半导体芯片化学机械抛光过程中材料去除机理研究进展

就国内外关于集成电路芯片化学机械抛光(CMP)材料去除机理研究的现状和进展进行了评述，总结了集成电路芯片常用介电材料二氧化硅以及导电互连材料钨、铝及铜的化学机械抛光研究现状和进展，进而分析了化学机械抛光过程中化学作用同机械作用的协同效应，指出关于芯片化学机械抛光的材料去除机理尚存在争议，因此有必要在CMP研究领域引入原子力显微镜和电化学显微镜等先进分析测试设备和相关技术，以便在深入揭示CMP过程中材料去除机理的基础上，为更好地控制CMP过程和提高CMP效率提供科学依据．     

基于磨损行为的单晶硅片化学机械抛光界面接触形式研究

设计了3种不同的抛光液并进行一系列抛光试验,得到机械、化学及其交互作用所引起的材料去除率,分析了化学机械抛光时硅片与抛光垫之间接触形式的判别方法及其抛光机理.结果表明:化学机械抛光中的主要作用为磨粒的机械作用;材料的去除率主要为磨粒与抛光液交互作用所引起的材料去除率;硅片表面材料的去除形式主要为化学作用下的二体磨粒磨损;化学机械抛光时硅片与抛光垫之间的接触形式为实体接触.     

二维材料力学行为的压痕测试

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义, 无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一, 本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上, 制备二维材料"梁"和"鼓"模型, 然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷--位移关系, 最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果, 估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜, 来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响, 造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符, 导致不能准确预测二维材料的弹性模量; 另外, 由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为, 以及由缺陷等引起的应力集中, 导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差. 因此, 一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能, 另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.      

二维材料力学行为的压痕测试

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义,无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一,本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题,并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上,制备二维材料"梁"和"鼓"模型,然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷–位移关系,最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果,估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜,来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响,造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符,导致不能准确预测二维材料的弹性模量;另外,由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为,以及由缺陷等引起的应力集中,导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差.因此,一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能,另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.     

Indentation tests investigation of mechanical behavior of two-dimensional materials

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义, 无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一, 本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上, 制备二维材料"梁"和"鼓"模型, 然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷--位移关系, 最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果, 估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜, 来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响, 造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符, 导致不能准确预测二维材料的弹性模量; 另外, 由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为, 以及由缺陷等引起的应力集中, 导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差. 因此, 一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能, 另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.     

纳米压痕法测磁控溅射铝薄膜屈服应力

为了在考虑残余应力下测量出磁控溅射铝薄膜的屈服应力,提出了一种实验测量方法,通过曲率测试法和球形压头纳米压痕法测出磁控溅射铝薄膜的屈服应力.建立球形压痕力学模型,并用ANSYS对球形压痕进行力学有限元仿真,利用直流磁控溅射技术在硅基上淀积一层1μm厚的铝薄膜,首先通过曲率测试法测量膜内等双轴残余应力,再利用最小二乘曲线拟合法从薄膜/基底系统的球形压头纳米压痕实验数据中提取出铝薄膜的屈服应力,测得磁控溅射铝薄膜的屈服应力为371±89 MPa.该方法也可以用来研究其他材料的薄膜和小体积材料的力学特性.     

磨盘材料和温度对TC11合金磨损行为的影响

对TC11合金与两种不同硬度的GCr15和W6Mo5Cr4V2在25、400和600℃对摩时的磨损行为进行了研究.利用SEM、EDS以及XRD等对试样磨面和剖面的形貌、成分及结构进行了观察与分析.结果表明:TC11合金与三种不同硬度的磨盘对摩后,在25℃,磨损率均随载荷的增加而增加,且磨损率较高,磨损表面呈现黏着和犁沟特征,磨损机理为黏着磨损与磨粒磨损;在400℃,合金与低硬度GCr15对摩时,磨损表面被黑色光滑氧化物所覆盖,磨损机理为氧化轻微磨损;与高硬度GCr15对摩时,在50和150 N,磨损表面呈现黑色光滑氧化物和犁沟特征,磨损机理为氧化轻微磨损和磨粒磨损;在250 N,磨损机理为黏着磨损与磨粒磨损;与W6Mo5Cr4V2对摩时,磨损表面呈现犁沟特征,磨损机理为磨粒磨损;在600℃,TC11合金的磨损率均较低,且与两种不同硬度GCr15对摩后的磨损率均低于与W6Mo5Cr4V2对摩的磨损率,磨损机理均为氧化轻微磨损.在25和600℃,磨盘材料对合金的磨损率具有不同的影响,但不影响合金的磨损机理;在400℃,磨盘材料既影响磨损率也影响磨损机理.     

钛硅多元掺杂类金刚石薄膜在不同气氛环境下的摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备了钛硅多元掺杂的含氢类金刚石薄膜. 在球-盘摩擦试验机上考察了不同气氛环境对薄膜摩擦学性能的影响. 利用扫描电子显微电镜和拉曼光谱分析了磨损表面形貌和转移层结构, 探讨了薄膜的摩擦磨损机理. 结果表明:薄膜在真空和氮气环境下摩擦系数较小、磨损率低,表现为磨粒磨损;在氧气和高湿度大气环境下摩擦系数较大、磨损率高,表现为黏着磨损;在低湿度空气环境下薄膜摩擦系数最低,表现为磨粒磨损和黏着磨损混合磨损机理;转移层发生摩擦诱导石墨化和聚乙炔链C=C键双氢化两种摩擦化学过程.     

钛基片的化学机械抛光技术研究

采用化学机械抛光（CMP）方法对钛基片进行纳米级平坦化处理,通过系列抛光试验优化抛光液组成和抛光工艺条件后,得到AFM-Ra为0.159 nm的纳米级抛光表面和156.5 nm/min的抛光速率。抛光液的电化学分析结果表明：二氧化硅颗粒和乳酸在钛表面有不同程度的吸附缓蚀作用,氨水和F-的络合、扩散作用能破坏缓蚀膜层,两者的中间平衡状态才能得到最佳抛光效果。抛光后钛表层XPS测试结果显示钛表层经过化学氧化形成疏松氧化层后,再通过磨粒和抛光垫的机械作用去除。     

载荷及位移幅值对DLC薄膜微动磨损行为的影响

为了提高TC4钛合金表面的抗微动磨损性能,在本文中采用非平衡磁控溅技术(Unbalanced Magnetron Sputtering)在TC4钛合金表面沉积了类金刚石(DLC)薄膜. 采用球/平面接触形式研究了DLC薄膜的微动摩擦磨损行为. 在不同法向载荷和位移幅值下,结合微动运行工况图研究了DLC薄膜滑移状态和损伤机理. 利用原子力显微镜、纳米压痕仪、激光拉曼光谱仪、激光共聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜和SRV-V微动摩擦磨损试验机等设备对DLC薄膜进行性能的表征和微动摩擦磨损性能测试. 通过微动图,摩擦耗散能,磨痕形貌、化学成分分析揭示其损伤机理. 结果表明:载荷和位移幅值对DLC薄膜微动摩擦磨损行为和损伤机理有显著影响. 当位移幅值为25 μm 时,微动运行于混合滑移(mixed slip regime,MSR)情形下,当位移幅值为100 μm时,微动运行于完全滑移(gross slip regime,GSR)情形下. 小位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是磨粒磨损为主;大位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是黏着磨损为主. 干摩擦条件下,DLC薄膜有良好的抗微动磨损性能,关键就在于其优异力学性能和自润滑特性.      

缓蚀剂1,2,4-三唑在铜CMP过程中的作用机理

基于静态腐蚀试验和Arrhenius公式,探讨了缓蚀剂1,2,4-三唑在铜晶圆表面的吸附机制,分析了其对铜晶圆表面化学反应活化能的影响;结合CMP试验,阐释了BTA和1,2,4-三唑两种缓蚀剂对CMP材料去除速率的影响.结果表明:在酸性抛光液中,缓蚀剂1,2,4-三唑主要存在两种缓蚀机制:一是在铜表面形成吸附膜Cu:(1,2,4-TAH)_(ads),二是形成聚合物膜Cu(1,2,4-TA)_2.CMP过程中化学反应活化能的降低量不随抛光液中1,2,4-三唑的含量而变化.但是相对于BTA,使用含有1,2,4-三唑的抛光液时CMP过程中晶圆表面的化学反应活化能降低量较大,表明机械促进化学作用较强.本研究结果为CMP过程中抛光液的优化提供了理论支撑.     

抛光垫特性及其对300mm晶圆铜化学机械抛光效果的影响研究

利用扫描电子显微镜和接触式表面形貌仪分析了IC1000/Suba-IV和IC1010两种商用抛光垫的主要特性,并通过自行研制的超低压力化学机械抛光(CMP)试验机、四探针测试仪和三维白光干涉仪等研究了这两种抛光垫对300 mm晶圆铜互连的CMP材料去除率、片内非均匀性、碟形凹陷和腐蚀的影响规律.结果表明:IC1010比IC1000的硬度低、压缩率高、粗糙度大,IC1000为网格状沟槽、沟槽较宽、分布较稀,IC1010为同心圆沟槽、沟槽较细、分布较密;相同条件下IC1010比IC1000的材料去除率大、片内非均匀性好;在相同线宽下IC1000与IC1010的腐蚀几乎一致,IC1010的碟形凹陷比IC1000的略大.     

Finite element study for conical indentation of elastoplastic micropolar material

Numerous experiments have repetitively shown that the material behavior presents effective size dependent mechanical properties at scales of microns or submicrons. In this paper, the size dependent behavior of micropolar theory under conical indentation is studied for different indentation depths and micropolar material parameters. To illustrate the effectiveness of the micropolar theory in predicting the indentation size effect (ISE), an axisymmetric finite element model has been developed for elastoplastic contact analysis of the micropolar materials based on the parametric virtual principle. It is shown that the micropolar parameters contribute to describe the characteristic of ISE at different scales, where the material length scale regulates the rate of hardness change at large indentation depth and the value of micropolar shear module restrains the upper limit of hardness at low indentation depth. The simulation results showed that the indentation loads increase as the result of increased material length scale at any indentation depth, however, the rate of increase is higher for lower indentation depth, relative to conventional continuum. The numerical results are presented for perfectly sharp and rounded tip conical indentations of magnesium oxide and compared with the experimental data for hardness coming from the open literature. It is shown that the satisfactory agreement between the experimental data and the numerical results is obtained, and the better correlation is achieved for the rounded tip indentation compared to the sharp indentation.     

纯铅化学机械抛光中工艺参数对抛光性能的影响

为获得高质量纯铅表面，采用化学机械抛光(CMP)的方法并辅以自制抛光液，研究了胶体二氧化硅抛光颗粒的形状、粒径和浓度、加载压力、抛光头与抛光盘转向和转速、抛光液流量等工艺参数对铅片表面材料去除率和粗糙度的影响. 研究表明:小粒径异形(眉形)胶体二氧化硅抛光颗粒相较于大粒径球形颗粒更有利于铅片抛光，抛光颗粒的粒径和浓度对纯铅抛光性能的影响主要取决于铅片表面与胶体二氧化硅颗粒以及抛光垫表面丝绒的耦合作用关系. 随着加载压力、抛光头与抛光盘转向和转速、抛光液流量的改变，铅片表面和抛光垫之间驻留的层间抛光液的厚度以及状态发生改变，从而直接影响抛光液的流动性、润滑性和分散性，以及影响抛光颗粒和化学试剂与铅片表面的机械化学作用，进而影响抛光质量和材料去除率. 通过对工艺参数影响的研究和对工艺参数的优化，最终获得了表面粗糙度R_a为1.5 nm的较为理想的超光滑纯铅表面，同时材料去除率能够达到适中的380 ?/min.      

Analysis of spherical indentation of materials with plastically graded surface layer

In the present work, a comprehensive parametric study for establishing contact mechanics of instrumented normal spherical indentation on homogeneous materials and materials with plastically graded surface layer (PGSL) was undertaken by dimensional analysis and finite element modeling. The spherical indentation response for homogeneous materials can be described only by two dimensionless parameters: strain hardening exponent and a unified parameter that can describe effects of both the normalized yield strength and the normalized indentation depth. The influences of these two parameters were investigated for a wide range of engineering materials, and the results may be used as an estimate of loading response and pile-up/sink-in behavior when the material properties are known. In the materials with PGSL, a linear gradient in yield strength, and no variation in elastic modulus and strain hardening exponent were explored. The indentation response of the materials with PGSL can be described only by three dimensionless parameters: the normalized indentation depth, the dimensionless strength gradient parameter, and the normalized PGSL thickness. The effects of these three parameters were studied systematically. The normalized pile-up/sink-in parameter is found to be an increasing function of the strength gradient parameter. The normalized pile-up/sink-in parameter increases (decreases) with increasing PGSL thickness for a fixed positive (negative) gradient case at large indentation depth. The results also indicate that the materials with positive PGSL can bear more loads and have significantly more resistance to contact crack formation.     

Residual-stress measurement using surface displacements around an indentation

An experimental method is described which can measure the direction and magnitude of residual and applied stress in metals. The method uses optical interference to measure the permanent surface deformation around a shallow spherical indentation in a polished area on the metal specimen. The deviation from circularly symmetrical surface deformations is measured at known values of applied stress in calibration specimens. This deviation from symmetry can then be used to determine the direction and magnitude of tensile residual stress in specimens of the same material. Determination of compressive residual stress is more limited. A model of the indentation process is offered which qualitatively describes experimental results in 4340 steel for both tensile and compressive stress. The model assumes that the deformation around an indentation os controlled by stresses analogous to those around a hole in an elastic plate. Various conditions are discussed which affect the indentation process and its use to measure stress, including (a) the rigidity of support of the indentor and specimen, (b) the size and depth of the indentation, (c) the uniaxial stress-strain behavior of the specimen material.     

硅晶体纳米压痕试验与应力场分析

采用纳米压入法测量了4种硅晶体的微压痕特性,讨论了加载过程与卸载过程的特征,分析了硅晶体的纳米压入测量结果,同时计算了硅晶体中的应力分布,计算结果表明,剪应力为硅晶体微薄片剥落失效的原因。     

基于微纳米压入法的高熵合金柏氏矢量研究

采用微纳米压入法对CoCrFeNiMn高熵合金进行多种应变率下的压入测试研究,实验获得了材料硬度与压深之间的关系并通过计算分析得到了其不同工况下的柏氏矢量值,探究了压入深度和应变率对柏氏矢量的影响．实验结果表明,所测材料柏氏矢量值在一定范围内呈现出一定的波动性,随着压深的增大,柏氏矢量表现出尺寸效应,即柏氏矢量随压深呈增加趋势;并且在同等压深下,柏氏矢量存在率效应,随着应变率的增加,柏氏矢量值先减小后增加,柏氏矢量从滑移主导向原子失配主导的转变是其率效应转变的主要原因．