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绿色环保化学机械抛光液之引言

作者:郜培丽 等日期:2021-06-21浏览:188
导读:化学机械抛光cmp主要利用化学能将原子键打开,实现原子级去除,是一种广泛认可的全局平坦化原子级加工制造方法,广泛应用于半导体、微电子和光电子产业。

原子加工制造方法主要有离子束铣削、等离子抛光和化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)。化学机械抛光主要利用化学能将原子键打开,实现原子级去除,是一种广泛认可的全局平坦化原子级加工制造方法,广泛应用于半导体、微电子和光电子产业。随着半导体工业的迅猛发展,实现大尺寸范围内原子尺度超精密表面加工,减少和降低半导体表面缺陷和粗糙度,成为了突破摩尔定律制程极限的关键工艺技术之一。

化学机械抛光是通过抛光液中化学试剂的化学腐蚀和纳米磨粒的机械磨削双重耦合,从而在原子水平上去除表面缺陷,获得全局平坦化表面的重要手段,现已广泛应用于集成电路半导体晶圆的原子表面制造中,对微机电系统与微电子技术的发展具有十分重要的意义。

除此之外,近年来化学机械抛光技术凭借其优异的高质高效、超低损伤、效果稳定等工艺特点,在航空、航天、军事国防、新能源汽车、通信工程、物联网、人工智能等军民领域关键零部件和器件材料的超精密表面制造中均得到了广泛应用。

一般认为,经CMP 加工后的表面精度与抛光速率,是CMP 性能的两大评价指标,通常会受到CMP 过程中抛光垫参数、抛光压力、抛光盘转速、载物盘转速等工艺参数与抛光液组分、配比、滴加速度等流体因素的影响,如图1 所示。

cmp系统示意图

其中,起到决定性作用的抛光液是由氧化剂、pH 调节剂、腐蚀抑制剂、表面活性剂、络合剂和螯合剂等化学添加试剂与磨粒按照一定的比例配置而成。每种添加剂都在CMP 过程中起到了不可或缺的独特功效。多种添加剂协同耦合,构建了性能优异且稳定的抛光液体系。可以说,抛光液的化学组分及其比例决定了CMP 过程中化学腐蚀和机械磨削的协同效果,对抛光效果起到至关重要的影响。因此,探究抛光液中各化学组分对抛光性能的影响,揭示化学组分在CMP 过程中的协同作用机理,对提高抛光液性能意义深远。

而且,为了实现材料表面的高效高质CMP 加工,通常会使用带有强氧化性、强腐蚀性、高毒性的化学试剂来改变抛光液的化学性质或磨粒的界面性质,从而增强CMP 过程中的化学腐蚀和机械磨削作用,如强氧化剂、强酸、强碱、高毒性化学品等,而这些危险化学品会对操作者的生命安全、设备可靠性、甚至生态环境可持续发展产生不良影响和恶劣后果,严重违背“中国制造2025”所倡导的“绿色制造”理念。因此,选用对环境友好的绿色环保化学添加剂,配置新型绿色环保抛光液,在满足无污染、零排放的基础上实现原子尺寸超精密表面高效CMP 加工,受到了高性能精密制造领域专家和学者的广泛关注,成为了CMP 技术和新型抛光液的研发热点和研制趋势。毫无疑问,绿色环保CMP 抛光液的配制,对于人类社会未来发展与可持续性资源利用都具有里程碑式的重大意义。

为了使原子级表面CMP 工艺研究者深入了解近年来CMP 工艺研究中绿色环保抛光液的进展,加快新型抛光液的环保成分筛选和配制,本文对近年来报道的绿色环保抛光液中对环境无污染的氧化剂、pH 调节剂、腐蚀抑制剂、络合剂/螯合剂、表面活性剂等常用化学添加剂进行了归类总结,并且对各化学添加剂在CMP 加工中起到的作用机理进行了详细分析。此外还介绍了新型的绿色环保复合抛光方法中采用的新型氧化方法,为未来抛光液技术的发展指明了方向。最后对新型绿色环保抛光液的研究方向进行了展望,这也为未来原子级超精密表面的绿色环保制造提供了可参考的发展方向和研究策略。

本稿资料来源:郜培丽, 张振宇, 王冬, 张乐振, 徐光宏, 孟凡宁, 谢文祥, 毕胜. 绿色环保化学机械抛光液的研究进展 [J]. 物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 70, No. 6 (2021) 068101.

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