化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)精選(九篇)

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第1篇：化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)范文

1.前言

化學(xué)機(jī)械研磨（CMP），又稱化學(xué)機(jī)械拋光，是機(jī)械研磨與化學(xué)腐蝕的組合技術(shù)，它借助超微粒子的研磨作用以及拋光漿料的腐蝕作用，在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的交替過程中去除被拋光介質(zhì)表面上極薄的一層材料，實(shí)現(xiàn)超精密平坦表面加工。CMP技術(shù)是超大規(guī)模集成電路制造過程中的晶片平坦化的一種新技術(shù)，對(duì)集成電路、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展有直接的影響。本文將從專利分析的角度對(duì)晶片CMP技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，為晶片CMP技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供一些建議。

2.晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

2.1 國(guó)外發(fā)展歷程

CMP技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)的首次應(yīng)用始于1988年，由IBM將其應(yīng)用于4MDRAM的制造中，該公司也于1992年申請(qǐng)了晶片CMP技術(shù)的第一份專利。在此之后，經(jīng)過不斷的技術(shù)發(fā)展，CMP技術(shù)在全球范圍內(nèi)有較廣泛的技術(shù)布局，圖1顯示了世界范圍內(nèi)專利申請(qǐng)量。

CMP的研究開發(fā)工作過去主要集中在美國(guó)，隨后發(fā)展至法、德等歐洲國(guó)家，日本在CMP方面發(fā)展很快，并且還從事硅晶片CMP設(shè)備供應(yīng)，我國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)也在CMP方面研究較多。從圖1來(lái)看，其與CMP技術(shù)的研究現(xiàn)狀也比較相符，CMP技術(shù)仍以美國(guó)為主導(dǎo)，日本、歐洲、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的研究能力也在不斷增強(qiáng)。從圖2中可以看出，美國(guó)的CMP技術(shù)布局在2000年左右達(dá)到高峰，此后專利保有量逐漸保持穩(wěn)定的狀態(tài)，而日本、韓國(guó)及中國(guó)（包括臺(tái)灣）則在2006-2008年左右專利申請(qǐng)達(dá)到最高峰，此后有漸漸回落的趨勢(shì)。從圖2中還可反映出各國(guó)家或組織在近年來(lái)專利申請(qǐng)量均呈下降的趨勢(shì)，這也反映了經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，CMP技術(shù)研究逐漸趨于飽和，新的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)可能會(huì)在今后一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

1995年由美國(guó)卡伯特公司在中國(guó)提出第一件涉及晶片化學(xué)機(jī)械研磨的專利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)枮镃N95196473。在此之后，美國(guó)申請(qǐng)人針對(duì)CMP技術(shù)的設(shè)備、材料、工藝等不同的技術(shù)角度進(jìn)行了專利布局。除美國(guó)外，日本及中國(guó)臺(tái)灣在CMP技術(shù)發(fā)展上也較迅速，符合其半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律。

在技術(shù)布局方面，除了專利數(shù)量外，專利布局的時(shí)間也不相同，早期在華專利以國(guó)外申請(qǐng)人為主，如下圖3所示。

從圖3中可看出，國(guó)外申請(qǐng)人在中國(guó)較早的完成了專利布局，建立了技術(shù)壁壘，在2008年以后，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人專利申請(qǐng)數(shù)量則呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，對(duì)晶片CMP技術(shù)逐漸形成了自己的研究成果。經(jīng)過近幾年的努力，國(guó)內(nèi)形成了以清華大學(xué)和中科院為主的教育科研力量，以及以安集微電子、中芯國(guó)際等為主的產(chǎn)業(yè)研究力量，CMP技術(shù)在國(guó)內(nèi)也逐漸成熟。

3. 晶片化學(xué)機(jī)械研磨關(guān)鍵技術(shù)

從目前的研究熱點(diǎn)來(lái)看，該技術(shù)主題可以分為以下幾個(gè)重要的分支。

從技術(shù)的分類看，對(duì)CMP技術(shù)的研究，主要從機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)做出改進(jìn)，在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中，影響晶片終成品表面質(zhì)量的因素是多種多樣的，對(duì)技術(shù)的改進(jìn)點(diǎn)，也由單個(gè)變量的控制，邁向多因素多角度協(xié)同控制的技術(shù)階段。下圖給出了影響CMP系統(tǒng)工藝性能的一些主要因素。

3.1 化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備

傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備由旋轉(zhuǎn)的硅晶片夾持裝置、承載拋光墊的工作臺(tái)和拋光液供給系統(tǒng)三大部分組成。

公開號(hào)為CN102773787A的專利公開了一種化學(xué)機(jī)械研磨系y，其包括晶片研磨單元，研磨液處理單元和研磨后清洗單元。該發(fā)明的創(chuàng)新之處在于將研磨后清洗單元與研磨單元結(jié)合在一起，通過研磨液處理系統(tǒng)萃取研磨液中的堿液，將該堿液用于研磨后清洗單元，有效的節(jié)約了堿液成本。

公開號(hào)為CN1503332A的專利提供了一種帶式研磨裝置，可以消除半導(dǎo)體晶片被研磨面上存在的同心圓的膜厚大于其周邊膜厚的問題，獲得期望的晶片平坦性。

公開號(hào)為CN1816422A的專利，提供了一種具有不同摩擦學(xué)區(qū)的拋光墊，通過調(diào)節(jié)墊摩擦學(xué)和針對(duì)這些被調(diào)節(jié)的不同的區(qū)的選擇，可以獲得晶片局部和整體平坦化。

公開號(hào)為CN1651192A的專利研究了研磨墊的研磨層彈性率與研磨性能之間的關(guān)系，當(dāng)研磨層的彈性率在200MPa-1GPa時(shí)，研磨效果最佳，如果彈性率過高，容易在半導(dǎo)體晶片上產(chǎn)生劃痕。

公開號(hào)為CN103252721A的專利提供了一種研磨墊的清潔裝置，其在研磨墊上方布置多圈扇形的噴嘴，采用兆頻超聲波以及高壓的去離子水和氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)研磨墊的沖洗。

公開號(hào)為WO2004/112091A2的專利公開了一種真空輔助墊清理系統(tǒng)，經(jīng)由研磨清理盤中的多個(gè)孔洞，將清洗劑施加到拋光墊表面部分，施加真空，抽出藥劑、研磨殘留物和拋光液；同時(shí)，還可通過孔洞將中和劑施加到拋光墊的表面部分，實(shí)現(xiàn)拋光液化學(xué)組分的中和。

3.2 化學(xué)機(jī)械研磨磨料

研磨磨料是CMP技術(shù)中的重要分支，對(duì)磨料的選擇和改進(jìn)，對(duì)CMP技術(shù)的精度有非常大的影響。通常，對(duì)磨料的改進(jìn)選擇從磨料材料、粒子粒度、制造工藝等方面著手。

公開號(hào)為WO96/16436A的專利公開了一種基礎(chǔ)性的化學(xué)機(jī)械研磨漿料，該漿料包括磨料顆粒，高鐵鹽氧化物以及懸浮劑。其中磨料顆粒平均直徑小于0.4μm，偏差小于25%。

公開號(hào)為CN1739915A的專利公開了一種新型拋光墊，首次采用環(huán)氧樹脂固化物作為固結(jié)磨料的基體材料，利用環(huán)氧樹脂的耐磨性，化學(xué)穩(wěn)定性及使用不同的固化劑可以得到性能各異材料的特點(diǎn)，使固結(jié)磨料具備優(yōu)良的耐磨性和柔韌性，提高了耐磨效率。

公開號(hào)為CN104357012A的專利申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N新型無(wú)機(jī)磨料的制備方法，將同素異構(gòu)的球形氧化硅微球作為磨料，降低磨粒在晶片表面的壓痕深度，進(jìn)而減少晶片表面的機(jī)械損傷。

3.3 化學(xué)機(jī)械研磨工藝

在CMP技術(shù)中，對(duì)研磨殘留物的處理一直是研究熱點(diǎn)之一。公開號(hào)為CN103128649A的專利申請(qǐng)公開了一種能減少殘余漿料的化學(xué)機(jī)械研磨方法，該方法從晶片中央?yún)^(qū)域向邊緣區(qū)域方向研磨，在研磨的同時(shí)不斷使用去離子水不斷沖洗晶片表面。

公開號(hào)為JP特開2004-363252A的專利公開了一種檢測(cè)晶片研磨表面溫度的方法，在晶片上方沿研磨盤徑向方向設(shè)置多個(gè)熱電偶，通過測(cè)量晶圓不同半徑尺寸的研磨溫度，判斷該半徑尺寸處的研磨率，將該參數(shù)反饋至調(diào)整系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)晶片研磨過程中的調(diào)節(jié)。

4. 晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)前景預(yù)測(cè)

4.1 當(dāng)前存在的技術(shù)缺陷和現(xiàn)狀

從當(dāng)前的CMP技術(shù)專利分析來(lái)看，國(guó)內(nèi)的技術(shù)研究力量還偏薄弱，尤其是針對(duì)專利技術(shù)質(zhì)量而言，國(guó)內(nèi)已公開的CMP技術(shù)專利也更偏向于CMP技術(shù)基礎(chǔ)性和較窄領(lǐng)域內(nèi)的研究，沒有對(duì)CMP技術(shù)的各個(gè)理論點(diǎn)進(jìn)行深入的分析，也難以從整個(gè)CMP系統(tǒng)方面完整的闡述工藝、設(shè)備、材料等各個(gè)變量之間的相互協(xié)同關(guān)系對(duì)CMP加工精度的影響。

從技術(shù)的發(fā)展看，前關(guān)于CMP技術(shù)的專利申請(qǐng)呈逐年減少的趨勢(shì)，對(duì)于CMP新技術(shù)的研究處于瓶頸的狀態(tài)，對(duì)固結(jié)磨料研磨技術(shù)等新的技術(shù)點(diǎn)難于取得突破性的研究。

4.2 晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

從現(xiàn)有技術(shù)的分析來(lái)看，固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械研磨（FA-CMP）將成為未來(lái)集成電路芯片加工的主要技術(shù)，該技術(shù)與游離磨料化學(xué)機(jī)械研磨相比具有研磨效率高，研磨墊變形小，研磨具有選擇性、減少磨料用量，便于清洗等優(yōu)點(diǎn)。在未來(lái)的一段時(shí)間，固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)可能成為新的研究熱點(diǎn)，對(duì)固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理的研究，微粉磨料的選擇以及其與研磨墊的結(jié)合，研磨過程中溫度測(cè)量等技術(shù)領(lǐng)域有可能成為未來(lái)新的發(fā)展方向。

總結(jié)

第2篇：化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)范文

【關(guān)鍵詞】精密加工 傳感測(cè)量 技術(shù)

在先進(jìn)制造技術(shù)中，精密加工是重要的技術(shù)構(gòu)成部分。大多數(shù)的大型系統(tǒng)為了擴(kuò)展功能和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，都需要應(yīng)用到精密加工和測(cè)量技術(shù)。特別是近年來(lái)，在精密加工中應(yīng)用到了各種新技術(shù)，促進(jìn)了精密加工技術(shù)的快速發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用精密加工和傳感測(cè)量技術(shù)，能夠極大地提升生產(chǎn)效率。因此，精密加工和測(cè)量技術(shù)有著巨大的實(shí)用意義。

1 精密加工技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

1.1 精密加工技術(shù)介紹

所謂精密加工技術(shù)，實(shí)際上就是將加工誤差、表面粗糙度控制在允許的范圍的一種技術(shù)。超精密加工技術(shù)誤差和表面粗糙度要更為嚴(yán)格。精密加工技術(shù)主要包括精整加工、光整加工、超微細(xì)加工和微細(xì)加工等。

微細(xì)加工技術(shù)，就是用來(lái)進(jìn)行為小尺寸零件制造的技術(shù)。主要是制造一些集成電路等，因?yàn)槌叽缥⑿?，所以通過尺寸額絕對(duì)值進(jìn)行誤差表示。

光整加工主要是為了提升表面層的力學(xué)機(jī)械性質(zhì)和縮小表面的粗糙度的加工方式，對(duì)于加工誤差相對(duì)不夠重視。這些加工方式不僅可以降低誤差，還能提升表面質(zhì)量。

1.2 精密加工技術(shù)的特點(diǎn)和方法

按照加工方式的機(jī)理特點(diǎn)，能夠?qū)⑵浞譃槿N方式，分別是變形加工、去除加工和結(jié)合加工。去除加工實(shí)際上就是將工件上的一部分材料去除掉。加工方式基本可以分為：磁粒光整、超精研拋技術(shù)、精細(xì)磨削、超精細(xì)切削、砂帶磨削、布輪拋光、蝕刻、電解加工和電火花加工等。實(shí)際上，砂帶磨削就是使用混紡布，這些混紡布粘有磨料，加工工件。具有適用范圍廣、表面質(zhì)量好和生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。而精密磨削就是利用單晶的金剛石道具和高精密機(jī)床實(shí)施切削加工，基本上應(yīng)用于軟金屬加工。超精密磨削則是在精密磨床上利用修整精確的砂輪實(shí)施微量磨削加工。變形加工，實(shí)際上就是利用分子、力和熱運(yùn)動(dòng)使工件出現(xiàn)變形，使其性能、尺寸和形狀發(fā)生改變。

按照理化方式的不同，可以分為連接、注入和附著三種。所謂附著加工，就是將一層物質(zhì)覆蓋在工件表面，例如，鍍加工方式等。諸如加工就是將某些元素注入到工件表面，從而發(fā)生物化反應(yīng)。連接加工就是通過物化方式將兩種材料連接起來(lái)的方法。

結(jié)合傳統(tǒng)、特點(diǎn)與機(jī)理可以分為三種，分別是復(fù)合加工、非傳統(tǒng)加工和傳統(tǒng)加工。傳統(tǒng)加工可以分為游離磨料、固結(jié)磨料和道具切削加工的方法。實(shí)際上，非傳統(tǒng)加工就是運(yùn)用核能、化學(xué)能、光能、聲能、磁能和電能等進(jìn)行處理和加工。而復(fù)合加工則是結(jié)合多種加工方式，綜合發(fā)生的復(fù)合作用，相輔相成、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

2 精密傳感測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，是一種綜合性學(xué)科，主要包括了計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造、圖像、傳感器、電子以及光學(xué)等，與緊密加工技術(shù)是相互補(bǔ)充、相輔相成的。測(cè)量技術(shù)為精密加工提供檢測(cè)和評(píng)價(jià)方式，精密加工為測(cè)量技術(shù)提供有效地保障。結(jié)合科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳感測(cè)量技術(shù)也發(fā)生了巨大的改變，傳統(tǒng)的方式已經(jīng)難以滿足發(fā)展要求，一系列應(yīng)用了高新技術(shù)的測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，下面將進(jìn)行詳細(xì)的介紹：

2.1 雙頻激光干涉儀

這種儀器具有測(cè)量范圍大、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，所以在測(cè)量位置控制反饋元件和測(cè)量超精密機(jī)床相關(guān)作位置中得到了大量的應(yīng)用。但是激光測(cè)量，空氣折射率影響著準(zhǔn)確度，空氣折射率和二氧化碳含量、壓力、溫度和濕度等有著密切的關(guān)系。干涉儀在空氣中補(bǔ)償和休整光路，能夠?qū)⒄`差縮小。但是這種測(cè)量方式，受環(huán)境影響較大，因此在加工生產(chǎn)機(jī)床的時(shí)候，要求比較苛刻，很難滿足其工作要求。

2.2 X射線干涉技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，顯微測(cè)量X射線干涉技術(shù)得到了快速的發(fā)展，具有較大的測(cè)量范圍，比較容易實(shí)現(xiàn)一些納米級(jí)別的測(cè)量。SPM基礎(chǔ)上的相關(guān)觀測(cè)技術(shù)基本上只能提供納米級(jí)別的分辨力，但是對(duì)于表面結(jié)構(gòu)并不能夠給出精確的納米尺寸。X射線掃描干涉測(cè)量技術(shù)，是一種新型測(cè)量技術(shù)，其十納米誤差的測(cè)量基本單位是單晶硅上的晶面間距。另外，由于X射線波長(zhǎng)要小于常規(guī)的可見光波波長(zhǎng)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，很大程度上能夠達(dá)到0.01納米的測(cè)量分辨力。與其他方式相比，這種測(cè)量方式對(duì)于環(huán)境的要求不高，并且具有較好的測(cè)量穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，有著很大的應(yīng)用潛力。

2.3 顯微掃描測(cè)量技術(shù)

在對(duì)表面的尺寸和微觀形貌進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，可以應(yīng)用這種測(cè)量技術(shù)?；驹砭褪峭ㄟ^極小探針來(lái)掃描被測(cè)表面。通過納米級(jí)別的定位三維控制系統(tǒng)，能夠測(cè)出表面微觀立體情況。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用精密加工和傳感測(cè)量技術(shù)，對(duì)于提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，有著至關(guān)重要的作用?？茖W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，加工技術(shù)和測(cè)量技術(shù)取得了快速的發(fā)展。精密加工技術(shù)與測(cè)量技術(shù)是相互促進(jìn)、相輔相成的。在工業(yè)生產(chǎn)中，二者缺一不可。在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)該結(jié)合具體情況，選擇最適合的精密加工技術(shù)與測(cè)量技術(shù)，每種加工技術(shù)都有著自身的優(yōu)勢(shì)和不足，這就需要進(jìn)行合理慎重的選擇?？偠灾?，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，精密加工技術(shù)和傳感測(cè)量技術(shù)依然在不斷地發(fā)展完善著，從而為工業(yè)生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，提升生產(chǎn)力水平。

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第3篇：化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；流場(chǎng)；溫度場(chǎng)；無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)；影響因素

數(shù)值模擬方法是研究工程領(lǐng)域傳熱與流動(dòng)問題的有效手段，能夠直觀且準(zhǔn)確地表現(xiàn)內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)特征，但數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性卻由很多因素決定。本文以某無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)數(shù)值模擬為例，重點(diǎn)就物理模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分及質(zhì)量控制、收斂標(biāo)準(zhǔn)等幾個(gè)影響因素進(jìn)行研究，以取得更為準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果。隨著計(jì)算技術(shù)及方法的發(fā)展，近年來(lái)，利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行設(shè)備、零部件通風(fēng)冷卻計(jì)算受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。2015年，日本學(xué)者Y.Taniyama等研究人員提出新的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，并通過數(shù)值模擬計(jì)算驗(yàn)證了流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。2020年，國(guó)內(nèi)學(xué)者路義萍等人采用有限體積法對(duì)熱流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定了峰值溫度位置[2]。本文是基于有限體積法對(duì)無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部數(shù)值模擬準(zhǔn)確性影響因素進(jìn)行了分析，為工程實(shí)際夯實(shí)了理論基礎(chǔ)。

1物理及數(shù)學(xué)模型建立

1.1物理模型

本文利用Gambit軟件，首先選取無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)物理屬性不同的各組及其組合件的幾何結(jié)構(gòu)圖形，考慮到整機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性及流場(chǎng)周期性，選取1/2整機(jī)作為研究對(duì)象，然后通過布爾運(yùn)算得到關(guān)于計(jì)算域內(nèi)空氣區(qū)及固體區(qū)的三維物理模型，如圖1所示。

1.2數(shù)學(xué)模型

假設(shè)：無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)內(nèi)流體為不可壓縮流體（ρ=c），空氣流動(dòng)處于湍流流動(dòng)狀態(tài)（Re＞2320）。在旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下，建立三維流動(dòng)與傳熱穩(wěn)態(tài)控制方程，其中轉(zhuǎn)子、整流盤部分采用的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)控制方程組，包括質(zhì)量守恒方程式及動(dòng)量守恒方程式、能量守恒方程式[2]。?（ρuT）=?（ГgradT）+ST（1）式中：?為散度；ρ為密度；u為絕對(duì)速度矢量；T為溫度；Г為擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)于轉(zhuǎn)子線圈，Г=λ/cp，λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，cp為定壓比熱；ST為單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與定壓比熱cp的比值。勵(lì)磁機(jī)除轉(zhuǎn)子、整流盤外的其他部分位于三維固定直角坐標(biāo)系中，描述湍流問題的控制方程組也包括質(zhì)量、動(dòng)量與能量守恒方程及標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型[3]。

2數(shù)值模擬準(zhǔn)確性影響因素分析

2.1物理模型簡(jiǎn)化

如果無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)整機(jī)模型完全按照實(shí)體建模，實(shí)物機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且網(wǎng)格劃分質(zhì)量不高，需要對(duì)物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。（1）首先，簡(jiǎn)化對(duì)風(fēng)路無(wú)影響、不發(fā)熱的固體部件群體。簡(jiǎn)化中要遵循大部件附屬零部件簡(jiǎn)化同體的原則，做到與固體部件外形一致，從而簡(jiǎn)化建模難度。以整流盤為例，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。整流盤由盤體、二極管、配重塊、定位螺栓、導(dǎo)電環(huán)裝配、連接片、過線、六角頭螺栓、壓敏電阻等組成，按實(shí)際結(jié)構(gòu)建模較復(fù)雜，此處無(wú)熱源項(xiàng)，其小部件的材料可以按照大部件材料屬性賦值。（2）其次，簡(jiǎn)化對(duì)風(fēng)路有微弱影響、不發(fā)熱的不規(guī)則部件。結(jié)構(gòu)不規(guī)則將導(dǎo)致網(wǎng)格劃分極為復(fù)雜，需遵循用相似體來(lái)代替的原則。由圖3可知，簡(jiǎn)化部件網(wǎng)格劃分質(zhì)量更高。（3）最后，簡(jiǎn)化對(duì)風(fēng)路影響微弱但有熱源的部件。如圖4所示，圖（a）為線棒實(shí)體圖，圖（b）為簡(jiǎn)化后的模型圖，這種簡(jiǎn)化比較復(fù)雜，需要多次嘗試，找到最接近實(shí)體的簡(jiǎn)化模型。

2.2網(wǎng)格質(zhì)量

本文所采用的網(wǎng)格劃分軟件是CFD的專業(yè)前處理軟件Gambit，是基于有限體積法的前處理軟件。最常用的網(wǎng)格質(zhì)量度量參數(shù)包括扭角（Skewangle）、縱橫比（Aspectratio）以及弧長(zhǎng)（Arclength）等，通過計(jì)算、檢查這些參數(shù)，可以定性或者定量地對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判[4]。（1）網(wǎng)格劃分要確定模型中組件的最大和最小尺寸，為網(wǎng)格劃分尺寸提供參考。（2）小尺寸的區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量要足夠。無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)氣隙處的寬度僅為3mm，但是作為連接定子和轉(zhuǎn)子的空氣區(qū)域，節(jié)點(diǎn)數(shù)必須在3個(gè)以上，否則會(huì)影響到風(fēng)路的走向。（3）網(wǎng)格質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響最終的計(jì)算結(jié)果。如圖5所示，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.97，計(jì)算得到溫度-115℃，明顯是錯(cuò)誤的，因此在劃分網(wǎng)格的過程中要保證網(wǎng)格質(zhì)量，這是Fluent模擬最關(guān)鍵的一步，也是比較容易出錯(cuò)的一步。

2.3粘性耗散項(xiàng)

能量方程中包含熱傳導(dǎo)、組分?jǐn)U散、粘性耗散引起的能量轉(zhuǎn)移，粘性耗散項(xiàng)表示流動(dòng)過程中由于粘性剪切作用產(chǎn)生的熱量。本文所使用的模型是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的部件耦合的流場(chǎng)，隨著部件高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的空氣和相對(duì)靜止的空氣之間產(chǎn)生粘性剪切作用。對(duì)于粘性耗散項(xiàng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)Br接近或大于1時(shí)[5]，流體圖2整流盤簡(jiǎn)化模型圖3轉(zhuǎn)軸模型簡(jiǎn)化圖粘性生成的熱量不可忽視：在本文溫度場(chǎng)中，不考慮粘性耗散項(xiàng)時(shí)計(jì)算域中的最大溫度為103℃，考慮粘性耗散項(xiàng)時(shí)計(jì)算域的溫度達(dá)到了113℃，兩者相差10℃，因此需要考慮粘性耗散項(xiàng)的影響。

2.4殘差因子

Fluent默認(rèn)收斂標(biāo)準(zhǔn)是除能量方程的相對(duì)殘差值外，當(dāng)所有變量的相對(duì)殘差值都降到低于10-3～10-6時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂[6]；在無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)流場(chǎng)計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)算步數(shù)在1000步時(shí)殘差值都降到低于10-3，此時(shí)還不足以收斂，還要監(jiān)測(cè)流場(chǎng)中速度、壓力、溫度變化情況，趨于平衡時(shí)即可認(rèn)為是收斂。

3結(jié)論

本文通過對(duì)無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)三維湍流流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，要獲得比較準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果必須做到以下幾點(diǎn)：（1）建立準(zhǔn)確的物理模型，物理模型的簡(jiǎn)化要對(duì)不同部件區(qū)別對(duì)待。（2）獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、風(fēng)路復(fù)雜的位置網(wǎng)格相對(duì)要密集，風(fēng)路走向簡(jiǎn)單的區(qū)域網(wǎng)格要稀疏，做到合理布置不同線上節(jié)點(diǎn)。（3）邊界條件設(shè)置要正確，尤其是對(duì)于本文所述勵(lì)磁機(jī)來(lái)說(shuō)，收斂的判斷更為重要。

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第4篇：化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：集成電路；電鍍；磷銅；陽(yáng)極；

中圖分類號(hào)：TQ153.1

Phosphorized Copper Anode in ULSI and studies on related problems

GAO Yan1,2，WANG Xin-ping1,2，HE Jing-jiang1,2，LIU Hong-bin1,2，JIANG Xuan1,2，JIANG Yu-hui1,2

（General Research Institute for Non-ferrous Metals, Beijing 100088，China）

（GRIKIN Advanced Materials Co., Ltd., Beijing 102200，China）

Abstract: With the development of semiconductor technology, copper interconnect is popular technology in VLSI. Damascence process is used to plate copper. The phosphorized copper anode plays an important role in plating solution. The article analyzes the Influence factors of plating quality which is the content of phosphor and oxygen, purity and grain size.

Key words: IC；plating；phosphorized copper；anode

1 前言

電鍍銅層因其具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械延展性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電子信息產(chǎn)品領(lǐng)域，電鍍銅技術(shù)也因此滲透到了整個(gè)電子材料制造領(lǐng)域，從印制電路板（PCB）制造到IC 封裝，再到大規(guī)模集成線路（芯片）的銅互連技術(shù)等電子領(lǐng)域都離不開它，因此電鍍銅技術(shù)已成為現(xiàn)代微電子制造中必不可少的關(guān)鍵電鍍技術(shù)之一。大規(guī)模集成電路中廣泛采用電鍍銅工藝，制備銅互聯(lián)線。因此銅的電鍍工藝，以及電鍍陽(yáng)極的選擇越來(lái)越成為集成電路行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 集成電路的電鍍銅工藝及磷銅陽(yáng)極

2.1 集成電路的電鍍銅工藝

在大規(guī)模集成電路行業(yè)中，由于銅的刻蝕非常困難,因此銅互連采用雙嵌入式工藝,即雙大馬士革工藝（Dual Damascene）。該工藝是在刻好的溝槽內(nèi)先濺射擴(kuò)散阻擋層和銅種籽層, 然后通過電沉積（電鍍）的方法在溝槽內(nèi)填充銅,最后采用CMP（ 化學(xué)機(jī)械拋光） 的方法實(shí)現(xiàn)平坦化（圖1）。

電鍍銅是完成銅填充的主要工藝（圖1中③），該工藝要求在制備超微結(jié)構(gòu)刻槽的銅連線過程中電鍍銅必須具有很高的凹槽填充能力，因此就對(duì)電鍍過程中的電鍍陽(yáng)極，電鍍液，有機(jī)添加劑等的要求很高，特別是電鍍用磷銅陽(yáng)極的要求就更高。

集成電路用磷銅陽(yáng)極通常是由高純磷銅合金構(gòu)成；銅電鍍液通常由硫酸銅、硫酸和水組成。在電鍍?nèi)芤褐?當(dāng)電源加在帶有銅種子層的硅片（ 陰極） 和磷銅（ 陽(yáng)極） 之間時(shí), 溶液中產(chǎn)生電流并形成電場(chǎng)。然后，磷陽(yáng)極的銅發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化成銅離子和電子,同時(shí)陰極也發(fā)生反應(yīng),陰極附近的銅離子與電子結(jié)合形成鍍?cè)诠杵砻娴你~,銅離子在外加電場(chǎng)的作用下,由陽(yáng)極向陰極定向移動(dòng)并補(bǔ)充陰極附近的濃度損耗,如圖2所示。電鍍的主要目的是在硅片上沉積一層致密、無(wú)孔洞、無(wú)縫隙和其它缺陷、分布均勻的銅。電鍍后的表面應(yīng)盡可能平坦, 以減少后續(xù)CMP 工藝中可能出現(xiàn)的凹坑和腐蝕問題[1]。

2.2 電鍍銅工藝為何使用磷銅陽(yáng)極

在早期的電鍍過程中，采用的是純銅作為陽(yáng)極，由于電鍍液中含有硫酸，使得純銅陽(yáng)極在電鍍液中溶解很快，導(dǎo)致電鍍液中的銅離子迅速累積，失去平衡。另一方面純銅陽(yáng)極在溶解時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量一價(jià)銅離子，它在鍍液中很不穩(wěn)定，通過歧化反應(yīng)分解成為二價(jià)銅離子和微粒金屬銅，在電鍍過程中很容易在鍍層上面成為毛刺。為消除陽(yáng)極一價(jià)銅的影響，人們最早使用陽(yáng)極袋，但很快便發(fā)現(xiàn)泥渣過多妨礙了鍍液的循環(huán)。后改用無(wú)氧高導(dǎo)電性銅陽(yáng)極（OFHC），雖然泥渣減少了，但仍不能阻止銅金屬微粒的產(chǎn)生，于是又采用定期在鍍液中加入雙氧水使一價(jià)銅氧化成二價(jià)銅，但此法在化學(xué)反應(yīng)中要消耗一部分硫酸，導(dǎo)致鍍液中的硫酸質(zhì)量濃度下降，必須及時(shí)補(bǔ)充，同時(shí)又要補(bǔ)充被雙氧水氧化而損耗的光亮劑，增加了電鍍成本。

1954年美國(guó)Nevers等人[2]在純銅中加入少量的磷作陽(yáng)極時(shí)，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極表面生成一層黑色膠狀膜（Cu3P），在電鍍時(shí)陽(yáng)極溶解幾乎不產(chǎn)生銅粉，泥渣極少，零件表面銅鍍層不會(huì)產(chǎn)生毛刺。這是由于含磷銅陽(yáng)極的黑色膜具有導(dǎo)電性能，其孔隙又不影響銅離子自由通過，加快了一價(jià)銅的氧化，阻止了一價(jià)銅的積累，大大地減少了鍍液中一價(jià)銅離子；同時(shí)又使陽(yáng)極的溶解與陰極沉積的效率漸趨接近，保持了鍍銅液中銅含量平衡。美國(guó)福特汽車公司使用這種含磷銅陽(yáng)極的經(jīng)驗(yàn)證明既保證了鍍銅層質(zhì)量，又節(jié)約電鍍光亮劑了20％，降低了成本。從此以后，磷銅陽(yáng)極在酸性鍍銅行業(yè)中被廣泛采用了，然后又逐漸被集成電路行業(yè)大規(guī)模使用。

3 影響集成電路

用磷銅陽(yáng)極性能的主要因素

影響集成電路用磷銅陽(yáng)極性能的主要因素有：磷含量，原料銅的純度，氧含量和晶粒尺寸。

3.1 磷銅陽(yáng)極的磷含量

磷能夠賦予銅陽(yáng)極優(yōu)良的電化學(xué)性能。添加磷元素后，銅陽(yáng)極表面生成一層具有特殊性能的黑色陽(yáng)極膜。保加利亞學(xué)者Rashkov等人[3]研究了這種陽(yáng)極表面黑色膜，主要成分是Cu3P，其具有金屬導(dǎo)電性能，這樣就解釋了黑色膜不會(huì)使陽(yáng)極鈍化的原因。他們認(rèn)為磷的作用在于含磷銅陽(yáng)極溶解時(shí)產(chǎn)生的一價(jià)銅生成Cu3P，從而阻止了歧化反應(yīng)的產(chǎn)生。

陽(yáng)極中磷的含量應(yīng)該保持適當(dāng)，磷含量太低，陽(yáng)極黑膜太薄，不足以起到保護(hù)作用；含磷量太高，陽(yáng)極黑膜太厚，導(dǎo)致陽(yáng)極屏蔽性鈍化，影響陽(yáng)極溶解，使鍍液中銅離子減少；無(wú)論含磷量太低或太高都會(huì)增加添加劑的消耗。

關(guān)于集成電路用磷銅陽(yáng)極中磷的含量，根據(jù)所采用的加工工藝，以及生產(chǎn)技術(shù)水平不同，各研究學(xué)者的意見也不同，如表1所示。

陽(yáng)極的磷含量國(guó)內(nèi)多為0.1-0.3%，主要是由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備和工藝落后，攪拌不均勻，不能保證磷元素在陽(yáng)極內(nèi)部的分布均勻，因此只能夠加入過量的磷來(lái)保證元素分布。國(guó)外的研究表明，磷銅陽(yáng)極中的磷含量達(dá)到0.005%以上時(shí)，既有黑膜形成，但是膜過薄，結(jié)合力不好。但是當(dāng)磷含量超過0.8%時(shí)，磷含量又過高，黑膜太厚陽(yáng)極泥渣太多，陽(yáng)極溶解性差，導(dǎo)致鍍液中銅含量下降。因此，陽(yáng)極磷含量以0.030－0.075%為佳，最佳為0.035－0.070%。國(guó)外采用電解或無(wú)氧銅和磷銅合金做原料，用中頻感應(yīng)電爐熔煉，原料純度高，磷含量容易控制。采用中頻感應(yīng)，磁力攪拌效果好，銅磷熔融攪拌均勻，自動(dòng)控制，這樣制造的銅陽(yáng)極磷分布均勻，溶解均勻，結(jié)晶細(xì)致，晶粒細(xì)小，陽(yáng)極利用率高，有利于鍍層光滑光亮，減少了毛刺和粗糙缺陷[2]。

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隨著大規(guī)模集成電路引入酸性電鍍銅技術(shù)的發(fā)展，晶圓上的更細(xì)線寬、更小孔徑、線路的密集化和多層化對(duì)銅鍍層的要求就越來(lái)越嚴(yán)格。鍍層的硬度、晶粒的精細(xì)、小孔分散能力以及鍍層的延展性等物理化學(xué)特性要求磷銅陽(yáng)極的質(zhì)量更加的精細(xì)。同時(shí)由于電鍍槽的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和各性能參數(shù)的SPC控制，要求磷銅陽(yáng)極的穩(wěn)定性就越來(lái)越高。目前國(guó)際上主流集成電路用磷銅陽(yáng)極的磷含量通常要求為0.04－0.065%，這樣減少了磷元素的波動(dòng)，使得電鍍陽(yáng)極的物理化學(xué)參數(shù)波動(dòng)更加小，更加可控。但是，這對(duì)熔煉、鍛造等加工工藝的要求也就更高了。目前對(duì)于裝備精良，工藝設(shè)計(jì)穩(wěn)定的現(xiàn)代化加工企業(yè)來(lái)說(shuō)，是完全有能力將集成電路用磷銅陽(yáng)極的磷含量控制在0.04－0.065%的。

3.2 磷銅陽(yáng)極的純度

對(duì)于每一種陽(yáng)極，電鍍公司都希望陽(yáng)極是由高純銅制備而來(lái)的，但是往往受到價(jià)格和產(chǎn)品要求等因素的影響。常規(guī)的磷銅陽(yáng)極都是采用電解銅、無(wú)氧銅和磷銅合金來(lái)制備的。無(wú)氧銅的含氧量為3ppm，雜質(zhì)極少。由于氧含量極低且固定，因此基本不產(chǎn)生磷的氧化物，基本不消耗磷，所以磷含量很容易控制，電解銅的純度一般為99.95%,雜質(zhì)含量也很少，也容易控制，所以國(guó)內(nèi)外不少?gòu)S家采用電解銅為原料。但是，制備磷銅陽(yáng)極一定不能采用雜銅或回收銅為原料，因?yàn)榛厥盏膹U銅內(nèi)部雜質(zhì)種類很多，往往含有過量的鐵、鎳、錫和銀等元素，這些元素過多將污染陽(yáng)極，從而影響電鍍效果。同時(shí)，由于氧含量不確定而含磷量又加得少，造成磷含量失控，嚴(yán)重者導(dǎo)致電鍍報(bào)廢。

對(duì)于集成電路用磷銅陽(yáng)極來(lái)說(shuō)，由于使用的環(huán)境更加苛刻，要求的電鍍效果更加精細(xì)，就要求陽(yáng)極通常都是由高純銅（銅含量大于99.99%）來(lái)制備的。這樣才能夠保證后續(xù)加入磷銅中間合金不會(huì)明顯影響雜質(zhì)含量，滿足集成電路電鍍的要求。表2列出了國(guó)內(nèi)的幾家主要的磷銅陽(yáng)極生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品和集成電路用磷銅陽(yáng)極對(duì)于雜質(zhì)含量的要求。如表2可知，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家在雜質(zhì)含量的控制上各有不同，但都無(wú)法滿足集成電路用磷銅陽(yáng)極的要求。集成電路用磷銅陽(yáng)極相較與普通陽(yáng)極，要求控制的雜質(zhì)種類更多，更加苛刻。對(duì)于銅原料純度的要求要高出普通陽(yáng)極至少一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

3.3 磷銅陽(yáng)極的晶粒尺寸

隨著集成電路封裝和晶圓電鍍銅的發(fā)展，除了要求電鍍過程中形成一層致密、均勻、無(wú)空洞和無(wú)縫隙的銅鍍層外，還要求通過電鍍來(lái)解決高厚徑比結(jié)構(gòu)、微通孔和多層通孔電鍍的問題。這就要求磷銅陽(yáng)極的晶粒尺寸要細(xì)小均勻，同時(shí)磷含量分布均勻。因?yàn)橹挥羞@樣才能保證黑色的Cu3P鍍膜均勻，從而保證在相同電流和酸性環(huán)境條件下，Cu2+ 的電離以及結(jié)合均勻，形成均一的鍍膜。

Kenji Yajima[10] 等人認(rèn)為電鍍陽(yáng)極的晶粒尺寸和大小在電鍍過程中對(duì)黑膜的影響很大，但它最好為再結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這樣方便黑膜的形成。小的晶粒尺寸無(wú)疑是最優(yōu)的模式，特別是晶粒尺寸小于10μm是最優(yōu)的尺寸，但是考慮到成本的因素，平均晶粒尺寸在10－50μm都是比較好的。再結(jié)晶后平均晶粒尺寸如果超過50μm，陽(yáng)極表面形成的黑膜趨向于分離。因此最優(yōu)的晶粒尺寸應(yīng)為15－35μm。

圖3顯示了不同晶粒尺寸的集成電路用磷銅陽(yáng)極的微觀組織照片。由于磷的質(zhì)量百分含量都約為0.05%左右，因此磷元素都以固溶的形態(tài)存在于基體中。晶界上沒有明顯的第二相或其它組織，因此是典型的純銅微觀組織結(jié)構(gòu)。在圖3（a）中可以看到不同的晶粒尺寸，有的很小約幾微米，有的很大約幾百微米，這樣的組織結(jié)構(gòu)是非常不均勻的，可能導(dǎo)致富含在晶內(nèi)或晶界的P元素分布很不均勻，從而導(dǎo)致在電鍍過程中Cu3P黑膜的膜厚不均勻，影響電鍍效果，因此這樣的組織是要盡量避免的。圖（b）和圖（c）的平均晶粒尺寸分別為10μm和42μm，而且從金相組織照片看，晶粒分布均勻，方向隨機(jī)，這樣的組織使得P元素的分布均勻，Cu3P黑膜的膜厚均勻，電鍍效果會(huì)非常好。圖（d）的晶粒尺寸約為158μm，由于晶粒過大，很容易引起Cu3P黑膜不夠致密，這樣使得Cu2+ 的電離速度不相同，引起鍍層不夠致密，厚度不夠均勻，此類組織也不是最佳的組織結(jié)構(gòu)。

在制備磷銅陽(yáng)極的過程中，由于通常都采用的高純銅進(jìn)行熔煉，在凝固過程中，由于雜質(zhì)含量少，往往形成大晶粒尺寸的磷銅鑄錠。然后，再通過塑性變形和熱處理結(jié)合的方法來(lái)細(xì)化晶粒尺寸，以滿足集成電路行業(yè)的要求。

3.4 磷銅陽(yáng)極中的含氧量

磷銅陽(yáng)極中本身不希望含有大量的氧，因?yàn)楫?dāng)氧含量高時(shí)，極易生產(chǎn)Cu2O和CuO的兩種化合物，會(huì)導(dǎo)致Cu2O和CuO分布于晶界處，分布不均勻，影響電鍍效果。由于含氧量的不均勻，會(huì)導(dǎo)致磷銅陽(yáng)極電解時(shí)產(chǎn)生陽(yáng)極鈍化，使得陽(yáng)極失去了原有的特性，電鍍平衡破壞，影響電鍍質(zhì)量。因此，專利[10]認(rèn)為，如果O含量高于2ppm, 電極表面的黑膜，很容易受到破壞，而O含量小于0.1ppm時(shí)，從生產(chǎn)的角度和成本控制的角度來(lái)說(shuō)，都過高。因此集成電路用磷銅陽(yáng)極的氧含量在0.1－2ppm比較合適，最優(yōu)的氧含量為0.4-1.2ppm.

4 結(jié)論和展望

采用雙大馬士革工藝（Dual Damascene）制備的集成電路互連線要求的磷銅陽(yáng)極必須具備如下條件：① 磷元素的含量在0.04%－0.065%，且分布均勻。②制備的磷銅陽(yáng)極的高純銅原料至少保證純度大于99.99%。③磷銅陽(yáng)極的最佳晶粒尺寸為小于50微米，且晶粒尺寸均勻無(wú)分層。④磷銅陽(yáng)極的含氧量在0.4-1.2ppm為佳。

集成電路互連線用磷銅陽(yáng)極的研究正在朝著大尺寸、長(zhǎng)壽命和低消耗的方向發(fā)展。還有很多方面都有待研究：如何通過合理的熔煉方式、冷卻方式和熱處理方式保證磷元素的分布均勻；如何通過合理的變形工藝和熱處理工藝，保證晶粒尺寸的細(xì)小，均勻，無(wú)明顯的分層現(xiàn)象；如何合理的設(shè)計(jì)陽(yáng)極的表面形狀，增大溶液接觸面積，保持電鍍液的穩(wěn)定性；如何通過調(diào)整電流參數(shù)、添加劑、硫酸和硫酸銅等參數(shù)來(lái)得到低電阻、高致密度和平整的鍍層等。

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作者簡(jiǎn)介