晶圆化学机械抛光中保持环压力的有限元分析

化学机械抛光 保持环压力 有限元分析

2007年8月第25卷第4期西北工业大学学报

JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityAug.2007Vol.25No.4

晶圆化学机械抛光中保持环压力的有限元分析

黄杏利1,傅增祥2,杨红艳2,马彬睿2

(1.西北工业大学材料科学与工程学院;2.西北工业大学生命科学院,陕西西安　710072)

α

摘　要:在集成电路(IC)行业中,化学机械抛光(CMP)是获得全局平坦化的技术增加,在CMP加工过程中,晶圆边缘容易出现“过磨(2)”用率。的“过磨”现象。由此说明,,晶圆和CMP工艺成本高,依靠实验探索CMP,所以保持环压力不宜通过实验方法确定,。,得出了保持。针对不同CMP,从而提高晶圆抛光质量及利用率,降低晶圆制造成本。关　键　词:化学机械抛光(CMP),晶圆,保持环,有限元方法(FEM)

中图分类号:TN302;TN305.99　　文献标识码:A　　　文章编号:100022758(2007)0420508204　　化学机械抛光(chemicalmechanicalpolish,CMP)技术是制备晶圆的关键步骤,它能满足晶圆所必须的严格的工艺控制、高质量的表面外形及平面度。CMP系统是由旋转的晶圆夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光液供给装置3大部分组成。晶圆以一定的压力压在旋转的抛光垫上,由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆与抛光垫之间流动,并产生化学反应,晶圆表面形成的化学反应物由磨粒的机械作用去除,实现机械磨削和化学腐蚀双重作用的抛光。背膜是介于晶圆和夹持器之间的一层弹性薄膜,确保晶圆上表面受力均匀[1]。

目前,为了增大芯片产量,降低制造成本,晶圆直径不断增大;另外,为了提高集成电路的集成度,晶圆的刻线宽度越来越细,晶圆表面精度也越来越高。对于150mm直径以上的晶圆,容易在晶圆边缘形成“过磨”现象,降低了抛光质量和晶圆利用率。在晶圆外添加一个保持环可以解决这问题,它可以把边缘的抛光垫和晶圆以下的抛光垫压平到同一高度。由此可见,保持环上的压力大小至关重要。

保持环应具有高耐磨耐蚀性、低振动特性、材料稳定性和纯洁性等性能。只有正确选择保持环材料,

这些特性才能实现。文献[2]介绍了5种保持环材

料,分别为:PPS、PC、Arlon1330(聚四氟乙烯增强(PTFE PEEK))、ArlonEX22618和Arlon1287(碳纤维增强聚醚醚酮(CF PEEK)),实验设备为CMP立式实验机,实验结果表明,PC和PPS的摩擦系数大,材料稳定性不好,磨损量大。Arlon1330和

材料稳定性和磨损量总ArlonEX22618的摩擦系数、

体上比PPS和PC好。Arlon1287在5种材料中摩擦系数最低,磨损量比其它所有材料低出10倍以上。另外,PEEK还能够满足一系列关键的要求,包括强度、耐热性以及与抛光液成份的兼容性等。因此,CF PEEK是目前最理想的保持环材料。国外从2003年开始采用CF PEEK保持环代替传统的保持环,保持环寿命提高了3倍以上,大大降低了由于更换保持环造成的停工时间,降低了晶圆的制造成本。　　　　　　　　

但是,保持环上压力和保持环与晶圆的间隙对晶圆抛光质量的影响规律尚不明确,实际设计时难以确定最佳方案。本文采用有限元模拟的方法,对晶圆下表面等效应力的分布趋势进行分析,研究保持环压力与晶圆上压力的比值对晶圆上应力分布的影

α

收稿日期:2006210220基金项目:美国应用材料(西安)公司创新基金(ZX050972XA2AM0508)资助

作者简介:黄杏利(1982-),女,西北工业大学硕士生,主要从事材料加工工程的研究。

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第4期黄杏利等:晶圆化学机械抛光中保持环压力的有限元分析 509

响,确定出最优的保持环压力,并且得出保持环与晶圆之间间隙对保持环压力的影响规律。

P2的大小与P1有直接关系,所以用P2 P1表示保持

1　模型的建立

模型中所用的材料参数和几何尺寸如表1所

示,其中,晶圆夹持器所用材料的力学性能比其它材料的性能高出很多,这里采用和晶圆一致的性能,它们的性能都比抛光垫的弹性模量高很多,相当于刚性,不影响保持环压力的计算。抛光垫选用目前常用的SUBAIV型,由浸渍过的聚氨酯和聚酯毛毡材料构成。保持环材料选用30%复合材料(CF PEEK)。

表1部件

M泊松比

0.30.10.30.10.44

环载荷的施加情况。

本文采用有限元模拟软件ANSYS9.0建模,采用具有8节点plane82轴对称单元,有限元模型如图2所示,共291个单元,986个节点。

图2CMPM模型

以直径200mm的晶圆为例分析。选取晶圆下表面的所有节点作为路径,等效应力随路径的变化趋势如图3所示:

从文献[3]分析得出,晶圆表面的等效应力说明了晶圆与抛光垫之间的接触程度,所以,晶圆边缘的“过磨”现象可由晶圆表面的等效应力反映。晶圆上的等效应力趋势越平稳,起伏越小,晶圆抛光后的平坦度越高。由图3可以看出,在晶圆中心区域,晶圆表面应力分布均匀,而在晶圆边缘应力突然上升,出现一个凸峰,这是抛光垫受压变形的结果。峰值越大,晶圆边缘磨损越严重,表面平坦度越低。改变

P2 P1和W的取值,按照同样的方法模拟不同的情

半径 mm

100.33100.33100.0127.0

厚度 mm

7.620.6350.7061.3971.341

晶圆夹持器193000

背膜晶圆抛光垫保持环

0.2621930002.2922

300

——

模型假定:所有实体的表面都是光滑的;所有材

料均为各向同性;所有的物体紧密堆积且忽略抛光液的作用,建立二维轴对称的有限元静态模型[3],图1所示为二维静态轴对称模型示意图。

况,对结果分析比较,研究其对晶圆抛光效果的影响规律,如图4和图5所示。

由图4看出,当晶圆与保持环之间的间隙W为定值0.75mm时,随着P2 P1值的增加,晶圆边缘的应力峰值不断降低,到一定程度后会出现应力值凹陷,这时晶圆边缘磨损低于晶圆中心,由此可见P2存在一个最佳值。当P2 P1值为0时,在半径约60mm处,晶圆上的应力已经开始变化,在P2 P1值为2.3时,整个晶圆上的应力都很平稳,这时,晶圆表

图1　二维静态轴对称模型示意图

面的平坦度高,晶圆利用率也高,当P2 P1值为2.4时,晶圆边缘的应力出现凹陷。因此,保持环上的最佳压力为0.1587MPa(2.3×0.069MPa)。

如图5所示,在P2 P1值相同的情况下,W值越大,晶圆边缘应力峰值越高,晶圆边缘磨损越严重。反之,W值越小,晶圆上应力变化越平稳,平坦度愈高,晶圆利用率也愈高。以上计算和模拟结果与文献[4]的实验结果一致。综上所述,有限元方法能够很好地计算和预测保持环上的最佳压力。P2 P1与

W的选取影响了晶圆表面的抛光质量,在设计保持

模型边界条件:载荷都均匀分布在物体的表面

上,晶圆上的压力P1取0.069MPa,保持环上的压力P2是变化的;抛光垫的底面施加固定约束,限制各个方向的运动;左边是对称的边界条件,对称轴上的所有节点在径向受到约束,但在轴向上能自由移动;保持环的宽度为8.961mm,保持环与晶圆之间的间隙W值分别取0.75mm、1.00mm、1.25mm。

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环时,要综合考虑两者的作用。模拟结果充分表明,保持环能压平晶圆边缘弹起的抛光垫,抛光后的晶

圆表面具有高平坦度

。

　图3　晶圆表面等效应力的模拟结果　　　图4　不同P2(P2 P1=1.2,W=0.75mm)

的模拟结果(W=)(P2 P1=2)

3　结　论

CMP过程中CF PEEK

保持环上的压力,结论如下:

(1)随保持环载荷与晶圆载荷的比值增大,晶圆边缘应力减小,达到一定程度,晶圆边缘应力小于晶圆中心区域,因此存在使晶圆表面应力分布最平稳的载荷比值。对于直径200mm的单晶硅晶圆,当晶圆上压力为0.069MPa,抛光垫为SUBAIV型,

30%短碳纤维增强PEEK复合材料,

晶圆与保持环的间隙为0.75mm时,保持环上最佳压力为0.1587MPa。

(2)保持环与晶圆之间的间隙越小,晶圆边缘的峰值越小,抛光效果越好。

(3)有限元方法能够很好地模拟和预测保持环上的最佳压力。计算结果表明,保持环能压平晶圆外部弹起的抛光垫,降低晶圆边缘应力峰值,提高晶圆表面抛光质量和晶圆利用率。

参考文献:

[1]　苏建修,康仁科,郭东明.超大规模集成电路制造中硅片化学机械抛光技术分析.制造技术,2003,28(10):27～32[2]　RimaMoussa,CarminQuartapella.Next2GenerationMaterialsforCMPRetainingRings.ProceedingsofTwentieth

～504InternationalVLSIMultilevelInterconnectionConference,California,2003,497

[3]　Srinivasa2.StressDistributioninChemicalMechanicalPolishing.ThinSolidMurthyC,WangD,BeaudoinSP,etal

～537Films,1997,3082309:533

[4]　ManabuTsujimura.AnalysisandPredictionofPolishProfiling.ProceedingsofCMPUsersGroupMeeting,California:

2002,1～15

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第4期黄杏利等:晶圆化学机械抛光中保持环压力的有限元分析 511

CalculatingSuitablePressureonRetainingRinginChemicalMechanicalPolishing(CMP)ofWafer

1222

HuangXingli,FuZengxiang,YangHongyan,MaBinrui

1.DepartmentofMaterialScienceandEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China2.SchoolofLifeSciences,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China

Abstract:WepresentaFEMmethodforforecastingthelep,whichiscriticalinmanufacturinggoodqualitywafers.Inthefuplainranditscalculation.resultsinsomedetailexplanation.

Inthisabstract,ejupttolistingthetwotopicsof

Inthistopic,weestablishthe

.Thefirsttop:FEmodel

axisymmetricalthe,showninFig.2inthefullpaper.Thesecondtopicis:simulation.th,weusethewaferwiththediameterof200mmandtheoptimumvalueofthepressureonaferequalto0.069MPa,anduse0.075mmasthegapbetweenthewaferandtheretainingring.Atthistime,theoptimalpressureontheretainingringis0.1587MPa.

Keywords:chemicalmechanicalpolishing(CMP),wafer,retainingring,finiteelementmethod(FEM)

(EI)年刊收录在35行2001-2005五年《工程索引》

以上的论文篇数大陆全部高校是麻省理工学院的2.9倍

年度

中国大陆全部高校被《EI》年刊收录在35行以上论文篇数麻省理工学院被《EI》年刊收录在35行以上论文篇数

大陆全部高校35行以上论文篇数÷麻省理工学院35行以上论文篇数

(倍数)

200120191.1

200218151.2

200355242.3

200499214.7

2005104224.7

合计

2961012.9

徐　滨

2007年7月16日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m00j.html