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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(jí)的粒子，所以認(rèn)為作為微米級(jí)粒子模型的以往的材料去除模型說(shuō)明不充分，因此，關(guān)于泥漿中的研磨粒子的功能和對(duì)晶圓的作用，闡述了使用分子動(dòng)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(dòng)力學(xué)模擬分析對(duì)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(dòng)力學(xué)模擬分析，是將物體作為基于某種勢(shì)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(guò)對(duì)該勢(shì)能場(chǎng)中的各個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)按每個(gè)微小時(shí)間步驟進(jìn)行詳細(xì)追蹤，來(lái)分析粒子集合體物體的舉動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬分析之一。?

? ? ? 圖5.1顯示了模擬時(shí)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(duì)每個(gè)計(jì)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(shì)能上，假想地使用與硅原子之間的勢(shì)能被提出的金剛石，作為剛體。溫度是從硅原子的動(dòng)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(shì)，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(lái)定義切削深度

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圖5.2

? ? ? 圖5.2、圖5.3是計(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，也有可能去除硅片表面的材料。在本文中，提出了分子動(dòng)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(cè)漿料中的研磨粒子和晶圓表面之間通過(guò)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(yàn)證提出的模型，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為有必要考慮材料去除機(jī)理。