图10-17 抛光 图10-18 CMP非均匀边沿区域 图 10-19 更新的抛光头设计 2)研磨盘是CMP研磨的支撑平台，其作用是承载抛光垫并带动其转动。 (2) 研磨过程的控制 它是控制抛光头压力大小、转动速度、开关动作、研磨盘动作的电路和装置。 (3) 抛光垫与抛光垫修整 1)抛光垫大多是使用发泡式的多孔聚亚胺脂材料制成，是一种多孔的海绵，利用这种类似海绵的机械特性和多孔特性的材料，提高抛光的均匀性。 图10-20 抛光 2)抛光垫修整。 3)抛光垫寿命及定期更换。 (4)研磨液的供给与循环系统 1)研磨液由磨粒、酸碱剂、纯水及添加物构成，其成分见表10-1。 表10-1 研磨液成分 2)研磨液供给与输送系统。 ① 研磨液供给与输送系统与CMP工艺之间的关系：研磨液中的化学品在配比混合输送过程中可能有许多变化，这一点，使输送给机台的研磨液质量与抛光工艺的成功形成了非常紧密的关系，其程度超过了与高纯化学品的联系。尽管CMP设备是控制并影响CMP工艺结果的主要因素，但是研磨液在避免缺陷和影响CMP的平均抛光速率方面起着巨大的作用。 ② 研磨液供给与输送系统实现的目标：通过恰当设计和管理研磨液供给与输送系统来保证CMP工艺的一致性。研磨液的混合、过滤、滴定以及系统的清洗等程序会减轻很多与研磨液相关的问题。那么就要设计一个合适的研磨液的供给与输送系统，完成研磨液的管理，控制研磨液的混合、过滤、浓度、滴定及系统的清洗，减少研磨液在供给、输送过程中可能出现的问题和缺陷，保证CMP的平坦化效果。 ③ 研磨液混合和输送设备的设计特点： 搅动：一般来讲，研磨液中的固体颗粒经过一段时间后会逐渐淀积，为了满足特定的工艺要求，必须保持桶中和储蓄罐中的液体均一，专业的研磨液系统制造商可以为每种研磨液设置特定的淀积率和分散率。? ④ 各种CMP工艺的操作问题：在处理化学品和研磨液时，一定要理解各种化学品之间的细微差别，并在系统中将这些不同点体现出来。半导体工业使用的化学品已经超过了2000种，任何两种化学品在操作和安全方面都不同。在处理研磨液过程中，其特性和问题基本上和工艺有关。研磨液参数对特定CMP应用工艺的影响见表10-2。作为成熟的工艺，氧化物和钨CMP都各自面临挑战。作为新出现的技术，STI、铜和低k介质为业界带来新的挑战。 表10-2 研磨液参数对特定CMP应用工艺的影响 ⑤ 抛光研磨液后处理：作为消耗品，研磨液一般是一次性使用。 随着CMP市场的扩大，抛光研磨液的排放及后处理工作量也在增大(出于环保原因，即使研磨液不再重复利用，也必须先处理才可以排放)。而且，抛光研磨液价格昂贵，如何对抛光研磨液进行后处理，补充必要的化学添加剂，重复利用其中的有效成分，或降级使用，不仅可以减少环境污染，而且可以大大降低加工成本。抛光研磨液的后处理研究将是未来的新研究热点。 (5)终点检测设备 终点检测是检测CMP工艺把材料磨除到一个正确的厚度的能力。 1)电动机电流终点检测。 2)光学干涉法终点检测。 图10-21 终点检测的光学干涉 图10-22 CMP后的CMOS电路剖面图(未经过光学检测) 图10-23 经光学终点检测后的剖面图 3)先进的终点检测技术——红外终点检测技术。 (6)清洗设备与干出干进 过去CMP设备只是研磨抛光，与清洗设备是分开的。 2. CMP设备的发展 (1)单抛光头旋转式系统 CMP 转动设备是用以玻璃陶瓷或其他金属的磨平抛光设备为基础的，这种设备由单个研磨盘和单个抛光头构成。 (2) 多抛光头旋转式CMP系统 随着生产力需求和缺陷标准提高，出现了多研磨头的旋转体系，这类设备有很多种。 图10-24 多抛光头CMP设备 (3) 多研磨盘CMP系统 由于Auriga公司和Symphony公司的设备缺乏灵活性，例如加工的硅片片数是22片而不是25片硅片，就不能发挥它们生产力高的优点。 (4) 轨道式CMP系统 由于对于工艺的灵活性和生产力的需求提高，IPEC公司开发出了676轨道式CMP系统。 (5) 线性CMP设备 最后，有些公司开发出能够实现高线速度的线性CMP设备。 10.3.4 CMP工艺控制 CMP工艺操作虽然简单，可是CMP效果受多方面因素的控制，所以要得到期望的效果，工艺控制就非常重要。 1. CMP工艺流程 1)前期准备：根据研磨的材料对象(如硅、二氧化硅、铝、铜等)、工艺对象(STI、ILD、LI等)来选择合适的研磨液、抛光垫、清洗液等消耗品，并按照要求做好CMP设备、硅片、化学品(研磨液、清洗液)配置和输送系统、环境等的前期准备(例如设备和硅片清洗、检测，环境是否达到要求等)。 2)研磨抛光、清洗、甩干：按照工艺文件的要求设置工艺参数进行CMP、清洗和甩干并监控工艺过程，做好工艺记录。 3)质量检测与评估：按照检验工艺文件的检测方案(抽样、质量参数、检测工具和仪器、测量点等)进行测量和计算，并按照标准判断CMP工艺的合格性，做好记录。 2. 影响CMP效果的主要参数 表10-3 影响CMP效果的主要参数 图10-25 单晶硅片抛光速率v与压力p的关系图 (1) 抛光头压力 以对单晶硅片进行CMP为例来说明。 (2)抛光头与研磨盘间的相对速度 抛光速率随着抛光头与研磨盘间的相对速度的增大而增大。 (3)抛光垫 抛光垫是在CMP中决定抛光速率和平坦化能力的一个重要部件。 ① 碎片后为防止缺陷而更换抛光垫。 ② 优化衬垫选择以便取得好的硅片内和硬膜内的均匀性和平坦化(建议采用层叠或两层垫)。 ③ 运用集成的闭环冷却系统进行研磨垫温度控制。 ④ 孔型垫设计、表面纹理化、打孔和制成流动渠道等有利于研磨液的传送。 ⑤ CMP前对研磨垫进行修正、造型或平整。 ⑥ 有规律地对研磨垫用刷子或金刚石修整器做临场和场外修整。 (4) 研磨液 研磨液是影响CMP速率和效果的重要因素，在半导体工艺中，针对SiO2、钨栓、多晶硅和铜，需要用不同的研磨液来进行研磨，不同厂家的研磨液的特性也有所区别。 1)磨粒。 ① 磨粒材料：对不同的薄膜CMP和不同工艺的CMP要精心选择磨粒材料。即使是对同种薄膜材料进行CMP，其磨粒材料不同，抛光速率也不同。例如对于ILD氧化硅进行CMP ,采用二氧化铈(CeO2 )作为磨粒的抛光速率比用气相纳米SiO2为磨粒的抛光速率大约快3倍。Christopher L.Borst对含碳量不同的三种PECVD的SiOC进行了抛光实验，发现SiOC在基于SiO2 磨粒的碱性研磨液作用下的抛光速率明显高于基于氧化铝磨粒的酸性抛光液作用下的抛光速率，而且随着pH值的增加，抛光速率显著增大。 图10-26 磨粒含量对抛光速率的影响 ② 磨粒含量：磨粒含量是指研磨液中磨粒质量的百分数。 即(磨粒质量/研磨液质量)×100%，又叫磨粒浓度。由图10-26可知，对于硅抛光，在低磨粒含量时，在一定范围内对硅的抛光速率随着磨粒含量的增加而增加，平整度趋于更好。这主要是由于，随着磨粒含量的提高，研磨液中参与机械研磨的有效粒子数增多，抛光液的质量传递作用提高，使平坦化速率增加，可以减小塌边情况的发生。但并不是磨粒含量越高越好，当磨粒含量达到一定值之后，平坦化速率增加缓慢，且流动性也会受影响，成本也增加，不利于抛光。要通过实验对确定的抛光对象找出一个最优的磨粒含量。 10.3 化学机械平坦化 ③ 磨粒大小及硬度：随着微粒尺寸和硬度的增加，去除速率也随之增加。但会产生更多的凹痕和划伤。所以要很细心地选择颗粒的大小和硬度，颗粒硬度要比去除材料的硬度小。要不能使平坦化的表面产生凹痕和擦伤等表面缺陷。 2)研磨液的选择性：对确定的研磨液，在同样条件下对两种不同的薄膜材料进行抛光时其抛光速率的不同，这就是研磨液的选择性。 3)研磨液中添加物的浓度与pH值：与MRR有直接关系。 (5)温度对去除率的影响 CMP在加工过程中无论是酸性液体还是碱性液体，在与去除材料的化学反应中都是放热的反应，造成温度的上升，同时在加工过程中，由于抛光头的压力作
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