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引言

本文提出了使用軟墊拋光（第二步去離子水拋光）和機(jī)械刷清洗工藝中的顆粒去除模型，并將其與一次拋光對(duì)氧化晶片表面的平均顆粒粘附力進(jìn)行了比較。流體流動(dòng)引起的水動(dòng)力太小，無(wú)法單獨(dú)去除漿液顆粒，顆粒很可能通過(guò)墊或刷子接觸力和水動(dòng)力阻力一起從表面去除。這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果相一致，將對(duì)去除力進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。

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顆粒去除機(jī)制

需要評(píng)估由于流體流動(dòng)而引起的粗糙度和晶圓之間的顆粒上的水動(dòng)力，因?yàn)樗鼈冇兄谠谇逑催^(guò)程中去除顆粒，在緩沖或刷子清洗中，除了對(duì)顆粒施加水動(dòng)力外，由于表面能高的軟聚合物材料與變形有關(guān)，因此大部分是彈性的，JKR粘附模型可用于預(yù)測(cè)粗糙度變形，其中，r為粒子與襯墊之間的接觸半徑，接觸面積的尺度可以與粒子相比較，這意味著與粒子與晶片之間的粘附力相比可能非常大。f為粒子與粗糙度之間的摩擦系數(shù)，當(dāng)精密強(qiáng)度橫掃設(shè)備特性時(shí)，在一次拋光中證明了該力的強(qiáng)度。在過(guò)度拋光過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致大氧化物面積的嚴(yán)重邊緣圓形和小特征的嚴(yán)重侵蝕。因此，這種摩擦力可能在粒子去除過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

如果顆粒的粘附力大于顆粒的粘附力，則將從表面去除顆粒。然而，一旦顆粒深入晶片，顆粒粘附力較大，均勻粘附力就很難將其從晶片上拉出來(lái)。對(duì)于CMP的清洗過(guò)程(如圖 1)所示，由于粒子和晶圓接觸半徑與粒子半徑相比小，a/1.4R將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于k。粒子比滑動(dòng)或提升更容易脫離表面。

在緩沖步驟中，通常使用的墊的最大轉(zhuǎn)速（500mm直徑）不超過(guò)60rpm，清洗刷輥的最大轉(zhuǎn)速(直徑100mm)約為250rpm。在晶片表面的顆粒附近旋轉(zhuǎn)引起的最大流速約為0.25m/s。假設(shè)直徑為0.2mm的漿液顆粒的平均顆粒穿透深度為0.5nm（典型的表面粗糙度值），顆粒與表面的接觸半徑a約為10nm，不同一次拋光壓力對(duì)0.2mm二氧化硅和氧化鋁顆粒在氧化物表面產(chǎn)生的平均阻力和平均粘附力，如圖所示2，阻力比硅顆粒粘附力小一個(gè)數(shù)量級(jí)，比氧化鋁顆粒粘附力小2個(gè)數(shù)量級(jí)。

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圖2 不同拋光壓力下的附著力和水動(dòng)力阻力

圖3表明，二氧化硅和氧化鋁顆粒的RR值小于1，這意味著水動(dòng)力不足以從晶片表面去除穿透深度為0.5mm的0.2mm漿液顆粒。因此，從無(wú)菌中產(chǎn)生的直接接觸力是去除這些漿液顆粒的必要條件，并給出了聚合物表面上粒子的摩擦系數(shù)在0.2-0.8之間，如果假設(shè)f為0.2，則振動(dòng)摩擦力FF，這種摩擦力的尺度可以通過(guò)滑動(dòng)從表面去除顆粒，接觸去除機(jī)理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，即極高壓會(huì)引起表面損傷，而高壓對(duì)去除漿液顆粒的更有效，其原因是高壓保證了不穩(wěn)定性和顆粒的直接接觸，因此它比非接觸的水動(dòng)力去除力提供了更高的接觸去除力。

然而，化學(xué)機(jī)械拋光后100%的化學(xué)機(jī)械拋光清洗是很難實(shí)現(xiàn)的，在一次拋光中，由于擠壓不同高度的墊層，總有少數(shù)顆粒比其他顆粒更深入地滲透到氧化物表面。因此，這些粒子具有更大的粘附力，cmp后清洗過(guò)程中漿液顆粒的去除更可能是由接觸力和水動(dòng)力引起的，而不是僅僅由水動(dòng)力引起的。滾動(dòng)、滑動(dòng)和提升都是亞微米漿液顆粒的可能清除機(jī)制。

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圖3 不同一次拋光壓力下的去除力矩與粘附力矩的比值