[導(dǎo)讀]拋光過程隨著集成電路(Integrated circuit,IC)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片特征尺寸越來越小，互連層數(shù)越來越多，晶圓直徑也不斷增大。要實(shí)現(xiàn)多層布線，晶圓表面必須具有極高的平整度、光滑度和潔凈度，而化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical mechanical polishing, CMP)是目前最有效的晶圓平坦化技術(shù)，它與光刻、刻蝕、離子注入、PVD / CVD 一起被稱為 IC 制造最核心的五大關(guān)鍵技術(shù)。
拋光過程隨著集成電路(Integrated circuit,IC)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片特征尺寸越來越小，互連層數(shù)越來越多，晶圓直徑也不斷增大。要實(shí)現(xiàn)多層布線，晶圓表面必須具有極高的平整度、光滑度和潔凈度，而化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical mechanical polishing, CMP)是目前最有效的晶圓平坦化技術(shù)，它與光刻、刻蝕、離子注入、PVD / CVD 一起被稱為 IC 制造最核心的五大關(guān)鍵技術(shù)。
CMP 裝備主要由拋光頭、拋光盤、修整器、拋光液輸送系統(tǒng)等部分組成，而拋光頭及其壓力控制系統(tǒng)是其中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的部件，是 CMP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)平坦化的基礎(chǔ)和核心。目前國(guó)外最先進(jìn)的 300 mm 晶圓拋光頭采用氣壓方式加載，具有分區(qū)壓力、真空吸附、浮動(dòng)保持環(huán)及自適應(yīng)等功能，十分復(fù)雜。隨著特征尺寸不斷減小和晶圓直徑不斷增加，對(duì) CMP 表面質(zhì)量的要求也越來越高，傳統(tǒng)的單區(qū)壓力拋光頭已無法滿足要求。如果拋光頭能夠?qū)⒕A分成多個(gè)區(qū)域進(jìn)行加載，通過改變施加壓力的大小就可以控制不同區(qū)域的材料去除率。當(dāng)前國(guó)際上高端300 mm晶圓CMP 裝備的拋光頭通常具有三個(gè)壓力分區(qū)。此外，在 45 nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以下，目前的 CMP 裝備(拋光壓力>6.985 kPa)極易造成 Low-k 材料的斷裂、劃傷以及 Low-k 介質(zhì)/銅界面剝離等問題，超低壓力 CMP(<3.448 kPa)將是未來 CMP 裝備和技術(shù)的主要發(fā)展方向。 [3] 在 CMP 過程中拋光頭主要起以下作用：①對(duì)晶圓施加壓力;② 帶動(dòng)晶圓旋轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩;③ 保證晶圓與拋光墊始終貼合良好，不掉片、碎片。此外，在高端 CMP 裝備中拋光頭最好能在不借助外界條件的情況下依靠自身結(jié)構(gòu)夾持晶圓，以提高生產(chǎn)效率。 [3] 分區(qū)壓力拋光頭是衡量 CMP 裝備技術(shù)水平高低的重要因素。其核心思想來自 Preston 模型，根據(jù)該模型。根據(jù) CHEN 等的研究，拋光頭的分區(qū)數(shù)量越多，對(duì)材料去除率的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。但分區(qū)數(shù)量越多意味著其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、研發(fā)難度更大。拋光頭各區(qū)尺寸劃分并無具體要求，即可等分，又可根據(jù)拋光頭的內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。 [3] 為防止晶圓在旋轉(zhuǎn)過程中被甩出，拋光頭必須具有保持環(huán)結(jié)構(gòu)。在 CMP 技術(shù)的發(fā)展歷程中出現(xiàn)過兩種保持環(huán)：固定保持環(huán)和浮動(dòng)保持環(huán)。由于固定保持環(huán)無法避免邊緣效應(yīng)，目前的主流 CMP 裝備均采用了浮動(dòng)保持環(huán)，通過對(duì)浮動(dòng)保持環(huán)施加不同的壓力可以調(diào)節(jié)晶圓與拋光墊的接觸狀態(tài)，從而有效改善邊緣效應(yīng)。 [3] 由于保持環(huán)與拋光墊緊密貼合，必須在保持環(huán)底部設(shè)計(jì)一系列溝槽以引導(dǎo)拋光液順利進(jìn)入晶圓/拋光墊界面。此外，為提高壽命，保持環(huán)需選擇高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨損的聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide, PPS) 或 聚 醚 醚 酮 (Polyetheretherketone, PEEK)等材料。
前面提到拋光頭很重要的一個(gè)功能是夾持晶圓，實(shí)現(xiàn)晶圓在裝卸工位與拋光工位之間的快速、可靠傳輸。在 CMP 技術(shù)的發(fā)展歷程中出現(xiàn)過機(jī)械夾持、石蠟粘接、真空吸盤等多種夾持方式，但以上方式在效率、可靠性、潔凈度等方面已無法滿足高端 CMP 裝備的要求。 多區(qū)拋光頭采用真空吸附方法夾持晶圓，基本原理如圖2所示。首先對(duì)多區(qū)氣囊施加正壓，將氣囊與晶圓之間的空氣擠出，然后利用氣囊不同分區(qū)的正、負(fù)壓組合控制，在氣囊和晶圓之間形成負(fù)壓區(qū)，將晶圓牢固地吸附在拋光頭上。該方法充分利用了拋光頭自身的多區(qū)氣囊結(jié)構(gòu)，具有快速、可靠、無污染等優(yōu)點(diǎn)。
壓力控制系統(tǒng)通過氣壓方式對(duì)拋光頭進(jìn)行壓力控制，其主要功能有：① 對(duì)晶圓和保持環(huán)進(jìn)行壓力加載;② 對(duì)拋光頭抽負(fù)壓以夾持晶圓;③ 檢測(cè)各腔室是否漏氣。 多區(qū)拋光頭的壓力控制原理如圖3所示。拋光頭氣路的主要元件有氣源、減壓閥、電氣比例閥、真空發(fā)生器、真空調(diào)壓閥、兩位三通閥、兩位兩通閥以及壓力傳感器等。拋光頭共有五個(gè)壓力腔室(Z1～Z5)，每個(gè)腔室都具有施加正壓、抽負(fù)壓、通大氣和泄漏檢測(cè)等功能，其中正壓采用全閉環(huán)控制。
CMP 裝備主要由拋光頭、拋光盤、修整器、拋光液輸送系統(tǒng)等部分組成，而拋光頭及其壓力控制系統(tǒng)是其中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的部件，是 CMP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)平坦化的基礎(chǔ)和核心。目前國(guó)外最先進(jìn)的 300 mm 晶圓拋光頭采用氣壓方式加載，具有分區(qū)壓力、真空吸附、浮動(dòng)保持環(huán)及自適應(yīng)等功能，十分復(fù)雜。隨著特征尺寸不斷減小和晶圓直徑不斷增加，對(duì) CMP 表面質(zhì)量的要求也越來越高，傳統(tǒng)的單區(qū)壓力拋光頭已無法滿足要求。如果拋光頭能夠?qū)⒕A分成多個(gè)區(qū)域進(jìn)行加載，通過改變施加壓力的大小就可以控制不同區(qū)域的材料去除率。當(dāng)前國(guó)際上高端300 mm晶圓CMP 裝備的拋光頭通常具有三個(gè)壓力分區(qū)。此外，在 45 nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以下，目前的 CMP 裝備(拋光壓力>6.985 kPa)極易造成 Low-k 材料的斷裂、劃傷以及 Low-k 介質(zhì)/銅界面剝離等問題，超低壓力 CMP(<3.448 kPa)將是未來 CMP 裝備和技術(shù)的主要發(fā)展方向。 [3] 在 CMP 過程中拋光頭主要起以下作用：①對(duì)晶圓施加壓力;② 帶動(dòng)晶圓旋轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩;③ 保證晶圓與拋光墊始終貼合良好，不掉片、碎片。此外，在高端 CMP 裝備中拋光頭最好能在不借助外界條件的情況下依靠自身結(jié)構(gòu)夾持晶圓，以提高生產(chǎn)效率。 [3] 分區(qū)壓力拋光頭是衡量 CMP 裝備技術(shù)水平高低的重要因素。其核心思想來自 Preston 模型，根據(jù)該模型。根據(jù) CHEN 等的研究，拋光頭的分區(qū)數(shù)量越多，對(duì)材料去除率的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。但分區(qū)數(shù)量越多意味著其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、研發(fā)難度更大。拋光頭各區(qū)尺寸劃分并無具體要求，即可等分，又可根據(jù)拋光頭的內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。 [3] 為防止晶圓在旋轉(zhuǎn)過程中被甩出，拋光頭必須具有保持環(huán)結(jié)構(gòu)。在 CMP 技術(shù)的發(fā)展歷程中出現(xiàn)過兩種保持環(huán)：固定保持環(huán)和浮動(dòng)保持環(huán)。由于固定保持環(huán)無法避免邊緣效應(yīng)，目前的主流 CMP 裝備均采用了浮動(dòng)保持環(huán)，通過對(duì)浮動(dòng)保持環(huán)施加不同的壓力可以調(diào)節(jié)晶圓與拋光墊的接觸狀態(tài)，從而有效改善邊緣效應(yīng)。 [3] 由于保持環(huán)與拋光墊緊密貼合，必須在保持環(huán)底部設(shè)計(jì)一系列溝槽以引導(dǎo)拋光液順利進(jìn)入晶圓/拋光墊界面。此外，為提高壽命，保持環(huán)需選擇高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨損的聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide, PPS) 或 聚 醚 醚 酮 (Polyetheretherketone, PEEK)等材料。
前面提到拋光頭很重要的一個(gè)功能是夾持晶圓，實(shí)現(xiàn)晶圓在裝卸工位與拋光工位之間的快速、可靠傳輸。在 CMP 技術(shù)的發(fā)展歷程中出現(xiàn)過機(jī)械夾持、石蠟粘接、真空吸盤等多種夾持方式，但以上方式在效率、可靠性、潔凈度等方面已無法滿足高端 CMP 裝備的要求。 多區(qū)拋光頭采用真空吸附方法夾持晶圓，基本原理如圖2所示。首先對(duì)多區(qū)氣囊施加正壓，將氣囊與晶圓之間的空氣擠出，然后利用氣囊不同分區(qū)的正、負(fù)壓組合控制，在氣囊和晶圓之間形成負(fù)壓區(qū)，將晶圓牢固地吸附在拋光頭上。該方法充分利用了拋光頭自身的多區(qū)氣囊結(jié)構(gòu)，具有快速、可靠、無污染等優(yōu)點(diǎn)。
壓力控制系統(tǒng)通過氣壓方式對(duì)拋光頭進(jìn)行壓力控制，其主要功能有：① 對(duì)晶圓和保持環(huán)進(jìn)行壓力加載;② 對(duì)拋光頭抽負(fù)壓以夾持晶圓;③ 檢測(cè)各腔室是否漏氣。 多區(qū)拋光頭的壓力控制原理如圖3所示。拋光頭氣路的主要元件有氣源、減壓閥、電氣比例閥、真空發(fā)生器、真空調(diào)壓閥、兩位三通閥、兩位兩通閥以及壓力傳感器等。拋光頭共有五個(gè)壓力腔室(Z1～Z5)，每個(gè)腔室都具有施加正壓、抽負(fù)壓、通大氣和泄漏檢測(cè)等功能，其中正壓采用全閉環(huán)控制。
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