化學(xué)機(jī)械拋光中的硅片夾持技術(shù)孫禹輝，康仁科，郭東明，金洙吉，蘇建修（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）摘要：目前半導(dǎo)體制造技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入0.13時(shí)代，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）已經(jīng)成為IC制造中不可缺少的技術(shù)。本文描述了下一代IC對(duì)大尺寸硅片（》300mm）B部和全局平坦化精度的要求，介紹了目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在化學(xué)機(jī)械拋光加工中硅片夾持技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前硅片夾持技術(shù)中存在的問題，并指出了未來(lái)大尺寸硅片超精密平坦化加工中夾持與定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：集成電路；化學(xué)機(jī)械拋光；夾持技術(shù)中圖分類號(hào)：TN305.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)；A文章編號(hào)：1003-353X（2004）04-0010-051前言集成電路（IC）制造是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展最主要的高新技術(shù)之一。發(fā)達(dá)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增長(zhǎng)部分的65%與IC工業(yè)相關(guān)，而全球90%以上的IC都要采用硅片。IC的發(fā)展遵循“Moor能律”，每隔3年芯片的集成度翻兩番，特征尺寸縮小1/3。目前，已由超大規(guī)模集成電路（ULSl）向巨大規(guī)模集成電路（GLSl）發(fā)展。下一代IC使用300mm直徑硅片和0.1線寬生產(chǎn)技術(shù)，要求硅片的夾持定位精度在30mm2區(qū)域內(nèi)為i0.05^m。按照美國(guó)微電子技術(shù)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)的發(fā)展構(gòu)圖，到2009年將開始使用450mm硅片，實(shí)現(xiàn)特征線寬0.05^m的生產(chǎn)技術(shù)［1,2］。隨著硅片尺寸的增大以及特征線寬的減小，作為目前硅片超精密平整化加工的主要手段一一化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)：一方面，要求經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光工藝加工出的硅片，達(dá)到亞納米級(jí)表面粗糙度：另一方面為了提高硅片利用率，增加芯片產(chǎn)量，還要求在除距硅片邊緣1mm區(qū)域以外的整個(gè)硅片表面達(dá)到亞微米級(jí)面型精度。要達(dá)到上述這些要求，化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)床的硅片夾持系統(tǒng)對(duì)保證硅片的加工精度具有至關(guān)重要的作用。硅片夾持系統(tǒng)的作用不僅包括在加工中帶動(dòng)硅片運(yùn)動(dòng)，還要將加工所需要的工作載荷作用在硅片上，并保證硅片在加工載荷的作用下不會(huì)發(fā)生翹曲變形。因此，改善硅片夾持系統(tǒng)的性能對(duì)提高最終硅片產(chǎn)品的質(zhì)量有重要意義。2硅片CHP中的硅片夾持方法由于化學(xué)機(jī)械拋光中材料去除量很少，一般只有幾微米，因此，化學(xué)機(jī)械拋光的材料去除力較小，對(duì)夾持系統(tǒng)的吸附力強(qiáng)度要求不高，但要求有較高的平整度。針對(duì)這種要求，目前在化學(xué)機(jī)械拋光中主要使用的夾持方法有石蠟粘結(jié)、水的表面張力吸附、多孔陶瓷式真空吸盤、靜電吸盤和薄膜式真空吸盤吸附等方法。2.1機(jī)械夾持與石蠟粘結(jié)方法早期的硅片固定方法有機(jī)械式夾鉗和石蠟粘結(jié)等。最早使用的是機(jī)械式活動(dòng)夾鉗，加工前先用夾鉗將硅片固定，待加工結(jié)束后將其松開[3]。因?yàn)闄C(jī)械夾持方法容易使硅片發(fā)生翹曲變形或者損壞硅片的邊緣區(qū)域，所以目前已經(jīng)很少使用。石蠟粘結(jié)方法是另一種使用較早的方法。以用黃蠟進(jìn)行粘結(jié)為例，先將硅片放置在夾具上的規(guī)定位置，先加熱，然后將熔化的粘結(jié)劑滲入到硅片與夾具之間，并且僅供給不使硅片浮起的必要量，然后在工件上進(jìn)行加壓，使石蠟將硅片平整的固定在基板上。為保證硅片粘結(jié)的可靠性，需要對(duì)粘結(jié)劑進(jìn)行熔化過濾以消除雜質(zhì)[4]o這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于粘結(jié)時(shí)石蠟比較柔軟，硅片一般不會(huì)發(fā)生變形，比其它一些加工方法的殘余變形小，如果將石蠟的厚度做得非常均勻，可達(dá)到很高的拋光精度。缺點(diǎn)是石蠟的加熱、粘結(jié)、剝離及清洗很費(fèi)時(shí)，效率不高，所使用的粘結(jié)劑和溶劑對(duì)硅片潔凈度也有很大影響，而且難于實(shí)現(xiàn)石蠟層的均勻分布以及去除石蠟中所包含的氣泡。2.2水表面張力吸附夾持方法利用水的張力進(jìn)行夾持的方法與用石蠟進(jìn)行粘結(jié)類似，是將網(wǎng)狀泡沫聚氨酯布粘貼在不銹鋼基板表面，并利用泡沫聚氨酯表面的水將硅片吸住，見圖1。為防止硅片在拋光時(shí)脫落和滑動(dòng)，用多孔擋板進(jìn)行定位和導(dǎo)向，在去離子水中將硅片放置在夾具的規(guī)定位置，使硅片與基板緊密結(jié)合，然后將夾具放在干燥皿中，直至水形成分子膜，整個(gè)過程約需24h。形成水分子膜后，用熔化的瀝青或石蠟等油性物質(zhì)在硅片的外周隔離，進(jìn)行防水處理，然后可對(duì)硅片進(jìn)行拋光加工。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是夾持精度比較高，可以達(dá)到0.Um;缺點(diǎn)是效率低，而且防水層一旦破裂，會(huì)造成吸附失效，發(fā)生碎片。I巨片上網(wǎng)優(yōu)泡用用而3取訪例及桅4名孔指網(wǎng)網(wǎng)「用*的強(qiáng)力進(jìn)f『總用3靜電吸盤夾持方法為滿足對(duì)硅片的高精度夾持和定位，70年代Wardly[5]首先將靜電吸盤應(yīng)用在硅片的夾持中，見圖2。因?yàn)槠浯嬖诤芏鄡?yōu)點(diǎn)，從那時(shí)起很多研究人員投入到靜電吸盤的研究中，目前靜電吸盤的形式很多，大致可以分為兩個(gè)類型：一種是硅片本身也通上高壓，稱作平板電容式靜電吸盤”；另一種不對(duì)硅片直接加壓，稱為整體電極式靜電吸盤”，后者吸力比較小，但硅片無(wú)需通電。靜電吸盤主要在化學(xué)汽相沉積等真空環(huán)境下使用，也可用于硅片的化學(xué)機(jī)械拋光加工。■r1在最新的研究中，Asano和Watanabe[6斷究了靜電吸盤電壓和吸力之間的關(guān)系。隨著電壓增大和介質(zhì)層變薄，吸力將會(huì)逐漸增大，對(duì)于100mm硅片，吸力可達(dá)17N。Kalkowski和Risse[7]認(rèn)為，靜電吸盤的優(yōu)點(diǎn)在于作用力在吸盤上的變化比較平緩，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，也不會(huì)導(dǎo)致硅片在吸盤表面發(fā)生超過100pm的變形。由于靜電吸盤與硅片的邊緣不是直接接觸，避免了對(duì)硅片邊緣的損壞和金屬污染。這種吸盤的缺點(diǎn)是吸附力較小，夾持精度較低。4真空吸盤夾持方法目前在CMP加工中使用最廣泛的硅片夾持方法是真空吸盤，見圖3。真空吸盤顧名思義就是采用了真空原理，利用真空負(fù)壓來(lái)吸附”工件以達(dá)到夾持硅片的目的。在拋光過程中，通過真空吸盤將工作壓力作用在硅片表面，吸盤上的保持環(huán)保證硅片與吸盤之間不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。除了普通的多孔陶瓷式真空吸盤，美國(guó)的Bendfeldt和Schulz研究了帶有溝槽的真空吸盤。這種吸盤在100mm的硅片面積上其吸力可達(dá)50N,其中溝槽的面積占總面積的5%,如果擴(kuò)大吸附面積的比例，最大可獲得140N的吸力，表明了增大吸附面積可使吸附力變大。Heyderman和Schift[8]研究了這種真空吸盤表面所使用的聚合物的粒度與吸力的關(guān)系。但是通過對(duì)加工后硅片表面形態(tài)的分析，溝槽式吸盤對(duì)硅片面型精度的影。向比多孔陶瓷吸盤要大，鑒于未來(lái)大尺寸硅片加工精度的要求，這種吸盤還有待改進(jìn)。視J歲孔岡史N千祖也3研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)因?yàn)檎婵瘴P具有高效率、無(wú)污染、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以目前的研究工作也主要集中在對(duì)這種吸盤的改進(jìn)與提高上。目前CMP加工所面臨的主要問題是隨著硅片尺寸的不斷增大，其表面厚度變化誤差值（TTV）也隨之增加。整體厚度誤差產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，其中主要的影響因素有拋光壓力和拋光液的分布不均、拋光墊的局部磨損較快以及硅片與拋光墊之間的相對(duì)速度不一致等。這些影響因素中，工作載荷分布不均勻在其中影響最大。從當(dāng)前的國(guó)外研究來(lái)看，解決工作載荷分布不均勻這一問題主要通過設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)努力使載荷分布完全均勻和采用補(bǔ)償性多區(qū)域壓力調(diào)整技術(shù)。1載荷分布完全均勻化夾持系統(tǒng)這種思想是通過改進(jìn)真空吸盤的結(jié)構(gòu)，使作用在硅片上的載荷盡可能地均勻。其倡導(dǎo)者以Lapmaster公司和MicronTechnology公司為代表，其中MicronTechnology公司的LelandF.Gotcher設(shè)計(jì)的吸盤在支撐薄膜的基盤中設(shè)計(jì)了一個(gè)空腔，其中充滿空氣，下壓力首先作用在該腔上，壓力通過該腔傳到硅片表面，這樣硅片的受力會(huì)比較均勻，還可以減少吸盤主軸與工作臺(tái)之間的垂直度誤差。Lapmaster公司在新一代吸盤的基盤空腔內(nèi)使用一種專用的凝膠，具作用與MicronTechnology公司的壓縮空氣相同，效果也非常理想。日本的Une和Kunyoo[9]采用和上述兩家公司相同的設(shè)計(jì)思想，創(chuàng)造性地提出了一種新型的真空吸盤，如圖4所示，這種真空吸盤表面不用多孔陶瓷而是用均勻分布的氧化鋁圓柱銷，每個(gè)圓柱的直徑為0.2mm,相鄰的兩個(gè)圓柱間的距離也是0.2mm。鍍了碳化硅的圓柱銷表面的粗糙度Ry<0.03pm,比單純使用氧化鋁材料小了三分之一。吸盤光滑的圓柱端部防止了接觸時(shí)對(duì)硅片造成劃傷，也減少了灰塵的粘附。實(shí)驗(yàn)證明,這種真空吸盤的平坦化效果比傳統(tǒng)的吸盤高幾倍，這樣高的平整能力來(lái)自于其巨大的吸附面積。通過有限元分析計(jì)算得知，該吸盤可以將一片翹曲達(dá)360gm的硅片糾正到幾十個(gè)微米。Sakamotoclo[10]等人的設(shè)計(jì)與該吸盤類似，但他們使用的圓柱銷尺寸更大而數(shù)量較少，在圓柱銷上加了彈性圈，防止了圓柱銷對(duì)硅片的劃傷。惻柱銅式真克吸置日本TokyoSeimitsu公司應(yīng)用氣壓控制技術(shù)開發(fā)了氣浮式硅片夾盤，不需要高精度的平整背襯，通過在火盤中形成的氣墊支撐硅片背面，以保證拋光過程中均勻的壓力分布。上述幾種吸盤在設(shè)計(jì)思想上都是追求載荷分布的完全均勻，這對(duì)于中小尺寸的硅片加工是比較實(shí)用的。2多區(qū)域壓力調(diào)整夾持系統(tǒng)既然化學(xué)機(jī)械拋光的機(jī)床結(jié)構(gòu)和其他因素造成了硅片材料去除的不均勻，很自然的可以想到通過調(diào)整加工中吸盤對(duì)硅片的壓力來(lái)進(jìn)行修正，使材料的去除量變得均勻，從而提高硅片的表面平整度?；谶@種考慮,研究人員提出了一種硅片夾持新技術(shù)一一區(qū)域壓力調(diào)整技術(shù)。對(duì)于小尺寸硅片和前道化學(xué)機(jī)械拋光工藝而言，采取區(qū)域壓力調(diào)整的效果可能不是十分明顯。但是，隨著硅片尺寸的不斷增大，例如直徑為300mm的硅片，由于材料去除率的不均勻性十分明顯，以及后道化學(xué)機(jī)械拋光工藝的特殊要求，區(qū)域壓力調(diào)整技術(shù)將成為提高硅片平整度的重要措施。這種技術(shù)主要是針對(duì)在化學(xué)機(jī)械拋光加工中硅片材料去除的不均勻性(如邊緣效應(yīng)等)，在支撐硅片的基盤背面的不同區(qū)域采用不同的壓力，加大對(duì)去除量小的區(qū)域的壓力，來(lái)獲得面型更加一致的硅片。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以修正由于壓力分布不均勻造成的誤差，而且可以補(bǔ)償由于拋光時(shí)中心區(qū)域拋光液缺乏造成的材料去除率不均勻。Strasbaug陸口AppliedMaterials公司的吸盤是這種夾持技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的代表，圖5為Strasbaugh公司的設(shè)計(jì)夾持系統(tǒng)。SpeedFam-IPEC公司的設(shè)計(jì)對(duì)此功能作了進(jìn)一步的完善。首先測(cè)量待加工硅片的形貌和厚度，然后根據(jù)成品的要求，確定每個(gè)區(qū)域的材料去除量，從而計(jì)算各區(qū)域應(yīng)該施加的壓力。根據(jù)各區(qū)域的尺寸對(duì)壓力曲線進(jìn)行優(yōu)化，然而，由于各區(qū)域的壓力隨著時(shí)間不斷變化，這就使得要完全滿足各區(qū)域的壓力要求，必須對(duì)各區(qū)域的壓力進(jìn)行時(shí)時(shí)在線調(diào)整，但目前還沒有這方面的報(bào)道。胤$國(guó)*戰(zhàn)力謝聯(lián)嗯但附的麻■采用區(qū)域壓力調(diào)整技術(shù)做到根據(jù)不同區(qū)域材料的去除量進(jìn)行壓力補(bǔ)償是吸盤設(shè)計(jì)者的追求目標(biāo)，但目前要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)還存在一些問題：(1)缺乏一個(gè)準(zhǔn)確的壓力與材料去除率的關(guān)系模型，無(wú)法通過壓力進(jìn)行精確的補(bǔ)償。目前的材料去除率模型雖然按硅片與拋光墊的接觸性質(zhì)進(jìn)行劃分，但缺乏一個(gè)明確的判定依據(jù)，使用者無(wú)法從加工參數(shù)上了解當(dāng)前硅片與拋光墊之間的接觸性質(zhì)，并選擇合適的預(yù)測(cè)模型。同時(shí)，每一種接觸形態(tài)的材料去除率預(yù)測(cè)模型都不夠成熟，無(wú)法精確地得到工作壓力與材料去除率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，幾乎每個(gè)模型都是針對(duì)特定的設(shè)備和加工條件得到的，不具有通用性。⑵區(qū)域壓力調(diào)整只能劃分有限的2?4個(gè)區(qū)域，加工時(shí)是用有限的幾條直線段來(lái)擬和壓力曲線，這必然存在著誤差，而增加區(qū)域數(shù)量必將加大吸盤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和成本。⑶因?yàn)槲P上與硅片接觸的薄膜是彈性的，而不同區(qū)域所要施加的補(bǔ)償量很小，因此精確地將大小不同加工壓力作用在硅片表面的各區(qū)域上很困難。在工作壓力與材料去除率之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的模型建立方面，Cook和Yu[11,12]等人提出了薄膜與硅片的接觸模型，Luo和Dornfeld基于化學(xué)機(jī)械拋光中兩實(shí)體接觸的磨損機(jī)理細(xì)致地研究了材料去除率的影響因素。臺(tái)灣國(guó)立大學(xué)一些研究人員對(duì)加工中吸盤和薄膜變形進(jìn)行了有限元分析。這些相關(guān)研究為進(jìn)一步研究和優(yōu)化吸盤的區(qū)域背壓調(diào)整功能提供了理論依據(jù)。3其他一些新出現(xiàn)的夾持系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)另外還有很多新技術(shù)和裝置有助于提高夾持的平整效果和自動(dòng)化程度。例如（1）ThomasH.Osterheld[13,14]等人研究了在對(duì)定位環(huán)施加不同壓力的情況下，對(duì)硅片的拋光效率和拋光質(zhì)量的影響。試驗(yàn)表明，采用該方法平均可以減小整體厚度變化30%。他們提出定位環(huán)的壓力可以成為加工牛