化学机械平坦化:CMP(Chemical-Mechanical Planarization)

Slurry:英语名词,译为“泥浆,悬浮液”

  • 少量食盐融化到水中,形成均匀稳定的分散体系,是为溶液

  • 泥土搅拌到水中,并不是被溶解,仅是分散在其中,一旦混合物停止振荡,就会沉淀,这种不均匀的、异质的混合物,称之为悬浮液

    悬浮液 是一种非均相体系,由含大量分子的颗粒悬于液体中形成,固体颗粒分散于液体中,因布朗运动而不能很快下沉。例如:水中的泥土颗粒,观察悬浊液中的颗粒,最终会沉降下来,且颗粒的体积越小,沉降所需要的时间就越长。

    

   悬浮液会不会最终全部沉降下来呢?需要看几个因素

  • 液体表面张力

  • 液体分子热运动 - 基本为水

  • 固体颗粒的大小

故,只要固体颗粒物体积足够小,密度足够小,液体具有较高的表面张力,可以形成一种相对稳态的悬浮液。


男士磨砂洁面乳

女士磨砂洁面乳

    经年的风霜、狂野的风尘堆积在你我的脸上,形成了污垢、死皮和淤泥,经年累月,舒肤佳都束手无策。焦虑的您,莫着急,不忧伤,请选购磨砂型洁面乳,给您自信,恢复您往日白白嫩嫩的肌肤脸蛋。

   不是说好了不做广告吗?怎么来了洗面乳照片呢,亲爱的朋友们,莫着急。

    磨砂型洁面乳,一种典型的研磨液浓缩物,捏一点到手上,如果家里条件好的,好像有可以配置一个丝瓜芯的刷子,这就更完美了,然后淋上水,在脸上磨呀磨,污垢、死皮和淤泥 去光光,这就是研磨液。

    为啥还分男士和女士呢,简单来说,里面的颗粒物大小不同,男士的固体颗粒物较大,配合你粗粗的皮肤和大大的毛孔,磨出男人味。女士的颗粒物较小,磨出柔嫩的肌肤。能不能换着使用呢?通常不建议,男士用女士洁面乳,颗粒物进可能进到您粗大的毛孔内导致毛囊发炎,而且磨不动您的老皮老垢。女士用男士洁面乳,容易刷伤皮肤,可能变的爷们兮兮的。


   刚才提到了研磨 ,让我想起摩擦这个词。

    两个相互接触并挤压的物体,当发生相对运动或具有相对运动趋势时,就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力,这种力叫摩擦力


摩擦定律:(friction law)

  • (1)摩擦力与接触面之面积大小无关,但与接触面之性质有关。

  • (2)摩擦力与正压力成正比;但摩擦系数不因正压力之增减而变化。

  • (3)动摩擦系数小於最大静摩擦系数。

  • (4)改变运动方向,会增大摩擦力。速度极高,则动摩擦系数越小。

  • (5)温度之变化对摩擦力之影响甚小。最大静摩擦力与正压力成正比。


   重温摩擦力定律,科学使用磨砂洁面乳,科学洗脸,刻不容缓。


    1965年美国孟山都公司在世界上首先提出了二氧化硅溶胶和凝胶应用于硅晶圆片的抛光加工的专利。从此,半导体用抛光液(slurry)成为了半导体制造中的重要的、必不缺少的辅助材料。半导体硅片抛光工艺是衔接材料与器件制备的边沿工艺,它极大地影响着材料和器件的成品率,并肩负消除前加工表面损伤沾污以及控制诱生二次缺陷和杂质的双重任务。

    CMP研磨液(Slurry)是平坦化工艺中的研磨材料和化学添加剂的混合物,Slurry主要是由研磨剂 、表面活性剂、PH缓冲胶、氧化剂和防腐剂等成分组成,其中研磨剂一般包括二氧化硅(SiO2)、 三氧化二铝(Al2O3)、 氧化铈(CeO2)、双氧水(H2O2)、氢氧化钾(KOH)、二氧化锰(MnO2)、硝酸铁 (Fe(NO3)3)、碘酸钾(KIO3) 、氨水(NH4OH) 等等

    芯片制造,类似盖高楼,一层又一层,要想对的准,楼不塌,在制造下一层前必须确保本层的平坦的,这就是CMP平坦化的朴素诉求。

    Wafer表面在制造过程中是不平坦的,比如,CVD、PVD、EPI、Tungsten Plug等等工艺过程,基本类似漫天飞雪落地的过程,无法保证达到需要的平坦度,这就需要化学机械研磨平坦化处理。


Wafer表面实际上不平坦

Wafer表面实际上不平坦


    化学机械研磨平坦化的过程,大致是研磨液、研磨刷搭配起来,接着用力按住,然后拼命旋转,把该磨的部分磨掉的一个过程。

    聊到这里,发现了新的问题,一直谈用研磨液和怎么磨,但是要磨掉什么呢?

  • 铜膜

  • 氧化硅

  • 氮化硅

  • LOW-K膜

  • 等等



CMP设备示意图

Ebara

Ebara

Before and After


研磨机理



研磨液要素

  • 悬浮液杂质纯度

  • 二氧化硅颗粒尺寸

  • 二氧化硅颗粒硬度及均匀度

  • 表面活性剂的选取及比例

  • PH值调节

  • 氧化剂选取及比例

  • 等等


研磨液举例

  • SiO2 二氧化硅 / Silicon dioxide 低于3% 7631-86-9

  • NH4OH 氢氧化铵 / Ammonium hydroxide 低于0.2% 1336-21-6

  • 有机化合物 / Organic compound 低于0.2% 

  • H2O 水 / Water 96.6%以上 7732-18-5


研磨垫的要素

  • 1. 研磨垫对研磨液的保持性要很好-->  得到高效率的研磨

  • 2. 研磨垫表面有适当的刚性--> 确保平坦化效果

  • 3. 研磨垫能随着芯片的弯曲而变形--> 可得较好的均匀度

  • 4. 容易将研磨后的“副产物”(By-Products)排出 --> 以得到较佳的研磨再现性

  • 5. 减少研磨垫材料的不纯物--> 得到好的清洗效果


研磨垫PAD-Fujimico


研磨去除率

  • 研磨去除率 = 相对速度*压力*比例常数

  • 相对速度由旋转速度决定

  • 压力为上端给予的压力

  • 比例常数基于研磨液及研磨垫


CMP研磨系统


附图:


Shin Hwa Li & Robert Q Miller


请大家批评指正,谢谢!


注:部分内容来自网络,如有侵权请告知,谢谢

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