黄良根毕业设计 化学抛光 - 图文

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顺利接通。所以在IC制造追求结构微细化、薄膜化和布线立体化的趋势下，硅片的化学机械抛光无疑是不可或缺的关键技术。

硅片CMP机台整个系统由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光液输送装置三大部分组成。化学机械抛光时，旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在硅片与抛光垫之间流动，抛光液在抛光垫的传输和旋转离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与硅片产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工，从而达到平坦化的目的。硅片表面的去除速率与硅片和抛光垫的相对速度及抛光压力成正比。在抛光过程中，除了机构参数及抛光垫特性的影响外，抛光区域温度及抛光液中磨料颗粒大小、粘度、溶液pH值等参数均会对平坦化效果造成重要影响。一般而言，当硅片和抛光垫表面的相对速度、压力及抛光液供应稳定时，硅片会被均匀的抛光。在硅晶片前半制程的多层循环布线中要反复使用到化学机械抛光。大量的研究表明，CMP不仅是单晶硅片获得纳米级超光滑无损伤表面的最佳方法，也是ULSI芯片多层布线中不可替代的层间平坦化方法。它在集成电路制造中的应用主要集中在以下几个方面。

⑴氧化硅薄膜的CMP。氧化硅多应用于做绝缘膜或隔离层，因此氧化硅层的平整度将影响往后数层的制造、导线的连接以及定位的工作。通常氧化硅层多以CVD（化学汽相沉积）的方法沉积，因此会有过多的堆积层需要以CMP的方式去除，此过程没有明显的停止终点，以去除薄膜的厚度为标准，只需达到平整度要求即可。

⑵层间绝缘膜的CMP。在层间绝缘膜的平整化方面，抛光对象有电浆辅助化学汽相沉积膜、硼磷硅玻璃及热氧化膜等。每一种对象的CMP抛光条件都随着抛光液种类、抛光压力与抛光时间而有所不同。在对不同特性的绝缘膜抛光时，大多以监测抛光终点来判定完成与否。

⑶浅沟槽隔离的CMP。在硅晶片上经蚀刻形成沟槽后，利用CVD方式沉积氧化硅膜，再用CMP去除未埋入沟槽中的氧化硅膜，并以抛光速度相对缓慢的（如氮化硅膜）作为CMP的抛光停止层即终点，此时沟槽内的氧化硅即成为电路中的

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绝缘体膜。

⑷多晶硅的CMP。此为将STI过程的沟槽加深，以CVD方式沉积氧化硅或氮化硅后，再以多晶硅作为堆积材料，用CMP去除深沟外多余的多晶硅，并以在硅晶片上及沟槽内长成的氧化硅或氮化硅膜作为CMP的抛光停止层即终点，此方法常见于沟槽电容的制造过程中。

⑸金属膜的CMP。在半导体工艺中常用作导线的金属有铝、钨、铜，CMP除了能将金属导线平整化以外，还能制作导线间连接的“接触窗”，即在两层电路间的绝缘膜上蚀刻出接触窗的凹槽，再以CVD方式将用作导线材料的金属沉积其中，最后再以CMP去除多余的金属层。此法即为IBM公司的镶嵌法。因为由抛光垫所施加的压力对硅片上凸出处作用较大，因此按照导线密度及大小的不同，硅片受抛光的程度也有差异。就是说，大区域绝缘层在一般情况下作为抛光停止层的效果颇佳，但在金属导线密度高的部分因绝缘膜层所占的面积小而容易产生过度抛光的现象，这是当前CMP领域急待解决的一大问题[3]。

1.2 几种常见的化学机械抛光工艺

（1）浴光抛光

该抛光方法是美国在60年代为发展深紫外光学而研究的一种超精密抛光方法，由R.Dietz提出。在常规抛光中，操作者每隔一段时间往抛光模上加入少量抛光液。浴法抛光则是将抛光模浸在抛光液中，两者一起旋转。浴法抛光改变了抛光液的供给方式，该法优点是：利用抛光介质的热容量大，精确的控制抛光模环境温度变化，减小温度对抛光模变形的影响，还可使抛光模和工件的接触更柔和，避免因润滑不足产生过大的抛光力和过高的抛光温度。1966年，R.Dietz利用该法在熔融石英上获得了Rrms=0.3nm的超光滑表面。

（2）修正环形抛光

该方法是浙江工业大学研究开发使用。其特点是：将切片后的薄片工件粘贴在平面平行夹具上，作为名义大口径厚工件加工，并通过修正环的旋转来实时连续修正抛光盘的平面度。该抛光机采用了专家数据库智能控制系统，实现了加工过程高度自动化，提高了加工效率、加工质量和一致性，尽可能排除了对工人熟练程度的要求。可以用于水晶片、铌酸锂基片、硅片等平面晶体工件的加工，经广东工业大学、长沙矿冶研究院、浙江工业大学等单位使用，效果良好。在实

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验给定条件下，用SiO2和K3沥青抛光模对水晶基片抛光，可以加工出表面粗糙度不超过0.1～0.2nm，实现了“极限加工精度”；采用纯锡抛光盘及SiO2抛光粉对蓝宝石晶体镜面加工，最佳抛光条件下得到的表面粗糙度不超过0.2nm。

（3）胶态硅粒抛光

胶态硅粒抛光是报道较多的用于加工蓝宝石材料的抛光方法。该法已被世界上广泛接受为一种加工半导体硅片的标准方法，此外，还可用于加工金属和玻璃。从抛光机理上讲，胶态硅粒抛光属于化学抛光。抛光时在软质抛光模（沥青、人造革等）与工件之间存有极薄的胶体，由于在水平方向运动受剪切力作用产生凝胶化现象，即胶态SiO2的凝着和削薄作用。长春光学精密机械研究所在超洁净实验室里，用英国进口抛光机、聚氨酯抛光模和SiO2悬浮液抛光LiGaO2晶体，加工出表面粗糙度小于0.1nm的超光滑表面[4]。

1.3 应用化学抛光技术的实例

（1）碲锌镉晶体的化学抛光

碲锌镉晶体即CdZnTe(CZT)是制作γ射线和X射线探测器的优良材料，其晶片的表面质量是影响探测器性能的一个关键因素。机械抛光过的CZT晶片表面存在着损伤层、划痕及结构缺陷等，会影响器件的性能。采用不同浓度的Br2-MeOH作为抛光液对CdZnTe进行化学抛光，发现用2%Br2-MeOH腐蚀时速率平稳且易于控制，能有效去除表面划痕，获得光亮表面AFM分析发现，抛光后表面粗糙度降低30%，平整度增加[5]。

（2）铌酸锂晶体的化学抛光

采用铌酸锂（LiTaO3）晶体作为研究对象，通过改变CMP过程中各个参数对其作用强度来观察基片表面的变化情形。首先将试件通过常规的研磨抛光使其保证具有一致性表面，即常规检测下其光洁度是合格的。然后采用化学抛光液（SiO2）、磨砂革抛光盘对其进行CMP加工试验。在这一过程中，吸附在抛光盘上的化学抛光液不断地对晶体抛光面产生侵蚀作用，生成胶状膜层。而该膜层又经机械磨削作用被不断割除从而暴露出新的表面，就这样周而复始的对晶体表面不断的化学侵蚀和机械割除构成了化学机械抛光的基本过程，这一过程看起来似乎非常简单，但由于被抛光对象的不同，对抛光液、抛光盘、PH值、机械转速、压力就会有不同的选择。很显然要想获得较理想的加工表面，应使机械磨削作用与

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化学腐蚀作用保持相对的平衡。发现在合适的条件下晶体表面粗糙度可由原来的2.077nm减小到1.075nm[6]。

1.4 石榴石基质特性及典型石榴石晶体Yb:YAG晶体

石榴石是最常用的激光基质材料，包括人造石榴石，有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG), 镥铝石榴石Lu3Al5O12(LuAG), 钆镓石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和钆钪铝石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。属于立方晶系，稀土石榴石类晶体由于具有非常优异的物理和机械性能，是激光晶体的首选基质材料。石榴石具有高功率大能量激光基质材料所要求的很多特性：

（1）晶体光学各向同性，高质量的晶体内折射率无变化。

（2）石榴石晶体质地坚硬，莫式硬度达到了6以上；热导率高，热膨胀系数

小；抗裂强度大,弹性模量达到300GPa以上。因此石榴石晶体具有良好的机械和热力学性能，能够容许高平均功率下工作。

（3）晶体生长工艺成熟，能生长出大尺寸高质量的晶体，Nd:YAG晶体的尺

寸达到了?100mm以上，Yb:YAG晶体的尺寸也达到了Φ75mm以上。满足了高功率大能量激光器所需要的高质量大尺寸棒状或盘片激光介质。 以上介绍的石榴石晶体的特点，下面以石榴石晶体中的YAG晶体为例，对YAG晶体的结构和物化性能等作详细的介绍。

YAG作为激光介质始于1964年，此后一直被用作固体激光基质晶体。表1.1列出了YAG石榴石晶体的一些物化特性，可以看出YAG晶体具有优异的光学、热力学、机械性能和化学稳定性。同时，能给激活离子提供良好的晶体场环境，因而是理想的激光基质晶体。

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