化学机械抛光的理论模型研究综述*黄传锦周海陈西府（盐城工学院机械工程学院，盐城224051）Study the chemical mechanical polishing on sapphire substrateHUANG Chuan-jin ，ZHOU Hai ，CHEN Xi-fu（Yancheng Institute of Technology ，Yancheng 224051，China ）文章编号：1001-3997（2010）11-0256-02＊来稿日期：2010-01-11＊基金项目：江苏省自然科学基础研究项目（BK2008197），江苏省科技厅科技攻关项目（BE2007077），盐城工学院应用基础研究项目：LED 衬底基片无损伤表面加工技术研究1序言随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸缩小，要求晶片表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级[1]。

传统的平面化技术，如选择淀积、旋转玻璃法等，仅仅能够局部平面化技术，但是对于微小尺寸特征的电子器件，必须进行全局平面化以满足上述要求。

90年代兴起的新型化学机械抛光技术则从加工性能和速度上同时满足了硅片图形加工的要求，是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术。

CMP 技术的目的是消除芯片表面的高点及波浪形，达到高级别的平整度。

它的基本原理是将硅片放置于有抛光液的环境下相对于一个抛光垫旋转，并施加一定的压力借助机械磨削及化学腐蚀作用来完成抛光，如图1所示。

夹持头背膜硅片抛光垫工作台抛光液输送装置抛光液图1化学机械抛光原理图主要希望是通过归纳数值模拟CMP 过程所取得的相关成果，得到关于抛光垫、抛光液对整个抛光性能的影响结论，进而能够经由理论上的总结为以后的实际运用打下理论基础。

2CMP 技术中的抛光垫2.1抛光垫抛光垫在CMP 过程中扮演很重要的角色，是标准耗材之一。

抛光垫的主要成分为聚氨酯树脂，主要功能为：（1）存储抛光液，输送抛光液至工作区域，使抛光均匀进行，（2）将抛光过程中产生的副产品（抛光碎屑等）去除，（3）维持一定的抛光液涵养量，一方面形成一定的膜厚，以能够影响抛光速率，另一方面使得机械和化学反应充分进行。

抛光垫在使用后出现“釉化”现象，使抛光速率下降，因此其需要定期维护，以保证其抛光速率和保证抛光表面质量，延长使用寿命。

抛光垫的硬度对抛光均匀性有着明显的影响，通常分两类：软的和硬的。

硬的抛光垫利于平整性，而软的抛光垫则有利于形成更好甚至无缺陷的表面。

此外为满足刚性及弹性的双重要求，可在抛光垫下垫层弹性膜，组合使用软、硬垫。

抛光垫在抛光过程中能够直接影响到抛光品质，即抛光垫的相关物理特性变化将直接体现在晶片之上，所以有必要在研究抛光机理和建立数学模型过程中考虑到抛光垫的特性，如多孔性、粗糙度、压缩性等。

2.2CMP 的理论模型下面从考虑抛光垫特性的角度出发，介绍部分已建立的关于CMP 技术的理论模型，分析它们的各自的特点。

CMP 过程较复杂，其主要的特征为材料去除率（MRR ），最初的关于MRR 的理论模型是依据工艺过程获得的经验值而建立的，为Preston 提出的Preston 方程:MRR=KPV式中：P —施加的压力；V —抛光盘的相对速度；K —Preston 常数，影响其因素很多，包括抛光垫、抛光液的化学物理性质等方面。

因模型中K 常数是经验值，使得抛光液、抛光垫的相关特性无法明确体现，所以在CMP 过程中抛光机理依旧模糊。

Yu [2]建立一个模型给出了抛光速率与抛光垫粗糙度的关系。

中图分类号：TH16文献标识码：A【摘要】化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing ，CMP ）是当今唯一能够提供全局平面化的技术，其抛光机理的研究是当前的热点。

综述了考虑抛光液和抛光垫特性的抛光机理模型，分析了各模型的相关特点，最后对CMP 模型的发展和研究方向提出展望。

关键词：化学机械抛光；平坦化；抛光率；抛光垫【Abstract 】Chemical-mechanical polishing （Chemical Mechanical Polishing ，CMP ）is currently only ableto provide the global planarization technology ，its mechanism of polishing is currently the most popular.Asurvey of some models was given which consider the polishing properties of polishing liquid and polishing pads ，and the relevant characteristics of each model was analyzed ，at last the development and research directions of the CMP model was prospected.Key words ：Chemical mechanical polishing ；Planarization ；Material removal mechanism ；Polishing Pad＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊Machinery Design ＆Manufacture机械设计与制造第11期2010年11月256模型中假设抛光垫粗糙度最大值在球形的顶点，抛光垫高度和半径的变化呈Gaussian分布；估计Preston方程中常数K时考虑弹性抛光垫的粗糙度的影响。

结论中给出处理抛光垫的粗糙度的方法，但未表明其粗糙度影响全局平坦化的效果；此外因忽略了抛光垫在高度上的变化，掩盖了晶片的不平整度的问题。

Runnel[3]对Preston方程进行修改，提出关于抛光垫在晶片边缘的倾斜引起的应力分布变化的模型。

模型中假设：（1）忽略抛光液的流动以及晶片与抛光垫之间的滑移压力，（2）抛光垫是弹性的。

Runnels分析了在晶片的边缘和抛光垫弯曲的区域的应力分布情况，获得了应力对抛光率的影响。

该模型只适用于轴对称平坦的晶片；其次模型忽略了抛光液的流动，因而它局限于模拟极端的情况，如晶片和抛光垫之间没有滑动的情况。

Levert、Tichy等[4，5]各自建立关于抛光液流动的一维模型。

尽管模型考虑了抛光垫的弹性及表面凸起的变形，但简化内容更广，如将晶片假想为宽度无限的刚性长方体，抛光垫的厚度无穷大，视抛光垫基面为半空间体。

张朝辉等[6]通过分析Tichy等[5]建立的模型，建立了新的模型对CMP中的接触和流体流动关系进行分析。

针对Tichy的模型，修正假设：（1）抛光液沿着流入方向起点取无限远处，（2）在晶片中点处剪应力引起的转矩为零，（3）在表面上的剪应力均匀分布且晶片无倾斜。

结论表明，接触压力在晶片边界处形成应力集中导致的过度抛光，粗糙峰弹性系数越大越明显；柔软的粗糙峰将导致较大的发散区，从而有较大的流体负压值。

虽然此模型能正确预测负压的存在和晶片边缘的应力集中，但是可能高估粗糙峰的作用；同时模型简化较多，忽略了抛光垫的多孔特性和转矩等因素。

Dipto G等[7]依次建立了二维、三维的抛光液流动模型，其中就考虑了被一维模型所忽略的抛光垫的多孔性和弯曲度等因素。

在使用软的抛光垫下，这些模型考虑薄膜厚度，分别验证两种工作状态：（1）润滑不接触状态；（2）接触状态。

模型中基于润滑理论和质量输送理论求解的抛光率与实验模拟的结果很好的吻合。

此外模型求解抛光液膜厚时考虑了各种输入参量，如抛光载荷、晶片与抛光垫相对速度、晶片半径、抛光液粘度、抛光垫的可压缩性等，增加了模拟结果的正确性。

张朝晖等[8]建立的一个二维模型来研究抛光垫的特性对抛光液流动性能的影响。

假定抛光垫的变形服从Winkler模型，模拟发现因抛光垫的变形和多孔性，抛光液液膜的承载能力将有所下降，膜厚增大，从而有利于抛光液中粒子和磨屑的带出，提高表面质量。

模型中忽略了抛光液中颗粒的输运方式和颗粒对抛光性能的影响。

张等[9]还建立了考虑抛光垫特性的三维流体模型。

假定抛光垫内孔质层流体服从Darcy规律。

结论表明，当抛光垫的孔隙直径尺寸较小和孔质层较厚时有较大的承载能力，从而会提高的抛光速率，然而小孔径不利于抛光液中固体粒子和磨屑的带出，厚的多孔介质层可能导致抛光垫和晶片之间的直接接触，影响抛光质量。

该模型忽略了抛光液中微颗粒以及抛光垫的粗糙度等因素。

3CMP技术中的抛光液3.1抛光液抛光液是CMP的关键要素之一，其组成、pH值、颗粒粒度及浓度、流速、流动途径对抛光速率都有影响。

抛光液一般由研磨剂（SiO2、Al2O3等）、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成，最具代表性的抛光液由一个SiO2抛光剂和一个碱性成分水溶液组成；然而抛光不同的材料需要不同的抛光液。

随CMP工艺的发展，使得研究抛光液的最终目标成为寻求化学作用和机械作用的最佳结合，以获得高抛光速率、平面度好、膜厚均匀性好及选择性高的抛光液，同时兼顾其他方面，如CMP工艺的后处理。

3.2CMP技术理论模型因为研究CMP过程中的材料去除率问题就要求分析晶片表面的应力分布情况，而应力分布则应研究抛光液的润滑方式，因此可见抛光液在抛光垫和晶片之间的流动是抛光中的一个重要问题将直接影响抛光速率和抛光质量。

为便于研究CMP机理，一般会简化抛光垫的结构，侧重考虑抛光垫是硬的情形，通过求解润滑方程获得关于抛光液对抛光性能影响的相关结论。

下面从抛光液的流动特性的角度出发，简要介绍已经建立的关于CMP技术的模型，分析其结论。

Runnel[10]首次使用摩擦学原理来研究CMP过程，即建立抛光液流动的三维润滑模型。

该模型侧重考虑稳态工况下抛光液在抛光垫和晶片之间的流动，假设晶片呈轴对称球面弯曲，晶片和抛光垫是刚性和光滑的，抛光液为牛顿流体，粘度为常数，则其流动性可以用一个N—S方程表示：u·△u=-1·塄P+μ·塄2u 塄·u=0式中：ρ—密度；μ—动态粘滞度；P—压力；u—流体中任意一点的速度向量。

求解N-S方程过程中使用伽辽金有限元方法先离散后迭代得相关结论。

模型不是想得到定性的结果，而重点在获得相关参考信息:即晶片和垫子的转速、流体粘度、晶片曲率对润滑膜厚的重要影响。

文中预见流体动力润滑影响抛光液分布，但如何在抛光液层的润滑方式中寻求平衡，即在全膜厚润滑、固液混合润滑和固体润滑3者间寻求平衡，是研究抛光特性的重点。