碳化硅的化學(xué)機(jī)械拋光
碳化硅的化學(xué)機(jī)械拋光
來源：來源：光學(xué)在線
碳化硅單晶生長(zhǎng)之后是晶碇，而且具有表面缺陷，是沒法直接用于外延的，這就需要加工。其中，滾圓把晶碇做成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，線切割會(huì)把晶碇切割成晶片，各種表征保證加工的方向，而拋光則是提高晶片的質(zhì)量。
晶片的表面會(huì)有損傷，損傷源于本來晶體生長(zhǎng)的缺陷、前面加工步驟中的破壞。對(duì)于局部損傷，世界上有四種方法：不管、更換、修補(bǔ)、去除；對(duì)于碳化硅表面的損傷層，不管不顧肯定不行，因?yàn)闀?huì)影響器件的成品率；更換晶片，不就是砸自己的飯碗嘛；修補(bǔ)其實(shí)是再次生長(zhǎng)，現(xiàn)在沒有低成本的方案；而去除是一條還算可行的，用一定的材料廢棄，來提高總體材料的質(zhì)量。
SiC表面的損傷層可以通過四種方法去除：
1.機(jī)械拋光，簡(jiǎn)單但會(huì)殘留劃痕，適用于初拋；
2.化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP），引入化學(xué)腐蝕去除劃痕，適用于精拋；
3.氫氣刻蝕，設(shè)備復(fù)雜，常用于HTCVD過程；
4.等離子輔助拋光，設(shè)備復(fù)雜，不常用。
選擇化學(xué)機(jī)械拋光
單純的機(jī)械拋光會(huì)產(chǎn)生劃痕，單純的化學(xué)拋光產(chǎn)生非均勻腐蝕，綜合為化學(xué)機(jī)械拋光則物美價(jià)廉。CMP的工作原理：旋轉(zhuǎn)的晶片/晶圓以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，借助拋光液中納米磨料的機(jī)械研磨作用與各類化學(xué)試劑的化學(xué)作用的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)平坦化要求。
這一過程中應(yīng)用到的材料主要包括拋光液和拋光墊。拋光墊使用后會(huì)產(chǎn)生變形，表面變得光滑，孔隙減少和被堵塞，使拋光速率下降，必須進(jìn)行修整來恢復(fù)其粗糙度，改善傳輸拋光液的能力，一般采用鉆石修整器修整。
單純的機(jī)械拋光會(huì)產(chǎn)生劃痕，單純的化學(xué)拋光產(chǎn)生非均勻腐蝕，具體如下所示：
第一，直接使用SiO2機(jī)械拋光，表面質(zhì)量通過精度300nm的Kla Tencor-10的Candela和精度0.01nm的本原公司CSPM4000型原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量，可測(cè)出劃痕深度為9.78nm。
表面氧元素含量、穿透深度通過K-Alpha型X射線光電子能譜（XPS）儀分析：標(biāo)準(zhǔn)樣為以He+濺射標(biāo)準(zhǔn)SiO2樣品，濺射速率為25nm/min；試樣為以He+濺射SiC樣品。SiC硬度大于SiO2，所以濺射速率小于25nm/min。濺射0.25min后，氧元素信號(hào)為零，所以穿透深度小于25nm/min*0.25min=6.25nm。穿透深度小于劃痕深度，說明劃痕是機(jī)械作用產(chǎn)生的，而不是氧化作用產(chǎn)生的。
第二，同樣的，如果直接使用雙氧水拋光，反而會(huì)新增劃痕。AFM圖如下。這是因?yàn)榛瘜W(xué)腐蝕是具有各向異性的，對(duì)于表面能大的會(huì)加速腐蝕。
如果僅僅使用雙氧水浸泡，那缺陷和劃痕反而會(huì)被擴(kuò)大。浸泡后，晶片表面粗糙度從0.06nm增大為0.14nm。AFM圖如下，其中右上角為浸泡前：
典型的化學(xué)機(jī)械拋光過程
知道需要化學(xué)+機(jī)械來拋光后，典型的化學(xué)機(jī)械拋光過程如下：
第一步，機(jī)械拋光。
用0.5um直徑的金剛石拋光液，拋光表面粗糙度至0.7nm。
第二步，化學(xué)機(jī)械拋光。
1.拋光機(jī)：AP-810型單面拋光機(jī)；
2.拋光壓力200g/c㎡；
3.大盤轉(zhuǎn)速50r/min；
4.陶瓷盤轉(zhuǎn)速38r/min；
5.拋光液組成：以SiO2（30wt%、pH=10.15）為基礎(chǔ)，加入0-70wt%的雙氧水（30wt%、純優(yōu)級(jí)），最后用KOH（5wt%）、HNO3（1wt%）調(diào)節(jié)pH=8.5；
6.拋光液流量3L/min，循環(huán)使用。
結(jié)果如下：
事實(shí)上，各種參數(shù)是可調(diào)的，要針對(duì)晶片和機(jī)子選擇合適的條件：
1.可選機(jī)械拋光液為：SiO2、Al2O3、氧化鈰；
2.可選化學(xué)拋光液為：高錳酸鉀、雙氧水、Pt催化劑、Fe催化劑；
3.可選拋光墊：尼龍、聚氨酯；
4.酸堿性：KOH、HNO3；
5.機(jī)械作用：壓力、轉(zhuǎn)速、位置、時(shí)間、溫度。
可調(diào)參數(shù)示例
下面具體介紹一下拋光液和拋光墊。
拋光液是均勻分散膠粒乳白色膠體，主要起到拋光、潤(rùn)滑、冷卻的作用。主要變量包括磨料（粒徑及分布、硬度、形狀）、試劑（氧化劑、pH調(diào)節(jié)劑、分散劑、表面活性劑）、工藝（供給速率、溫度）。
電子級(jí)試劑的主要品種有：雙氧水、氫氟酸、硫酸、硝酸、磷酸、鹽酸、氫氧化鉀、氨水、異丙醇、醋酸。國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）制定了國(guó)際統(tǒng)一的電子級(jí)化學(xué)試劑標(biāo)準(zhǔn)，有如下等級(jí)：
在國(guó)內(nèi)，電子級(jí)試劑通常的等級(jí)劃分為：
在加料、混合、過濾等關(guān)鍵生產(chǎn)流程中，各種組分的比例、順序、速度和時(shí)間等都會(huì)影響到最終的產(chǎn)品性能，需要公司不斷優(yōu)化研究來找出最合適的方案，因此產(chǎn)品配方和生產(chǎn)工藝流程是每家公司的技術(shù)秘密，也是其核心競(jìng)爭(zhēng)力所在。
拋光墊是表面帶有特殊溝槽的多孔材料，主要作用是存儲(chǔ)和傳輸拋光液、對(duì)晶片提供一定的壓力并對(duì)其表面進(jìn)行機(jī)械摩擦。
衡量拋光墊性能的指標(biāo)有很多：
1.材料及理化性質(zhì)；
2.尺寸及厚度；
3./表面的溝槽形式(XY網(wǎng)格、同心圓)、溝槽形狀(V型、U型、楔型)、溝槽尺寸(深度、寬度、間距)能夠控制表面粗糙度：拋光墊溝槽的寬度要適度，太小體現(xiàn)不出開槽效果，太大會(huì)使得拋光效率變小、晶片的粗糙度也變差，拋光墊溝槽的深度對(duì)于拋光效果則沒有明顯的影響，拋光墊表面適度開槽后，儲(chǔ)存、運(yùn)送拋光液的能力顯著增強(qiáng)，磨料分布更均勻、工件表面剪切應(yīng)力高，因此拋光效率和質(zhì)量都得到提高；
4.內(nèi)部的孔隙率、孔隙均勻性：拋光墊的孔隙率越高和粗糙度越大，其攜帶拋光液的能力越強(qiáng)，則材料去除率增大；
5.硬度決定了其保持形狀精度的能力，采用硬質(zhì)拋光墊可獲得較好工件表面的平面度，軟質(zhì)拋光墊可獲得加工變質(zhì)層和表面粗糙度都很小的拋光表面；
6.可壓縮性決定拋光過程拋光墊與工件表面的貼合程度, 可壓縮性大的拋光墊與工件的貼合面積大, 材料去除率高。
可以通過控制變量法研究各種條件的作用。
比如，酸堿性。
堿性條件促進(jìn)雙氧水的氧化作用，最終加速SiC的去除速率。
pH值使用MIK-PH100型pH計(jì)測(cè)量。去除速率通過FA214電子天平稱量質(zhì)量后推算，公式為：
速率v等于厚度變化h除以加工時(shí)間t，厚度h乘以圓面積πr2等于圓柱體積V，碳化硅密度ρ=3.2g/cm3等于質(zhì)量m除以體積V。
測(cè)試曲線如圖：
推測(cè)因?yàn)镾iC的氧化如下：
隨著堿性O(shè)H-的增加，HO2-的濃度增加了：
比如，壓力與氧化劑濃度。
提高壓力與化學(xué)拋光液濃度，可以提高拋光速率。拋光速率約0.1um/h。
附錄：化學(xué)機(jī)械拋光在晶圓制造中的應(yīng)用
化學(xué)機(jī)械拋光同樣可以用于晶圓制造中對(duì)表面進(jìn)行平整，主要是多層布線金屬互連結(jié)構(gòu)工藝中的層間平坦化。28nm制程需要12~13次，10nm制程需要25~30次。拋光后，器件能夠更加完美：
通過拋光的外延層的材料不同，分為不同的工藝：
1.金屬層：鎢；
2.金屬層：銅；
3.金屬層：鋁；
4.氧化硅層：層間介質(zhì)層，ILD0；
5.氧化硅層：淺溝槽隔離層，STI；
6.硅層：晶圓表面；
7.硅層：多晶硅。
舉個(gè)例子：
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