属于DTA-DTR材料，具有硬度高和化学惰性特点。

三、电子材料的抛光

（一）ETA-ETR材料

铝和铜作为互连线材料，一般都比在CMP泥浆中作为磨料的硅胶更柔和，而且硅胶会在这些金属表面留下划痕。因此，在金属CMP，消除目标材料是成膜、膜磨和再钝化的重复过程的结果。

在铜CMP。使用氧化铝磨料或硅。最近，硅溶胶研磨已经被广泛用于创建一个无缺损的表层，由于氧化铝磨料太难了，在铜表面产生深划痕。铜被化学药品和浆轻微蚀刻和表面的粗糙度如何恶化。铜的粗糙表面）与硅胶轻机械磨损得到改善。图2所示的研磨的作用浓度的铜CMP对材料去除率浆（MRR）。压力、旋转速度、浆流量分别为20.7kPa，80rmp，150ml/min。无损浆低相对于一般类型含有磨料磨料的浆显示了更少的MRR。增加硅溶胶增加MRR，通过抚平化学反应的铜表面降低表面粗糙度。

ETA-ETR材料的CMP在很大程度上取决于化工反应泥浆和目标之间的材料。然而，高化学移除和生成一个钝化层导致目标材料表面粗糙。因此，在CMP浆中使用软磨料轻微研磨与化学试剂的正确选择是制备ETA-ETR材料无缺陷表面中不可缺少的。

（二）DTA-ETR材料

二氧化硅CMP的主要机制是氧化膜在CMP中产生的摩擦力造成的升温而形成的破裂或软化，同时还伴随着二氧化硅的塑性变形。软化了的氧化膜，被碱性溶液水合，随后被磨料耕作。在二氧化硅CMP中用的最广泛的磨料是二氧化硅和CeO2。二氧化硅去除氧化面的水合层通过缩合和耕作二氧化硅膜。库克提出了一种“化学牙”二氧化硅表面和CeO2颗粒将做一个CeOSi连接，CeOSi（OH）除去表面，然后也将进行Si（OH）解散。因此，ceria浆比硅浆的MRR高。DTA-ETR材料，如二氧化硅，应由一种化学反应表面通过软磨料进行机械抛光，以便得到无缺陷表面。

（三）DTA-DTR材料

6H-SiC是一个具有代表性的为高性能电子设备的基体材料，是一个典型的DTA-DTR材料。很难用硅胶对碳化硅表面抛光因为单晶SiC的Mohs硬度是9～9.5，而且比硅溶胶更硬（Mohs6.5～7），另外，高inter-atomic连接的能量使SiC稳定高温和化学性活跃。熔岩KOH（T>450暖）最常应用于SiC为了实现优先蚀刻。

应用压力、旋转速度、浆流量分别为120kPa、100rpm和150mL/min。一个硅溶胶浆和混合磨料浆（MAS），混合了硅溶胶（平均直径：120nm）和钻石（平均直径：30nm）用于6H-SiC的CMP。硅溶胶浆相对于MAS显示出更低的MRR。这结果来源于higher MRR and CMP withMASshowa上级的表面质量。

为了验证了碳化硅去除的机理、高度降低凹nano-indentation测量后留下了原子力显微镜（AFM）。这些散布的胶体硅浆的高度降低缩进，然而它加宽了缩进宽度通过切除了应力诱发缩进的边缘区域。MAS的高度的降低在不增加缩进它的宽度。很可能钻石（金刚石）产品的表面刮伤或解除SiC机械和应力诱发表面的反应起来相当容易用化学物质。在多的硅溶胶模壳扮演这样的角色6H-SiC光滑的表面。因此，机械应力发现在硬磨料磨具和表面平滑化学污染用软产品表面反应需要的CMP DTA -DTR材料。也就是说，增强应力的CMP正是DTA-DTR CMP的材料所需的。

（四）ETA-DTR材料

目前，微机电系统（MEMS）的CMP使用正在增加是为了减小尺寸，实现设备的高度集成结构。在湿法腐蚀的过程，SU-8过氧化氢作为一种在100～130分解有机杂质氧化剂的暖。然而，CMP制程在室温下进行，就这样那化学反应是约束与非常慢在CMP。

因此，需要机械磨损表面去除SU-8。资料显示了抛光处理硅溶胶浆的MRRs样本SU-8，过氧化氢和过氧化氢溶液，基础硅溶胶模壳基础氧化铝浆泥浆和过氧化氢。抛光压力，旋转速度、浆流量分别为30kPa、80rpm和150mL/min。CMP中苯甲醇泥浆比常规硅溶胶泥浆显示了更高的MRR。这SU-8抛光和的MRR基础氧化铝浆过氧化氢更高比抛光和硅溶胶浆过氧化氢为基础。然而，氧化铝浆留下了太多的划痕在表面上SU-8的。因此优良的产品适合CMP以减少SU-8划痕。

ETA-DTR材料的材料去除很大程度上取决于ETA-DTR材料机械磨损用作增强化学反应在DTA-DTR材料。 然而，机械研磨与优良的硬磨料是制备无缺陷表面和ETA-DTR材料高MRR所必不可少的，以克服化学惰性特征的物质。

四、电子材料抛光中化学和机械的平衡

在抛光技术中，制备电子材料无缺陷表面时应考虑化学和机械的平衡。图3表现出种种抛光方法和适当的化学和机械电子平衡的条件材料。电子材料很大程度上被分为两种组：ETR组和DTR组。ETA-ETR材料，容易与化学物质反应，要求有很高的化学反应和轻微机械磨损以产生良好的表面。DTA-ETR材料，如二氧化硅，应磨光机械磨损，一种化学反应层用软磨料。DTR组由于CMP技术其化学惰性的特点是一个具有挑战性的地区。因此， DTR的CMP主要依靠机械磨损。机械磨损和化学硬磨料对于制备ETA-DTR材料无缺陷表面是必需的。DTA-DTR材料通过一般CMP过程很难去除表面由于其化学和机械稳定性。强机械应力应采用表面研磨好DTA-DTR材料以营造一种良好的化学反应。因此，增强应力的CMP适用于表面缺陷DTA-DTR材料。

五、结语

电子材料性质分为ETA-ETR，DTA-ETR，ETA-DTR和DTA-DTR，这些取决于它们的特性。ETA-ETR材料通过轻微机械磨损和强烈的化学反应很容易磨光。DTA-ETR材料的表面主要通过机械磨损化学反应实现表面移除。ETA-DTR材料应该由细腻的磨料抛光抛光因其ETA和化学惰性的特点。增强应力的CMP适合制备DTA-DTR材料无缺陷的表面。