硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动压和温度研究

摘要

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)作为集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)制造的核心技术被广泛应用于集成电路制造过程中硅片表面的局部和全局平坦化加工。硅片化学机械抛光是一个非常复杂的过程，影响化学机械抛光过程的因素有很多，而硅片化学机械抛光加工区域中抛光液的动态压力和温度变化是影响表面非均匀性和材料去除率的关键因素之一。在集成电路制造中，采用的硅片尺寸不断增大，器件特征尺寸不断缩小，硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力和温度变化对硅片表面质量的影响越来越突出。目前，对IC制造中硅片CMP加工区域中抛光液动态压力和温度研究还不系统和完善，深入研究硅片CMP加工区域中抛光液动态压力和温度变化对最终实现高质量、超精密、无损伤加工表面有着非常重要的意义。 本文全面分析了IC制造中硅片CMP加工区域中抛光液动态压力和温度的研究现状及存在的问题。在此基础上，对IC制造中硅片CMP加工区域中抛光液动态压力和温度进行了深入研究。论文的主要研究工作为： (1)根据润滑理论、渗流理论和微极流体理论，对大尺寸硅片CMP加工过程中含磨粒抛光液的流动性进行了研究，建立了抛光液流动的三维模型。研究了抛光液中悬浮纳米级磨粒的尺寸、浓度，抛光垫的多孔隙性能、厚度和表面粗糙度，硅片的尺寸和曲率，硅片和抛光垫的转速等关键因素对抛光液流动的影响，流体压力分布的实验结果与理论模拟的结果基本一致。 (2)根据化学机械抛光的特点，通过对现有实验设备进行改造，建立了硅片化学机械抛光试验台。该试验台实现了抛光头的主动旋转功能，抛光头的万向浮动功能，抛光载荷加载及调节功能，以及抛光液输送及流量控制功能。为进行化学机械抛光扭矩、抛光压力、摩擦力以及加工区域中抛光液动态压力和温度测量等研究提供了基础的试验平台。 (3)根据流体压力测量的基本原理，对硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力测量方法进行研究，提出了多点原位实时测量硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力的方法。在此基础上，对硅片化学机械抛光加工区域中抛光液流体压力测量系统进行了研究，建立了硅片CMP加工区域中抛光液动态压力实时检测系统，系统误差小于±0.25％，满足抛光液动态压力测试的要求。 (4)在CMP试验台上，运用所建立的抛光液动态压力测量系统，进行硅片化学机械抛光加工区域中抛光液流体动态压力测量实验，研究了抛光压力和相对速度对硅片化学机械抛光加工区域中抛光液流体动态压力的影响，结果表明：在抛光压力较小的情况下，硅片与抛光垫之间抛光液容易形成润滑承载膜，抛光液动态压力随着抛光压力的增加而增大；另一方面，在相同工况条件下，硅片与抛光垫之间的相对速度增加时，硅片与抛光垫之间抛光液产生的流体动态压力也增大。 (5)根据温度测量的基本原理，深入分析了影响硅片CMP加工区域中抛光液温度测量的各种因素，提出了基于接触法的多点原位实时测量硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度的方法。在此基础上，进行了硅片CMP加工过程中抛光液温度测量系统研究，建立了硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量系统，进行了抛光液温度测量的误差分析，并在测量中采取一些对应措施，排除干扰，减小了误差，使测量系统误差小于±0.47％。 (6)运用所建立的抛光液温度测量系统，进行了硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量实验研究，结果表明抛光压力、相对速度和抛光垫的摩擦系数等因素对加工区域抛光液温度变化具有决定性的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1集成电路发展概述

1.2化学机械抛光技术及其在集成电路制造中的应用

1.2.1化学机械抛光技术

1.2.2化学机械抛光技术的优点

1.2.3化学机械抛光技术在集成电路制造中的应用

1.3硅片化学机械抛光加工区域中抛光液流动性和温度的国内外研究现状

1.3.1硅片化学机械抛光加工区域中抛光液流动性研究的国内外现状

1.3.2硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度研究的国内外现状

1.4论文的选题背景及研究意义

1.5本论文课题的来源与主要研究工作

2基于微极流体动力学的硅片化学机械抛光加工区域中抛光液流动性建模

2.1引言

2.2含悬浮磨料抛光液的特性及微极流体理论

2.2.1抛光液中悬浮磨料的形状

2.2.2含悬浮磨粒抛光液的粘度

2.2.3悬浮磨粒抛光液的微极流体理论

2.3抛光液在抛光垫多孔介质及表面粗糙区域中的流动分析

2.3.1抛光液在抛光垫多孔介质中的流动分析

2.3.2抛光液在抛光垫表面粗糙区域中的流动分析

2.4硅片化学机械抛光加工区域中三维微极流体建模分析

2.4.1纯微极流体流动区域的流动方程

2.4.2抛光液在抛光垫多孔介质区域中的流动方程

2.4.3抛光液在抛光垫表面粗糙区域中的流动方程

2.4.4抛光液在硅片与抛光垫之间的膜厚方程

2.4.5抛光液流动的边界条件

2.4.6抛光液在不同区域中的流动速度和流量分析

2.5硅片化学机械抛光加工区域中的三维微极流体模型

2.6硅片化学机械抛光流场的数值方法

2.6.1模型方程的无量纲化

2.6.2模型方程的有限差分离散方法

2.6.3量纲载荷与力矩方程

2.7离散方程的多重网格计算方法

2.8硅片化学机械抛光流场的数值模拟与分析

2.8.1硅片化学机械抛光流场数值模拟的基本条件

2.8.2硅片化学机械抛光流场的数值模拟结果与分析

2.9本章小结

3硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力测量系统设计

3.1引言

3.2硅片化学机械抛光试验台设计和构成

3.2.1硅片化学机械抛光试验台设计

3.2.2硅片化学机械抛光试验台的构成

3.2.3抛光载荷加载装置及抛光压力标定

3.2.4抛光液流量控制装置

3.3硅片化学机械抛光加工区中抛光液动态压力测量方法

3.3.1流体压力测量的基本原理

3.3.2硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力测量方法的确定

3.4硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力并行测量系统设计

3.4.1抛光液动态压力并行测量系统原理

3.4.2抛光液流体压力动态并行测量系统的硬件构成

3.4.3抛光液流体压力动态测量系统软件

3.4.4抛光液流体压力动态测量系统误差分析

3.5硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力测量装置

3.5.1抛光液动态压力测量传感器安装方法

3.5.2抛光液动态压力测量装置

3.6本章小结

4硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量系统设计

4.1引言

4.2硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量方法的确定

4.2.1温度测量的基本原理

4.2.2温度测量的方法及特点

4.2.3硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量方法

4.3硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量系统设计

4.3.1硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量原理

4.3.2硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量系统硬件构成

4.4硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量装置

4.4.1硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量传感器安装

4.4.2硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量装置

4.5基于HART协议的温度变送器组态与校准

4.6硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量误差分析及减小误差的措施

4.6.1硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量的误差来源

4.6.2硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量系统误差分析

4.6.3减小加工区域中抛光液温度测量误差的措施

4.7本章小结

5硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力测量实验研究

5.1引言

5.2硅片化学机械抛光加工区域中抛光液流动模型的实验验证

5.2.1硅片化学机械抛光加工区域中抛光液流动模型的验证条件

5.2.2硅片化学机械抛光加工区域中抛光液流动模型的实验验证

5.3硅片化学机械抛光主要工艺参数对加工区域中抛光液动态压力的影响

5.3.1硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力测量的条件

5.3.2抛光压力对硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力的影响

5.3.3相对速度对硅片化学机械抛光加工区域中抛光液动态压力的影响

5.4本章小结

6硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度变化的理论分析和测量实验研究

6.1引言

6.2硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度变化的理论分析

6.3硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度测量的实验条件

6.4硅片化学机械抛光主要工艺参数对加工区域中抛光液温度的影响

6.4.1硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度随加工时间的变化

6.4.2抛光压力对硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度的影响

6.4.3相对速度对硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度的影响

6.4.4不同材料抛光垫对硅片化学机械抛光加工区域中抛光液温度的影响

6.5本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2进一步工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢