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CMP工藝中材料去除機(jī)理的理論考察

? ? ? 由于CMP用泥漿中含有的研磨粒子是納米級的粒子，所以認(rèn)為作為微米級粒子模型的以往的材料去除模型說明不充分，因此，關(guān)于泥漿中的研磨粒子的功能和對晶圓的作用，闡述了使用分子動力學(xué)法的模擬分析、化學(xué)反應(yīng)論的想法、磨損現(xiàn)象中的粘著去除現(xiàn)象這3種想法，從理論上考察了CMP中發(fā)生的材料去除的機(jī)理和材料去除現(xiàn)象模型。

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圖5.1

? ? ? 該模擬分析是利用分子動力學(xué)模擬分析對單晶硅的機(jī)械加工產(chǎn)生的表面性狀進(jìn)行分析的結(jié)果5.1）。用于研磨和拋光工程中的單晶硅的變形以及材料除去機(jī)構(gòu)的分析的分子動力學(xué)模擬分析，是將物體作為基于某種勢能的相互作用的原子和分子等粒子的集合體進(jìn)行模型化，通過對該勢能場中的各個粒子的運動按每個微小時間步驟進(jìn)行詳細(xì)追蹤，來分析粒子集合體物體的舉動的計算機(jī)模擬分析之一。?

? ? ? 圖5.1顯示了模擬時使用的三維模型。單晶硅的被削材是固定邊界原子，在溫度調(diào)節(jié)原子層中，為了使層內(nèi)的平均溫度為293K，對每個計算步驟（2.0 fs）進(jìn)行修正，在研磨粒子中，為了能夠容易地將與被切削材料的相互作用反映到原子間勢能上，假想地使用與硅原子之間的勢能被提出的金剛石，作為剛體。溫度是從硅原子的動能中利用德拜式變換的，單晶硅是將（100）面向<100>方向加工，在y軸方向適用周期邊界條件，硅原子間考慮角度依存的Tefsoff勢，被切削材料-研磨粒子間的相互作用力，由于不能認(rèn)為接觸界面具有規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，將研磨粒子和被削材各自的表面原子中心的原子半徑外側(cè)的包絡(luò)作為最表面。 用最表面間的距離來定義切削深度

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圖5.2

? ? ? 圖5.2、圖5.3是計算結(jié)果。圖5.2顯示了在硅單晶上以一定的切入深度固定的金剛石研磨粒子移動的延性模式研磨的狀態(tài)，在研磨粒子的前進(jìn)方向上生成非晶狀的切屑，移動后形成了非晶層。圖5.3顯示了進(jìn)行這些研磨后，金剛石研磨粒子在非晶表面滾動的拋光狀態(tài)，由于非晶化，分子間結(jié)合力減弱，硅原子在研磨粒子上通過化學(xué)結(jié)合力粘著，材料被除去的可能性。

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圖5.3

? ? ? 利用分子動力學(xué)方法表明，激光捕獲的金剛石顆粒與硅片表面接觸并進(jìn)行直線運動，從而導(dǎo)致原子排列數(shù)層的材料去除。結(jié)果表明，即使顆粒在硅片表面進(jìn)行不旋轉(zhuǎn)運動，也有可能去除硅片表面的材料。在本文中，提出了分子動力學(xué)的模擬、玻璃研磨中的化學(xué)反應(yīng)論、磨損現(xiàn)象中的粘著磨損這3種想法，并以此為基礎(chǔ)考慮了CMP中的材料去除模型，在CMP中，推測漿料中的研磨粒子和晶圓表面之間通過粘著產(chǎn)生的去除作用在起作用，提出了其現(xiàn)象模型。為了驗證提出的模型，進(jìn)行了實驗，認(rèn)為有必要考慮材料去除機(jī)理。