化学机械抛光中的硅片夹持技术

化学机械抛光中的硅片夹持技术孙禹辉，康仁科，郭东明，金洙吉，苏建修大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024 摘要 目前半导体制造技术已经进入 0． 13μm 时代， 化学机械抛光 CMP已经成为 IC 制造中不可缺少的技术。本文描述了下一代 IC 对大尺寸硅片 ≥ 300mm局部和全局平坦化精度的要求，介绍了目前工业发达国家在化学机械抛光加工中硅片夹持技术方面的研究现状，分析了当前硅片夹持技术中存在的问题，并指出了未来大尺寸硅片超精密平坦化加工中夹持与定位技术的发展趋势。关键词集成电路；化学机械抛光；夹持技术中图分类号 TN305.2 文献标识； A 文章编号 1003-353X（ 2004）04-0010-05 1 前言集成电路 IC制造是电子信息产业的核心， 是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术之一。发达国家国民经济总产值增长部分的 65％与 IC 工业相关，而全球 90％以上的 IC 都要采用硅片。 IC 的发展遵循“ Moore定律 ” ，每隔 3 年芯片的集成度翻两番，特征尺寸缩小 1／ 3。目前， 已由超大规模集成电路 ULSl 向巨大规模集成电路 GLSl 发展。 下一代 IC 使用 300mm 直径硅片和 0． 1μm 线宽生产技术，要求硅片的夹持定位精度在 30mm2 区域内为 0． 05μm 。按照美国微电子技术协会预测的发展构图， 到 2009 年将开始使用 450mm 硅片， 实现特征线宽 0． 05μm的生产技术 [1， 2]。随着硅片尺寸的增大以及特征线宽的减小，作为目前硅片超精密平整化加工的主要手段 化学机械抛光技术面临着新的挑战一方面 ,要求经过化学机械抛光工艺加工出的硅片 ,达到亚纳米级表面粗糙度 另一方面为了提高硅片利用率， 增加芯片产量， 还要求在除距硅片边缘 1mm 区域以外的整个硅片表面达到亚微米级面型精度。要达到上述这些要求，化学机械抛光机床的硅片夹持系统对保证硅片的加工精度具有至关重要的作用。硅片夹持系统的作用不仅包括在加工中带动硅片运动，还要将加工所需要的工作载荷作用在硅片上，并保证硅片在加工载荷的作用下不会发生翘曲变形。因此，改善硅片夹持系统的性能对提高最终硅片产品的质量有重要意义。2 硅片 CHP 中的硅片夹持方法由于化学机械抛光中材料去除量很少，一般只有几微米，因此，化学机械抛光的材料去除力较小，对夹持系统的吸附力强度要求不高，但要求有较高的平整度。针对这种要求，目前在化学机械抛光中主要使用的夹持方法有石蜡粘结、水的表面张力吸附、多孔陶瓷式真空吸盘、静电吸盘和薄膜式真空吸盘吸附等方法。2． 1 机械夹持与石蜡粘结方法早期的硅片固定方法有机械式夹钳和石蜡粘结等。最早使用的是机械式活动夹钳，加工前先用夹钳将硅片固定，待加工结束后将其松开 [3] 。因为机械夹持方法容易使硅片发生翘曲变形或者损坏硅片的边缘区域，所以目前已经很少使用。石蜡粘结方法是另一种使用较早的方法。以用黄蜡进行粘结为例，先将硅片放置在夹具上的规定位置，先加热，然后将熔化的粘结剂渗入到硅片与夹具之间，并且仅供给不使硅片浮起的必要量，然后在工件上进行加压，使石蜡将硅片平整的固定在基板上。为保证硅片粘结的可靠性，需要对粘结剂进行熔化过滤以清除杂质 [4]。这种方法的优点在于粘结时石蜡比较柔软，硅片一般不会发生变形，比其它一些加工方法的残余变形小，如果将石蜡的厚度做得非常均匀，可达到很高的抛光精度。缺点是石蜡的加热、粘结、剥离及清洗很费时，效率不高，所使用的粘结剂和溶剂对硅片洁净度也有很大影响，而且难于实现石蜡层的均匀分布以及去除石蜡中所包含的气泡。2． 2 水表面张力吸附夹持方法利用水的张力进行夹持的方法与用石蜡进行粘结类似，是将网状泡沫聚氨酯布粘贴在不锈钢基板表面， 并利用泡沫聚氨酯表面的水将硅片吸住，见图 1。为防止硅片在抛光时脱落和滑动，用多孔挡板进行定位和导向，在去离子水中将硅片放置在夹具的规定位置，使硅片与基板紧密结合，然后将夹具放在干燥皿中， 直至水形成分子膜， 整个过程约需 24h。 形成水分子膜后，用熔化的沥青或石蜡等油性物质在硅片的外周隔离，进行防水处理，然后可对硅片进行抛光加工。这种方式的优点是夹持精度比较高，可以达到 0． 1μm ；缺点是效率低，而且防水层一旦破裂，会造成吸附失效，发生碎片。2． 3 静电吸盘夹持方法为满足对硅片的高精度夹持和定位， 70 年代 Wardly[5] 首先将静电吸盘应用在硅片的夹持中， 见图 2。 因为其存在很多优点， 从那时起很多研究人员投入到静电吸盘的研究中，目前静电吸盘的形式很多，大致可以分为两个类型一种是硅片本身也通上高压，称作 “ 平板电容式静电吸盘 ” ；另一种不对硅片直接加压，称为 “ 整体电极式静电吸盘 ” ，后者吸力比较小， 但硅片无需通电。 静电吸盘主要在化学汽相沉积等真空环境下使用，也可用于硅片的化学机械抛光加工。在最新的研究中， Asano 和 Watanabe[6]研究了静电吸盘电压和吸力之间的关系。随着电压增大和介质层变薄，吸力将会逐渐增大，对于 100mm硅片，吸力可达 17N。 Kalkowski 和 Risse[7]认为，静电吸盘的优点在于作用力在吸盘上的变化比较平缓，不会产生应力集中，也不会导致硅片在吸盘表面发生超过 100μm 的变形。由于静电吸盘与硅片的边缘不是直接接触，避免了对硅片边缘的损坏和金属污染。这种吸盘的缺点是吸附力较小，夹持精度较低。2． 4 真空吸盘夹持方法目前在 CMP 加工中使用最广泛的硅片夹持方法是真空吸盘，见图 3。真空吸盘顾名思义就是采用了真空原理，利用真空负压来 “ 吸附 ” 工件以达到夹持硅片的目的。在抛光过程中，通过真空吸盘将工作压力作用在硅片表面，吸盘上的保持环保证硅片与吸盘之间不会产生相对运动。除了普通的多孔陶瓷式真空吸盘， 美国的 Bendfeldt 和 Schulz 研究了带有沟槽的真空吸盘。 这种吸盘在 100mm 的硅片面积上其吸力可达 50N， 其中沟槽的面积占总面积的 5％，如果扩大吸附面积的比例，最大可获得 140N的吸力，表明了增大吸附面积可使吸附力变大。 Heyderman和 Schift[8]研究了这种真空吸盘表面所使用的聚合物的粒度与吸力的关系。但是通过对加工后硅片表面形态的分析，沟槽式吸盘对硅片面型精度的影。向比多孔陶瓷吸盘要大，鉴于未来大尺寸硅片加工精度的要求，这种吸盘还有待改进。3 研究现状与发展趋势因为真空吸盘具有高效率、无污染、定位精度高等优点，所以目前的研究工作也主要集中在对这种吸盘的改进与提高上。目前 CMP 加工所面临的主要问题是随着硅片尺寸的不断增大， 其表面厚度变化误差值 TTV 也随之增加。 整体厚度误差产生的原因比较复杂， 其中主要的影响因素有抛光压力和抛光液的分布不均、抛光垫的局部磨损较快以及硅片与抛光垫之间的相对速度不一致等。这些影响因素中，工作载荷分布不均匀在其中影响最大。从当前的国外研究来看，解决工作载荷分布不均匀这一问题主要通过设计特殊结构努力使载荷分布完全均匀和采用补偿性多区域压力调整技术。3． 1 载荷分布完全均匀化夹持系统这种思想是通过改进真空吸盘的结构，使作用在硅片上的载荷尽可能地均匀。其倡导者以 Lapmaster公司和 Micron Technology 公司为代表，其中 Micron Technology 公司的 Leland F． Gotcher 设计的吸盘在支撑薄膜的基盘中设计了一个空腔，其中充满空气，下压力首先作用在该腔上，压力通过该腔传到硅片表面，这样硅片的受力会比较均匀，还可以减少吸盘主轴与工作台之间的垂直度误差。 Lapmaster公司在新一代吸盘的基盘空腔内使用一种专用的凝胶， 其作用与 Micron Technology 公司的压缩空气相同，效果也非常理想。日本的 Une 和 Kunyoo[9] 采用和上述两家公司相同的设计思想，创造性地提出了一种新型的真空吸盘，如图 4 所示，这种真空吸盘表面不用多孔陶瓷而是用均匀分布的氧化铝圆柱销，每个圆柱的直径为 0． 2mm,相邻的两个圆柱间的距离也是 0． 2mm。镀了碳化硅的圆柱销表面的粗糙度 Ry＜ 0． 03μm ，比单纯使用氧化铝材料小了三分之一。吸盘光滑的圆柱端部防止了接触时对硅片造成划伤， 也减少了灰尘的粘附。 实验证明，这种真空吸盘的平坦化效果比传统的吸盘高几倍，这样高的平整能力来自于其巨大的吸附面积。通过有限元分析计算得知，该吸盘可以将一片翘曲达 360gm 的硅片纠正到几十个微米。 Sakamotoclo[10]等人的设计与该吸盘类似，但他们使用的圆柱销尺寸更大而数量较少，在圆柱销上加了弹性圈，防止了圆柱销对硅片的划伤。日本 Tokyo Seimitsu 公司应用气压控制技术开发了气浮式硅片夹盘，不需要高精度的平整背衬，通过在夹盘中形成的气垫支撑硅片背面，以保证抛光过程中均匀的压力分布。上述几种吸盘在设计思想上都是追求载荷分布的完全均匀，这对于中小尺寸的硅片加工是比较实用的。3． 2 多区域压力调整夹持系统既然化学机械抛光的机床结构和其他因素造成了硅片材料去除的不均匀，很自然的可以想到通过调整加工中吸盘对硅片的压力来进行修正，使材料的去除量变得均匀， 从而提高硅片的表面平整度。 基于这种考虑，研究人员提出了一种硅片夹持新技术 区域压力调整技术。对于小尺寸硅片和前道化学机械抛光工艺而言，采取区域压力调整的效果可能不是十分明显。但是，随着硅片尺寸的不断增大，例如直径为300mm 的硅片，由于材料去除率的不均匀性十分明显，以及后道化学机械抛光工艺的特殊要求，区域压力调整技术将成为提高硅片平整度的重要措施。这种技术主要是针对在化学机械抛光加工中硅片材料去除的不均匀性如边缘效应等 ， 在支撑硅片的基盘背面的不同区域采用不同的压力， 加大对去除量小的区域的压力，来获得面型更加一致的硅片。这项技术不仅可以修正由于压力分布不均匀造成的误差，而且可以补偿由于抛光时中心区域抛光液缺乏造成的材料去除率不均匀。Strasbaugh和 AppliedMaterials 公司的吸盘是这种夹持技术发展趋势的代表，图 5 为 Strasbaugh公司的设计夹持系统。 SpeedFam-IPEC公司的设计对此功能作了进一步的完善。首先测量待加工硅片的形貌和厚度，然后根据成品的要求，确定每个区域的材料去除量，从而计算各区域应该施加的压力。根据各区域的尺寸对压力曲线进行优化，然而，由于各区域的压力随着时间不断变化，这就使得要完全满足各区域的压力要求，必须对各区域的压力进行时时在线调整，但目前还没有这方面的报道。采用区域压力调整技术做到根据不同区域材料的去除量进行压力补偿是吸盘设计者的追求目标，但目前要实现这个目标还存在一些问题1缺乏一个准确的压力与材料去除率的关系模型，无法通过压力进行精确的补偿。目前的材料去除率模型虽然按硅片与抛光垫的接触性质进行划分，但缺乏一个明确的判定依据，使用者无法从加工参数上了解当前硅片与抛光垫之间的接触性质，并选择合适的预测模型。同时，每一种接触形态的材料去除率预测模型都不够成熟，无法精确地得到工作压力与材料去除率之间的对应关系，几乎每个模型都是针对特定的设备和加工条件得到的，不具有通用性。2区域压力调整只能划分有限的 2～ 4 个区域， 加工时是用有限的几条直线段来拟和压力曲线，这必然存在着误差，而增加区域数量必将加大吸盘的结构复杂性和成本。3因为吸盘上与硅片接触的薄膜是弹性的，而不同区域所要施加的补偿量很小，因此精确地将大小不同加工压力作用在硅片表面的各区域上很困难。在工作压力与材料去除率之间对应关系的模型建立方面， Cook 和 Yu[11 ，12]等人提出了薄膜与硅片的接触模型， Luo 和 Dornfeld 基于化学机械抛光中两实体接触的磨损机理细致地研究了材料去除率的影响因素。台湾国立大学一些研究人员对加工中吸盘和薄膜变形进行了有限元分析。这些相关研究为进一步研究和优化吸盘的区域背压调整功能提供了理论依据。3． 3 其他一些新出现的夹持系统改进设计另外还有很多新技术和装置有助于提高夹持的平整效果和自动化程度。例如 1Thomas H． Osterheld[13， l4]等人研究了在对定位环施加不同压力的情况下，对硅片的抛光效率和抛光质量的影响。试验表明，采用该方法平均可以减小整体厚度变化 30％。他们提出定位环的压力可以成为加工牛的一项参数，实现针对不同加工要求施加不同压力，避免硅片边缘的过抛现象。 2美国 Rodel公司的 Lee Melbourne发明了薄膜防静电装置，可以防止静电使薄膜吸附灰尘。 3Strasbaugh公司的 VIPRR-X 吸盘采用活塞伸缩的方式进行硅片的安装与拆卸，另外，他们的吸盘还使用了压力传感器来检测硅片是否已经安放好，避免了因为硅片安装不当造成的碎片，提高了加工效率。 4Zuniga 和 Steven[5]在 2002 年设计的检测系统不仅可以检测硅片是否放好还可以检测加工中薄膜与硅片之间是否有水进入，可以监测加工过程是否正常。