化學(xué)機(jī)械拋光中流體壓力和摩擦特性研究.pdf

1、碩士學(xué)位論文化學(xué)機(jī)械拋光中流體壓力和摩擦特性研究StudyonFluidPressureandFrictionCharacteristicsinCMP學(xué)21304177大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)作為唯一可以實現(xiàn)全局與局部平整度的拋光加工技術(shù)在集成電路(IC)制造領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。CMP過程極其復(fù)雜，影響拋光結(jié)果的因素眾多。其中，晶圓下方的流體壓力和

2、界面的摩擦特性是影響材料去除率(MI淑)和片內(nèi)不均勻性(WIWNU)的關(guān)鍵因素，并且隨著電路特征尺寸的減小和晶圓尺寸的增大，兩者對拋光效果的影響變得更加顯著。因而，對CMP過程流體壓力和摩擦特性的研究對實現(xiàn)高效、超平坦、無損傷的拋光加工有著十分重要的意義。鑒于工藝實驗等傳統(tǒng)研究方法進(jìn)行CMP機(jī)理研究和工藝優(yōu)化周期長耗資大的缺點，本文建立基于混合軟彈流潤滑(EHL)的CMP理論模型，并將其應(yīng)用于CMP過程流體壓力和摩擦特性的研究中。論文的

3、主要研究工作為：(1)建立了考慮拋光墊表面粗糙效應(yīng)、微凸體變形效應(yīng)和晶圓受力平衡的混合EHL模型，并在該模型中考慮了不同的拋光墊模型。不同拋光墊模型的模擬結(jié)果顯示拋光墊變形和流體壓力分布的區(qū)別主要在晶圓的邊緣區(qū)域，層狀彈性體模型比彈性地基模型能夠更好地預(yù)測晶圓邊緣區(qū)域的情況。平晶圓下方的流體壓力以負(fù)壓為主，分析認(rèn)為晶圓受到摩擦力作用產(chǎn)生了朝向入口區(qū)方向的傾斜是導(dǎo)致流體負(fù)壓產(chǎn)生的主要原因。數(shù)值模擬結(jié)果為CMP過程流體壓力相關(guān)研究中負(fù)壓主導(dǎo)

4、的實驗結(jié)果提供了理論支撐。(2)基于多層次子模塊技術(shù)，使用C和Fortran混合編程，為CMP數(shù)值模擬過程搭建了易用性和可拓展性良好的軟件框架。(3)研究晶圓輪廓面形對CMP過程的影響，模擬結(jié)果表明：凹面更傾向于形成負(fù)壓主導(dǎo)的流體壓力，凸面更容易形成正壓主導(dǎo)的流體壓力。模擬結(jié)果與相關(guān)實驗研究中的結(jié)論一致。(4)研究保持環(huán)對CMP過程的影響，結(jié)果顯示：保持環(huán)的存在顯著阻礙了晶圓下方的拋光液流動；與第一代拋光頭相比，第二代拋光頭的可控性更好

5、，更有利于實現(xiàn)晶圓表面均勻的材料去除。并且研究了相對速度、拋光壓力等工藝參數(shù)對流體壓力和摩擦特性的影響。(5)研究CMP過程中的摩擦行為特性。通過摩擦力測量實驗，確定了實際CMP過程中摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速升高而減小的現(xiàn)象。為解釋實驗現(xiàn)象與混合EHL模型模擬結(jié)果的矛盾，在COMSOL中建立了單個微凸體的接觸潤滑模型，得到了單個微凸體接觸區(qū)域的流體壓力分布，分析結(jié)果表明微凸體接觸區(qū)域的平均流體壓力會表現(xiàn)為正壓。關(guān)鍵詞：化學(xué)機(jī)械拋光；數(shù)值模擬；彈流