晶圆抛光全过程

晶圆的抛光过程

[导读]随着集成电路(Integrated circuit,IC)制造技术的不断发展，芯片特征尺寸越来越小，互连层数越来越多，晶圆直径也不断增大。要实现多层布线，晶圆表面必须具有极高的平整度、光滑度和洁净度，而化学机械抛光(Chemical mechanical polishing, CMP)是目前最有效的晶圆平坦化技术，它与光刻、刻蚀、离子注入、PVD / CVD 一起被称为 IC 制造最核心的五大关键技术。

随着集成电路(Integrated circuit,IC)制造技术的不断发展，芯片特征尺寸越来越小，互连层数越来越多，晶圆直径也不断增大。要实现多层布线，晶圆表面必须具有极高的平整度、光滑度和洁净度，而化学机械抛光(Chemical mechanical polishing, CMP)是目前最有效的晶圆平坦化技术，它与光刻、刻蚀、离子注入、PVD / CVD 一起被称为 IC 制造最核心的五大关键技术。

CMP 装备主要由抛光头、抛光盘、修整器、抛光液输送系统等部分组成，而抛光头及其压力控制系统是其中最关键、最复杂的部件，是 CMP 技术实现纳米级平坦化的基础和核心。目前国外最先进的 300 mm 晶圆抛光头采用气压方式加载，具有分区压力、真空吸附、浮动保持环及自适应等功能，十分复杂。随着特征尺寸不断减小和晶圆直径不断增加，对 CMP 表面质量的要求也越来越高，传统的单区压力抛光头已无法满足要求。如果抛光头能够将晶圆分成多个区域进行加载，通过改变施加压力的大小就可以控制不同区域的材料去除率。当前国际上高端300 mm晶圆CMP 装备的抛光头通常具有三个压力分区。此外，在 45 nm 技术节点及以下，目前的 CMP 装备(抛光压力>6.985 kPa)极易造成 Low-k 材料的断裂、划伤以及 Low-k 介质/铜界面剥离等问题，超低压力 CMP(<3.448 kPa)将是未来 CMP 装备和技术的主要发展方向。

在 CMP 过程中抛光头主要起以下作用：①对晶圆施加压力;② 带动晶圆旋转并传递转矩;③ 保证晶圆与抛光垫始终贴合良好，不掉片、碎片。此外，在高端 CMP 装备中抛光头最好能在不借助外界条件的情况下依靠自身结构夹持晶圆，以提高生产效率。

分区压力抛光头是衡量 CMP 装备技术水平高低的重要因素。其核心思想来自 Preston 模型，根据该模型。根据 CHEN 等的研究，抛光头的分区数量越多，对材料去除率的调节能力越强。但分区数量越多意味着其结构更复杂、研发难度更大。抛光头各区尺寸划分并无具体要求，即可等分，又可根据抛光头的内部实际结构进行划分。

为防止晶圆在旋转过程中被甩出，抛光头必须具有保持环结构。在 CMP 技术的发展历程中出现过两种保持环：固定保持环和浮动保持环。由于固定保持环无法避免边缘效应，目前的主流 CMP 装备均采用了浮动保持环，通过对浮动保持环施加不同的压力可以调节晶圆与抛光垫的接触状态，从而有效改善边缘效应。

由于保持环与抛光垫紧密贴合，必须在保持环底部设计一系列沟槽以引导抛光液顺利进入晶圆/抛光垫界面。此外，为提高寿命，保持环需选择高强度、耐腐蚀、耐磨损的聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide, PPS) 或 聚 醚 醚 酮 (Polyetheretherketone, PEEK)等材料。

前面提到抛光头很重要的一个功能是夹持晶圆，实现晶圆在装卸工位与抛光工位之间的快速、可靠传输。在 CMP 技术的发展历程中出现过机械夹持、石蜡粘接、真空吸盘等多种夹持方式，但以上方式在效率、可靠性、洁净度等方面已无法满足高端 CMP 装备的要求。 多区抛光头采用真空吸附方法夹持晶圆，基本原理如图2所示。首先对多区气囊施加正压，将气囊与晶圆之间的空气挤出，然后利用气囊不同分区的正、负压组合控制，在气囊和晶圆之间形成负压区，将晶圆牢固地吸附在抛光头上。该方法充分利用了抛光头自身的多区气囊结构，具有快速、可靠、无污染等优点。

压力控制系统通过气压方式对抛光头进行压力控制，其主要功能有：① 对晶圆和保持环进行压力加载;② 对抛光头抽负压以夹持晶圆;③ 检测各腔室是否漏气。 多区抛光头的压力控制原理如图3所示。抛光头气路的主要元件有气源、减压阀、电气比例阀、真空发生器、真空调压阀、两位三通阀、两位两通阀以及压力传感器等。抛光头共有五个压力腔室(Z1～Z5)，每个腔室都具有施加正压、抽负压、通大气和泄漏检测等功能，其中正压采用全闭环控制。