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摘要
? ? ? 本文研究了化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝后顆粒在晶圓表面的粘附情況。嵌入的顆?？梢允菨{中的磨料顆粒、墊材料中的碎片和被拋光的薄膜顆粒。為了找到最有效的顆粒去除機(jī)理，研究了不同的去除方法。在cmp清洗后，在溶液中加入表面活性劑。結(jié)果與不含表面活性劑的清洗進(jìn)行比較，表明通過刷掃的機(jī)械相互作用和表面活性劑在溶液中的化學(xué)作用（即摩擦化學(xué)相互作用），清洗更有效。數(shù)值分析還預(yù)測了添加表面活性劑后的顆粒去除率。計(jì)算了晶圓-粒子界面中存在的范德華力，以找出去除粒子所需的能量。最后，通過將范德華力建模為粒子與表面分離距離的函數(shù)，研究了粘附過程。彈性理論對納米顆粒-表面相互作用的成功適應(yīng)，揭示了CMP的清洗機(jī)制。該模型告訴我們，隨著分離距離的減小，引力并不總是會(huì)增加。估計(jì)的力值可用于漿料設(shè)計(jì)和CMP工藝估計(jì)。
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介紹
? ? ? 化學(xué)機(jī)械拋光最初用于玻璃和硅片拋光。隨著其功能的增加，化學(xué)機(jī)械拋光被引入到平面化層間電介質(zhì)(ILD)、淺溝槽隔離(STI)和用于片上多級(jí)互連的鑲嵌金屬布線中。該工藝適用于半導(dǎo)體加工中的銅、鎢和低介電常數(shù)介質(zhì)?；瘜W(xué)機(jī)械拋光的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)粗糙表面的平面化。在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，晶片被倒置在載體中，并被壓入與流過漿液飽和拋光墊的漿液膜接觸。晶片表面通過機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕進(jìn)行拋光，以實(shí)現(xiàn)局部和整體平面化。這一過程對于制備光滑的表面層至關(guān)重要，以便后續(xù)過程可以從平坦的表面開始。
? ? ? 本研究的主要目的是研究化學(xué)機(jī)械拋光后清洗中的顆粒去除機(jī)理。本研究采用了三種方法。首先是用刷掃法進(jìn)行清洗，然后在清洗液中加入化學(xué)藥品和添加劑，最后通過數(shù)值模擬來預(yù)測附著力范圍和偏轉(zhuǎn)表面。
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化學(xué)機(jī)械拋光后清洗中納米粒子的去除機(jī)理
? ? ? 介紹：化學(xué)機(jī)械拋光的主要問題是殘留顆粒含量高。根據(jù)化學(xué)機(jī)械拋光的類型和拋光條件，由于拋光墊施加的機(jī)械壓力，這些顆粒可以物理吸附在表面或部分嵌入襯底中。由于范德華力在粘合過程中更占主導(dǎo)地位，因此必須通過刷子刷洗的機(jī)械力或使用化學(xué)溶液或添加劑來克服它。在微粒的情況下，機(jī)械力是不夠的。因此，必須添加化學(xué)物質(zhì)或添加劑來控制靜電排斥，以防止顆粒重新粘附。這可以通過控制基底和顆粒上的電荷來實(shí)現(xiàn)，這可以通過改變?nèi)芤旱乃釅A度或添加表面活性劑來改變。
? ? ? 實(shí)驗(yàn)：刷子用作上盤，晶片用作下盤。本研究使用聚乙烯醇刷子。為這個(gè)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了兩種清洗溶液。在第一種溶液中，使用10毫升去離子水作為清洗溶液。第二種溶液是通過混合10毫升去離子水和0.1重量%含醇醚硫酸鹽的陰離子表面活性劑制成的。在數(shù)據(jù)采集之前，將直徑為5毫米的刷子浸泡在去離子水中30分鐘。清潔實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，參數(shù)如下:刷子壓力為125帕，速度為0.5厘米/秒。刷子在晶片上的七個(gè)位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)。清洗過程后，用去離子水在超聲波清洗機(jī)中清洗樣品1分鐘，以防止顆粒再沉積到基底上。
? ? ? 結(jié)果和討論：用連續(xù)力學(xué)方法進(jìn)一步分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果如圖14所示.從該圖中可以推斷，去除顆粒所需的力隨著顆粒尺寸而變化。在達(dá)到一定尺寸后，機(jī)械移除的效果會(huì)顯著降低。在這個(gè)階段之后，使用表面活性劑將有助于減少去除較小顆粒所需的力。
? ? ? 結(jié)論：這項(xiàng)研究為理解表面活性劑分子在化學(xué)機(jī)械拋光后清洗中的作用開辟了未來的研究領(lǐng)域。在這方面，我們將觀察表面活性劑在達(dá)到臨界膠束濃度(CMC)前后的行為。將討論表面活性劑濃度和溫度范圍內(nèi)的摩擦學(xué)方法。
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圖14 不同粒徑下的下壓力變化
表面活性劑分子在化學(xué)機(jī)械拋光后清洗中的作用
? ? ? 介紹:化學(xué)機(jī)械拋光后清洗過去是用去離子水沖洗以去除漿料顆粒的簡單過程。然而，它們現(xiàn)在必須加入額外的化學(xué)物質(zhì)或添加劑以有效去除顆粒。有效的后化學(xué)機(jī)械拋光清洗溶液的最新發(fā)展有助于減少?zèng)_洗水的消耗。因此，表面活性劑和去離子水的使用將有助于降低耗材成本。
? ? ? 實(shí)驗(yàn)：清潔實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，參數(shù)如下:刷子壓力為125帕，速度為0.5厘米/秒。刷子在晶片的三個(gè)位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)。清洗過程后，用去離子水在超聲波清洗機(jī)中清洗樣品1分鐘，以防止顆粒再沉積到基底上。
? ? ? 結(jié)果和討論：圖18和19顯示了在化學(xué)機(jī)械拋光后清洗過程中，表面活性劑濃度和溫度對摩擦系數(shù)的影響。結(jié)果表明，隨著表面活性劑濃度和溫度的增加，平均摩擦系數(shù)降低。這種現(xiàn)象可以解釋如下。因?yàn)樵诟邷叵?，表面活性劑將比在低溫下花費(fèi)更少的時(shí)間均勻分散到基底表面，這又降低了表面張力。較低的表面張力會(huì)產(chǎn)生較低的潤濕角。此外，較低的潤濕角產(chǎn)生較高的潤濕，從而降低基底表面上的平均摩擦系數(shù)。在這種情況下，該過程有助于在刷掃過程中去除顆粒。另一個(gè)原因是硅片在清洗過程中容易發(fā)生放熱反應(yīng)；因此，界面溫度的升高會(huì)降低基底表面的平均摩擦系數(shù)。
? ? ? 結(jié)論：在這項(xiàng)研究中，我們使用了一種新的方法來研究后化學(xué)機(jī)械拋光清洗過程中的顆粒去除機(jī)制。該方法從拋光實(shí)驗(yàn)開始，以便將顆粒粘附在晶片表面上。化學(xué)環(huán)境是專門為此而設(shè)計(jì)的。拋光后，進(jìn)行清洗實(shí)驗(yàn)以研究顆粒去除機(jī)理。還特別考慮了表面活性劑的選擇。結(jié)果表明，表面活性劑分子可以降低顆粒間的粘附力。對于較大的顆粒，用較高濃度的表面活性劑和較高的操作溫度進(jìn)行清洗被證明能有效地減小粘附在基底表面上的殘余顆粒的尺寸。其機(jī)理主要是界面相互作用。
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彈性表面上附著力的建模 ??略
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結(jié)論
? ? ? 顆粒與晶片表面的粘附是化學(xué)機(jī)械拋光工藝中的主要問題之一。使用實(shí)驗(yàn)的化學(xué)機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光后清洗過程中的機(jī)理與數(shù)值分析相結(jié)合，粘附過程由顆粒和表面附近存在的范德華力控制。
? ? ? 結(jié)果表明，雖然表面活性劑分子可以減少顆粒之間的粘附，但機(jī)械去除僅對一定尺寸的大顆粒有效。對于較大的顆粒，用較高濃度的表面活性劑和較高的操作溫度進(jìn)行清洗被證明能有效地減小粘附在基底表面上的殘余顆粒的尺寸。一旦顆粒尺寸達(dá)到臨界尺寸，剩余的小顆粒將不能被有效去除。
? ? ? 對于剩余的小顆粒，加入表面活性劑可以有效去除顆粒。表面活性劑有兩個(gè)基本作用。一是削弱粒子與粒子和表面之間的結(jié)合。另一個(gè)是防止顆粒和晶片表面之間的進(jìn)一步粘附。其機(jī)理主要是界面相互作用。此外，利用彈性理論，我們能夠分析表面中點(diǎn)處的垂直位移。范德瓦爾斯力被評(píng)估為分離距離的函數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離達(dá)到臨界值ALPHA時(shí)，范德華力將不再吸引。這一結(jié)果由誤差%的穩(wěn)定圖和70到80范圍內(nèi)的ALPHA試驗(yàn)次數(shù)顯示。
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