摘要：为了提高生产率、降低制造成本的需要，集成电路用硅片朝着大尺寸方向发展。故迫切需要提高硅片型面精度和微观表面的加工质量，同时又要求高效、低成本和无污染等的完成，高品质硅片的超精密加工技术成为发展微电子产业的关键技术。工业上对抛光过程的控制往往基于经验，与实验室研究有较大差别。本文作者通过实验手段对实际抛光中的表面形貌问题进行了研究，包括：抛光过程中硅片形貌及粗糙度的变化；硅溶胶粒径对粗糙度的影响；抛光液中碱浓度和抛光桔皮现象的联系等。
关键词：硅片；化学机械抛光；表面形貌；问题研究
一、实验部分
(一 )样品
样品为直径为150mm的n型(100)单晶硅研磨片。在进行抛光之前首先进行化学腐蚀，以去除在研磨中造成的损伤层，获得完美的无机械损伤表面。
(二)抛光液制备
为研究去除厚度不同的硅片表面形貌，使用了MAZINSR310型号的抛光液。在考察含不同粒径硅胶颗粒的抛光液的抛光结果以及桔皮实验中，使用了自制抛光液，主要成分为硅溶胶和某种碱性药品。
(三)抛光实验机及抛光实验
抛光机通过压盘向晶片的背面施加一定的压力，晶片抛光面朝下和抛光垫接触并且旋转，抛光垫多孔且材质较软，粘贴在刚性的主盘上，主盘和晶片同向转动，抛光液以一定的流量加在抛光垫的中心。抛光中的设备型号以及实验参数为：
抛光机：PolishModel3800；
抛光垫：RodelSuba600；
抛光液：DANMMAZINSR310或自制抛光液；
主盘转速：60r/min；
压力：0116MPa；
抛光液流速：013L/min。
腐蚀后的硅片经去离子水冲洗后进行抛光。粒径实验和桔皮实验中，抛光时间统一为30min。在研究SEM形貌及抛光过程中的粗糙度的实验中，设置长短不同的抛光时间以实现不同的去除厚度，这一系列去除厚度不同的硅片代表了抛光过程中的不同阶段。#1～7#样品去除厚度依次增加。
(四)观测方法
使用非接触式厚度仪测量样品厚度，按照GB/T6618-1995标准取5点厚度的平均值；利用扫描电镜观察样品腐蚀状态的表面形貌；利用WYKOMHT-Ⅲ型光干涉形貌仪测量粗糙度数值以及判断是否有桔皮存在。
二、结果与讨论
(一)SEM形貌
化学腐蚀后样品的SEM图片表面不存在机械作用导致的断裂或划痕。硅单晶由于其晶体结构的各向异性而在不同方向上展示出不同的腐蚀速度，因而表面形貌在腐蚀中趋于规则化。样品表面局部放大的SEM形貌棱线为不同腐蚀面的交界，非机械断裂所致。化学作用的强弱对样品表面的高低形貌信息不具有选择性，而是对高、低区域同等作用。机械作用，主要指抛光液中的研磨颗粒以及抛光垫对样品表面的摩擦作用，其强弱受抛光垫与样品之间的压力分布影响较大，样品表面上凸出部分承载较多压力，去除速率较高；低凹部分机械作用较弱，去除速率相对较低。这样，高、低区域的高度差越来越小，样品表面上的腐蚀坑深度变浅、数量变少。本实验条件下，平均去除厚度为717Lm的样品表面已经基本消除了腐蚀坑。
(二)抛光过程中的粗糙度
粗糙度(Ra)变化与去除厚度之间的关系，Ra值测量时取样面积为236Lm@184Lm的矩形区域。
3条曲线分别是Ra值、低通滤波后的Ra值以及高通滤波后的Ra值(滤波的截止波长为4Lm)。3条曲线上各有7个点，按照去除厚度从小到大分别是1#～7#样品的数据。低通滤波屏蔽了小尺度内高频信号，反映了大尺度上的形貌特性，高通滤波则屏蔽了长程的低频信号，反映了小尺度上的形貌特性。从中可以看出：
(1)Ra数值在抛光初期阶段迅速减小；随着去除厚度的增加，Ra值减小的趋势渐缓；去除厚度为15Lm以上时，Ra值的改善不再显著。
(2)高通滤波后的粗糙度曲线近似平直，说明去除厚度不同的样品的粗糙度数值并无显著差别，样品表面微小尺度上的形貌并无明显改善。
(3)未经滤波的粗糙度曲线和低通滤波的粗糙度曲线在形状上相似。具体地说，1#、2#和3#样品(每条曲线上的前3个点)未经滤波的粗糙度数值和经过低通滤波后的数值十分接近，稍微高于低通滤波之后的数值，而远高于高通滤波的数值，说明在抛光初期，样品表面较高的粗糙度主要是低频、大波长表面起伏。4#、5#以及6#样品(每条曲线上的第4～6个点)的数据显示，随着抛光时间的延长两条曲线的走势渐缓，表明通过延长抛光时间获得平整度较高硅片的效率逐渐降低，CMP抛光逐渐失去对表面形貌的改善作用。
未经滤波的粗糙度曲线和经过低通滤波之后的曲线的偏差逐渐增大，说明随着抛光时间的延长，低频、大波长的形貌信息对样品表面粗糙度的影响逐渐减弱，测量所得Ra值开始更多反映短程高频的形貌信息。
(三)磨粒粒径与抛光片粗糙度
测量Ra时使用了40倍(视场为236Lm@184Lm)和215倍(视场为119mm@215mm)两个物镜。结果显示，40倍物镜下测量的粗糙度Ra数值均为3nm左右，差异很小；215倍物镜的测量结果中，不同粒径的硅胶在Ra值上存在着一定的差异，但是本实验条件下并未发现硅胶粒径和粗糙度之间存在单调的关系。
三、结论
(1)抛光中硅片样品表面粗糙度降低的过程，实质为低频、大波长的表面起伏逐渐消除，小尺度内的粗糙度并未得到显著改善。
(2)硅溶胶粒径在10～25nm范围内，对被抛光表面的粗糙度(Ra)的影响不存在单调性规律。
(3)当抛光液中碱含量较高时，容易发生腐蚀过度，导致桔皮。在一定的碱含量条件下可以避免桔皮，同时达到较高的去除速率。
