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抛光头和抛光垫修整器压力对金属钨CMP效果的影响研究

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抛光头和抛光垫修整器压力对金属钨CMP效果的影响研究

作者：赵世鑫大连理工大学

学位级别：硕士

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)技术早在集成电路特征尺寸为0.25μm/0.35μm的阶段性技术革命时,就成为了集成电路(Integrated Circuit,IC)制造行业的关键工艺。在目前常用的集成电路多层布线技术中,其层间连接介质工艺... 详细信息

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)技术早在集成电路特征尺寸为0.25μm/0.35μm的阶段性技术革命时,就成为了集成电路(Integrated Circuit,IC)制造行业的关键工艺。在目前常用的集成电路多层布线技术中,其层间连接介质工艺多是使用钨(W)柱塞和铜(Cu)大马式革工艺,这也使CMP技术在工业领域得到了越来越广泛的应用。钨的化学机械抛光技术已经成为深亚微米互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路制成中最重要的工艺之一。由于钨具有优良的抗电迁徙能力和易被加工的特点而被广泛的应用于多层金属互连的技术中。在现阶段中,已经很少使用反应离子刻蚀法,而是通过钨化学机械抛光对层间绝缘介质层进行处理,确保其和表面的层间处于平坦化的状态,这样可以有效的解决钨柱塞凹陷问题,同时对于后续多层金属而言,其互连的难度也会降低,能够有效提升其集成电路的密度,并优化器件接触互连性能。在抛光衬底材料时,其主要使用的是钨的CMP技术,并利用该技术加工多层布线的层间表面。但是在实践过程中,该技术和传统抛光技术类似,容易出现一些生产问题。在实际生产当中,金属钨的CMP工艺遇到的主要问题有:材料去除率偏高或者偏低;片内和片间的厚度均匀性偏差;化学机械抛光工艺造成钨层表面的划伤,环形缺陷等。本文主要是针对在CMP设备中抛光单元的压力控制部件进行研究。抛光头和抛光垫修整器是抛光设备单元中的重要部件,主要通过调整流体压力来影响钨的化学机械抛光工艺。本文主要研究抛光头区域压力改变对抛光效果的影响,和抛光垫修整器压力的改变对抛光效果的影响。本论文的主要内容有:(1)作为技术保护的一部分,抛光头的压力作用区域并未从厂商处直接获得。本文在抛光盘和抛光头的转速比保持不变的情况下,将抛光液和抛光垫的特性作为恒定量,通过调整抛光头中的6个区域压力,进行抛光工艺实验并分析得出各个区域在钨层晶片CMP中的作用范围。(2)针对在实际生产当中遇到的钨层晶片均匀性偏差以及环形缺陷的问题,通过调节抛光头不同区域作用压力,使得钨层晶片表面抛光效果更为平整,提高了片内平整度,最终解决了片间均匀性偏差和片内环形缺陷的问题。(3)针对在实际生产当中遇到的钨层晶片材料去除率低以及划伤缺陷的问题,通过调节抛光垫修整器的作用压力,使抛光垫的表面形态发生了变化从而提高了材料去除率,并通过调节到合适的压力减少了金刚石盘颗粒脱落造成的划伤缺陷。(4)工厂在技术拷贝时已经定义了抛光垫的使用寿命,在实际生产当中有减少生产成本的需求,通过实验来研究抛光垫修整器作用压力的调节对抛光垫使用寿命的影响,从而制定最优方案来提高抛光垫的生命周期,以达到降低成本的需求。

关键词：化学机械抛光去除率均匀性缺陷抛光头抛光垫修整器

超薄不锈钢基板CMP抛光头和温度在线检测装置研究

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超薄不锈钢基板CMP抛光头和温度在线检测装置研究

作者：袁文强广东工业大学

学位级别：硕士

304不锈钢是柔性显示器基板的理想材料,改善它的表面质量是将其应用于下一代软性显示器技术的前提。化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)协同了机械作用与化学作用,以其超精密无损伤表面等良好的加工效果在工件表面平整... 详细信息

304不锈钢是柔性显示器基板的理想材料,改善它的表面质量是将其应用于下一代软性显示器技术的前提。化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)协同了机械作用与化学作用,以其超精密无损伤表面等良好的加工效果在工件表面平整化中得到了广泛的应用。CMP工艺中所采用的旋转摆动重力式抛光机是一种结构较简单的精密研磨抛光设备,它能够使压力平稳分布在工件上,并且获得复杂的摩擦轨迹。但是,工件的传统夹持方式是采用胶水、可溶性蜡等物质将工件粘贴在压块底面,这种方法会直接影响到工件的全局平坦化。另外,抛光界面的温度会影响抛光液的活性、磨粒的团聚和抛光垫表面纤维特性等,进而影响材料的去除率和工件表面质量。所以,针对上述两个问题,首先,本文设计了一种新型抛光头,该抛光头不仅能够继承重力式抛光机压力平稳的优点,而且采用真空吸盘吸附超薄不锈钢基板,代替了传统粘贴超薄不锈钢基板的方法,从而能实现超薄不锈钢基板的全局平坦化。其次,在该抛光头中集成抛光界面温度在线检测装置,该温度检测装置能够在不影响抛光工艺的提前下,精确地检测出抛光界面的温度。再次,本文还分析了CMP过程中超薄不锈钢基板上热量的流入及流出情况,并利用ANSYS软件对超薄不锈钢基板在抛光过程中的温度变化进行仿真计算。然后,采用集成有温度在线检测装置的抛光头进行抛光实验,将抛光界面的温度检测结果与理论仿真结果进行对比,从而验证温度检测装置的有效性。最后,通过实验分析了不同抛光压力、不同转速和不同抛光液流量对抛光界面温升、材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响规律。本文的主要研究方法及结论如下：(1)在对比CMP设备中的各种加压方式和夹持方式的基础上,提出了抛光头的改进方案。本方案中采用带有小孔的金属真空吸盘吸附超薄不锈钢基板,并选用重力式的加压方式。利用ABAQUS软件分析了超薄不锈钢基板在抛光过程中的变形及其与抛光垫之间的接触压力,确定吸盘孔径为lmm。并且,通过计算得出稳定吸附不锈钢基板的最小真空度为0.19×105Pa、0.05秒吸附的抽速为0.5L/s,从而选定真空发生器为抛光头气路提供负压。(2)当工件为0.1mm厚的304不锈钢基板时,通过计算得知其背面温度仅比被抛光面低0.0886℃,因此,可以选择超薄不锈钢基板的背面作为测温的对象。在综合考虑测温精度、安装、信号传输等各方面因素后,确定采用三线制的STT-F型号表面热电阻温度传感器、SBWV型的温度变送器、ZYX-T012型号的过孔导电滑环和PCI-9118DG数据采集卡搭建抛光界面温度在线检测装置。该抛光界面温度在线检测装置能够在不影响CMP工艺的前提下,高精度的检测出抛光界面的实时温度,并且系统误差仅为0.335%左右。(3)从不锈钢基板温升的原理上分析流入及流出的各部分热量,利用ANSYS软件仿真出温度的变化情况。从分析结果可以看出：当抛光垫与抛光头的转速相同时,流入超薄不锈钢基板的热量是均匀的,且抛光头的摆动不会影响温度分布的均匀性;不锈钢基板的温升速度先大后小,有趋于稳定的趋势,并且温升幅度随着抛光压力、抛光头和抛光盘转速的增加而增加。(4)采用具有温度在线检测功能的抛光头进行超薄不锈钢基板的CMP实验,从实验结果可以看出,温度在线检测装置能够实时检测出超薄不锈钢基板上的温度变化。无论是温度趋势还是数值,该检测装置所测得的实验结果都与理论计算结果十分接近,从而验证了抛光界面温度在线检测装置的有效性。(5)具有真空吸盘的抛光头提高了抛光效率,降低了成本,避免了由于粘性物质厚薄不均匀影响全局平坦化效果,使得不锈钢基板全局的粗糙度几乎一致。

关键词：化学机械抛光真空吸盘抛光头温度检测仿真

一种新型行星抛光头的构型综合与动平衡方法研究

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一种新型行星抛光头的构型综合与动平衡方法研究

作者：翟安琪天津大学

学位级别：硕士

随着精密光学元件制造精度要求的不断提高,其加工制造方法面临新的挑战。传统的抛光装备采用机床结构,难以满足光学元件柔性化制造需求。因此,机器人抛光装备逐步得到广泛重视,成为解决大口径光学元件高效、高精度、柔性抛光难题的有效... 详细信息

随着精密光学元件制造精度要求的不断提高,其加工制造方法面临新的挑战。传统的抛光装备采用机床结构,难以满足光学元件柔性化制造需求。因此,机器人抛光装备逐步得到广泛重视,成为解决大口径光学元件高效、高精度、柔性抛光难题的有效手段。行星抛光头是安装在抛光机器人末端的执行单元,由于抛光头的行星抛光运动具有周期性,对机器人末端产生附加的摆动力及摆动力矩。因此,深入研究行星抛光头的动平衡问题,对改善抛光机器人的运行平稳性、提高抛光精度和抛光质量具有重要意义。针对精密光学元件的机器人精密抛光需求,本文首先研究行星抛光头的构型综合问题,提出一种基于AKC（Assur kinematic chain）的构型综合方法。根据平面机构组成原理,选择AKC为基本单元,按拆除构件数量对其进行拆分,得到构型综合的本源构型;进而研究本源构型的拓扑综合,得到单自由度或多自由度的同源构型,对于多自由度构型分别利用双滑块、滑块平行四边形和双平行四边形结构约束冗余自由度;最后结合构型综合要求和设计要求,确定出三种满足功能需求的行星抛光头拓扑构型,并选取其中一种完成详细结构设计。为减小行星抛光运动所产生的摆动力和摆动力矩,研究行星抛光头的动平衡方法。基于所建立的机构运动学模型,采用虚功率原理推导出机构的刚体动力学模型,并借助软件仿真验证了模型的正确性。在深入分析机构构型特点的基础上,以抛光头机架参考点处的摆动力/力矩及输入转矩最小化为目标函数,以连杆杆长和传动角范围等为约束条件,采用线性加权和法优化传动支链杆长,实现行星抛光头的初步动平衡。进而采用遗传算法优化连架杆配重块的质量及其质心位置,进一步减小摆动力和摆动力矩幅值。结果表明,通过与质量静代换法比较,采用上述动平衡方法能够显著减小所产生的摆动力,最后通过软件仿真验证了优化结果的有效性。

关键词：平面机构抛光头构型综合动平衡优化设计

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低摆动瞬心式抛光头

机械工程师 2016年第9期 107-108页

作者：戴智弘大连理工大学辽宁大连116024

针对典型抛光头的结构对加工质量的影响,分析了其结构缺陷,设计了一种新型低摆动瞬心的抛光头。它利用同心双球面滚动副结构,可以使抛光头的摆动瞬心降低到加工平面上,从而彻底消除了因摆动瞬心过高而产生的倾覆力矩对加工质量的影响,... 详细信息

针对典型抛光头的结构对加工质量的影响,分析了其结构缺陷,设计了一种新型低摆动瞬心的抛光头。它利用同心双球面滚动副结构,可以使抛光头的摆动瞬心降低到加工平面上,从而彻底消除了因摆动瞬心过高而产生的倾覆力矩对加工质量的影响,试验结果证明这种低摆动瞬心抛光头使用效果良好。

关键词：抛光头平面度瞬心 CMP

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一种简易抛光头的制作

机械制造 2004年第10期42卷 70-70页

作者：田文明东风汽车股份有限公司铸造分公司湖北襄樊441004

在模具的维修和制造过程中,用合金磨头和砂轮修磨模具的形状后,最后要用细砂布进行表面打光.市场上所销售的表面抛光工具,其抛光头一般为圆盘状,对模具的深底及沟槽部位很难将其抛光,以前对这些位置我们完全靠手工用细砂布打磨,所以效... 详细信息

在模具的维修和制造过程中,用合金磨头和砂轮修磨模具的形状后,最后要用细砂布进行表面打光.市场上所销售的表面抛光工具,其抛光头一般为圆盘状,对模具的深底及沟槽部位很难将其抛光,以前对这些位置我们完全靠手工用细砂布打磨,所以效率极其低下.现在我们制作了一种简易抛光头,推荐给大家.

关键词：模具维修抛光头制作合金磨头砂轮

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一种简易抛光头

机械工人（热加工） 2001年第11期25卷 38-38页

作者：刘招安山东金马工业集团股份有限公司，日照276826

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机器人气囊抛光SiC光学元件加工特性研究

西安交通大学学报 2020年第12期54卷 22-29页

作者：黄智周涛吴湘刘海涛万勇健郑晓电子科技大学机械与电气工程学院成都611731 中国科学院光电技术研究所成都610209

针对碳化硅光学元件已有的化学机械抛光、磁流变抛光、电化学抛光和催化剂辅助抛光等方式存在材料去除率低、成本高等问题,提出机器人气囊抛光方法,并对气囊抛光特性、抛光头机械结构进行了研究。首先基于Preston理论和赫兹接触理论以... 详细信息

针对碳化硅光学元件已有的化学机械抛光、磁流变抛光、电化学抛光和催化剂辅助抛光等方式存在材料去除率低、成本高等问题,提出机器人气囊抛光方法,并对气囊抛光特性、抛光头机械结构进行了研究。首先基于Preston理论和赫兹接触理论以及速度分析建立了材料理论去除模型,并对去除函数进行了仿真,再此基础上设计了气囊抛光磨头装置。然后对非球面碳化硅元件开展了单点和多点抛光,实验验证了去除函数的精确性和稳定性。最后通过粗抛和精抛进行加工应用验证,实验结果表明,所提出方法能够有效实现碳化硅光学元件抛光,并且去除函数精度高稳定性强,通过3个周期的粗抛、4个周期的精抛,面形收敛率分别为69.4%、51.9%,且收敛速度快、加工精度高。

关键词：气囊抛光碳化硅去除函数抛光头

300mm晶圆化学机械抛光机关键技术研究与实现

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机械工程学报 2014年第5期50卷 182-187页

作者：王同庆路新春赵德文门延武何永勇清华大学摩擦学国家重点实验室

在芯片微细化和互连多层化趋势下,化学机械抛光(Chemical mechanical polishing,CMP)成为集成电路制造的核心技术。针对300 mm晶圆CMP装备被极少数国外厂家垄断、国内300 mm晶圆CMP装备水平远远落后的现状,开展300 mm晶圆CMP装备关键技... 详细信息

在芯片微细化和互连多层化趋势下,化学机械抛光(Chemical mechanical polishing,CMP)成为集成电路制造的核心技术。针对300 mm晶圆CMP装备被极少数国外厂家垄断、国内300 mm晶圆CMP装备水平远远落后的现状,开展300 mm晶圆CMP装备关键技术研究。研制出300 mm晶圆多区压力抛光头及其压力控制系统,该抛光头具有多区压力、浮动保持环及真空吸附等功能,每个腔室均可实现施加正压、抽负压、通大气和泄漏检测;压力控制系统性能测试结果表明,该系统可实现689.5 Pa的超低压力,其精度和响应速度均能满足常规压力及超低压力CMP的要求;开发了300 mm晶圆超低压力CMP样机,创建出一套比较稳定、可靠的工艺流程,并利用该样机初步开展铜CMP试验研究。试验结果表明:抛光压力为15.169 kPa时,材料去除率达671.3 nm/min,片内非均匀性为3.93%。

关键词： 300 mm晶圆抛光头多区压力超低压力化学机械抛光

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基于环形磁场励磁的多工位磁流变抛光方法

制造技术与机床 2019年第7期 105-111页

作者：周琴琴彭可陈永福赵卓杨玉娥湖南师范大学工程与设计学院湖南长沙410083 宇环数控机床股份有限公司湖南长沙410323

提出一种基于环形磁场励磁的商用磁流变抛光方法,可满足工业化大批量生产需求。通过设计环形磁场的电磁铁,进行三维有限元仿真分析,配合既公转、自转又摇摆的多工位抛光头,搭建环形磁场磁流变抛光装置。利用该平台分别对表面粗糙度为0.2... 详细信息

提出一种基于环形磁场励磁的商用磁流变抛光方法,可满足工业化大批量生产需求。通过设计环形磁场的电磁铁,进行三维有限元仿真分析,配合既公转、自转又摇摆的多工位抛光头,搭建环形磁场磁流变抛光装置。利用该平台分别对表面粗糙度为0.2 μm的铝合金和不锈钢手表框曲面进行磁流变抛光试验,结果表明该方法可以同时对多个工件的曲面进行抛光,抛光后两者的表面粗糙度分别提高到0.05 μm和0.025 μm,从而验证该加工方法进行精密抛光的可行性。

关键词：磁流变抛光环形磁场磁场仿真抛光头曲面