一种用于混合抛光液的机械分散方法与流程

本发明涉及物理分散纳米颗粒领域，尤其是涉及cmp所需的一种用于混合抛光液的机械分散方法。

背景技术：

cmp与光刻、镀膜及刻蚀共同组成半导体四大基础工艺。cmp技术起步于20世纪80年代，最早由美国ibm公司提出。在尖端的半导体科技中，cmp已经成为必不可少的关键工艺，是目前最直接且最为有效的平坦化方法。cmp工艺所需的主要耗材包括抛光垫和抛光液两种。工件/器件表面经过cmp工艺之后，其表面粗糙度之所以可以大幅度降低，主要是基于cmp“软磨硬”的原理

cmp工艺所需的主要耗材包括抛光液和抛光垫。目前最为常用的抛光液以sio2作为磨料的抛光液为主，常用磨料粒径为50～150nm。该类型的抛光液的ph值为9.8～10.5之间，在此条件下，抛光液中的磨料形态最为稳定，抛光液中加入适量的分散剂和悬浮剂，可有效避免磨料发生团簇和沉淀。sio2抛光液在si、介质层、蓝宝石等基底抛光中已经得到了广泛的运用，但是针对硬质基底、惰性金属、聚合物和以ge为代表的光电材料的抛光，目前市场上并没有成熟的抛光液可供使用。针对上述特种材料的抛光，主要对现有sio2抛光液改性形成新的混合抛光液，比如对硬质基底抛光，可在sio2抛光液中加入适量硬质磨料，如金刚石或者氧化铝磨料，硬质磨料有助于提高抛光速率，而sio2软质磨料则有助于去除残留在表面的微划痕；对ge基底抛光，可在sio2抛光液中加入适量过氧化氢(h2o2)和微量的磷酸(h3po4)；对聚酰亚胺(polyimide,pi)可在sio2抛光液中加入适量乙二胺。

混合抛光液由于新磨料或者新的化学试剂的加入，破坏了原有sio2抛光液的化学平衡，使得磨料发生团簇和沉淀，形成数微米乃至数十微米量级粒径的颗粒。根据t.g.bifano等(t.g.bifano,t.dow.ductile-regimegrindinganewtechnologyformachiningbrittlematerials[j].transactionofasme,vol.113,pp.185-189,1991)塑形磨削理论，当磨料粒径达到数微米量级，特种材料抛光过程中则存在着部分以脆性断裂的机械作用去除方式，则抛光表面必然会产生重度深坑和深度划痕等缺陷。由于混合抛光液的多样性，故难以找到通用、合适、匹配的悬浮剂和分散剂，使得混合抛光液中所有磨料处于悬浮、分散的状态。除了化学试剂分散磨料之外，机械式超声空化效应也有助于混合抛光液中的磨料处于分散状态。所谓超声空化是指在液体中由于超声波的物理作用，某些地方形成局部的暂时的负压区，从而引起液体或液—固体界面的断裂，形成微小的空泡或气泡。空泡或气泡崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm²。由于超声空化所蕴含的巨大的破坏力，故能够对抛光液中的颗粒进行打散，破坏磨料的硬团聚，并有效控制颗粒的尺寸和分布。

基于超声空化效应，对抛光液中的磨料进行分散，已经得到了广泛的运用。公开号为cn102911606a的专利申请在一种蓝宝石抛光液及配制方法中，提及到在去离子水溶液、sio2磨料、分散剂、络合剂和ph调节剂，混合后采用超声使磨料分散完全；李颖等(李颖,李变晓,赵盟月,等.水性介质中纳米金刚石分散行为研究[j].超硬材料工程,2010,22(2):5-9)在金刚石抛光液中采用op-10作为分散剂，并辅以超声波处理，最后得到平均粒径0.788μm，最细粒径350nm的悬浮液。在抛光液中，通过化学分散剂有效的电离平衡，再辅以超声空化效应，确实能获得小于100nm且粒径均匀的磨料。但是，相关研究也表明，如果抛光液中没有包含化学分散剂，单纯依靠中低频率的超声空化效应，是难以实现抛光液中磨料均匀分散的。王沛等(王沛，朱峰，王志强.超声波以及分散剂对纳米金刚石在水性介质中分散行为的影响[j].超硬材料工程,2010,22(2):5-9)通过相关的实验说明，在中低频超声分散下，抛光液中金刚石磨料平均粒径较大，粒径正态分布主要集中于在亚微米至微米量级之间粒径，在此条件下，如果对工件进行cmp工艺，将会在工件表面留下重度深坑和深度划痕等缺陷。

目前用于抛光液分散的超声频率一般为40khz以下的中低频，在此工作频率下，空化泡生长时间长，体积大，空化强烈，可以快速地使团聚成数微米乃至数十微米抛光磨料，在空化泡瞬间闭合破灭所产生的强大冲击力的作用下，分散形成数百纳米粒径的抛光磨料。但是中低频超声下，其空化气泡直径在数十微米至数百微米量级之间，闭合破灭时，所产生的微射流虽然冲击力强，但是直径也在数微米量级以上，难以嵌入到已经分散的数百纳米粒径的抛光磨料空隙之间，无法把数百纳米粒径的抛光磨料，再分散形成粒径150nm以下的抛光磨料。

技术实现要素：

本发明的目的是针对解决混合抛光液难以找到一种通用适配的化学分散剂，或中低频超声无法对混合抛光液中的磨料进行有效分散的问题，提供cmp所需的一种用于混合抛光液的机械分散方法。

本发明包括以下步骤：

1)在无添加化学分散剂的前提下，基于混频，既中低频和高频超声相结合对于混合抛光液中磨料进行有效分散；

在步骤1)中，所述混合抛光液的本体抛光液可为sio2抛光液，ph值为9.8～10.5；所述磨料的粒径可为80～150nm，对本体抛光液可进行改性，或加入硬质磨料，或加入氧化剂、缓蚀剂等化学试剂形成混合抛光液；

2)关于混频频率的选择，其中混频中低频率为25～45khz，可快速有效地把数十微米至数微米的团聚磨料，分散成数百纳米粒径的磨料；高频超声频率为600～900khz，对已经通过中低频超声分散的磨料再次进行分散，形成单个颗粒的抛光磨料；

在步骤2)中，所述混频中低频的超声功率可为0～400w；所述高频的超声功率可为0～600w。

3)借助搅拌，使得分散后的抛光磨料均匀分布于混合抛光液中；

在步骤3)中，所述搅拌可采用电动搅拌，电动搅拌的转速可为50～200rpm，每批次混合抛光液需先经过混频和搅拌的机械作用2～5min后，方可使用，每批次混合抛光液容量可为2～4l。

4)针对超声换能器中变幅杆长时间的机械伸缩运动，机械能转化为热能，引起混合抛光液工作温度的升高的问题，通过可编程控制器控制电磁阀开启和关闭，实时将循环冷却水引入超声水四周进行冷却，确保混合抛光液处于22～28℃之间；

5)对混合抛光液对象进行了界定，包括本体和容量。

与现有的技术相比，本发明的技术进步体现在采用混频技术代替化学分散剂，有效解决了混合抛光液由于多样性，难以找到一种通用适配的化学分散剂，对混合抛光液中的磨料进行分散的问题。同时结合辅助搅拌确保分散后的抛光磨料均匀分布于混合抛光液中，以及结合温控技术确保混合抛光液处于良好的化学稳定状态。基于上述机械式混合抛光液的分散方法，可有效减少器件/工件表面在cmp过程中所产生的重度深坑和深度划痕等缺陷。

附图说明

图1为采用混频超声对混合抛光液中磨料进行分散。

图2为一种用于混合抛光液的机械分散方法。

图3为基于plc的温控示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

在现有技术中，针对混合抛光液，难以找到适配性好的化学分散剂，中低频超声无法对于磨料进行有效分散，本发明提出一种基于混频、辅助搅拌和控温的机械式的混合抛光液磨料分散方法。所谓混频是基于中低频和高频相结合，共同作用对于混合抛光液中的磨料进行分散。随着频率的增加，空化泡体积逐渐减小，当超声频率大于600khz时，空化泡的体积小于10μm，闭合时产生的微射流的直径在数百纳米之间，有效嵌入到混合抛光液磨料间隙中，对已经通过中低频超声分散的磨料再次进行分散，形成单颗颗粒的抛光磨料，如图1所示。另外，采用混频超声，混合抛光液的空化产额将显著增加，增加的幅度大于各频率声空化产额的叠加，进而提高混合抛光液中磨料的分散效率。同时空化产额进一步增强混合抛光液空化泡之间的相互作用,导致小粒径空化泡快速内爆，进一步提高超声分散的能力。辅助搅拌是避免少量磨料的沉淀，确保分散的磨料均匀性的分置混合抛光液中。混合抛光液的化学溶剂，尤其是络合剂和缓蚀剂随着温度的升高，会加速分解和挥发，因此抛光液一般是工作在室温。但是超声换能器中变幅杆长时间的机械伸缩运动，机械能转化为热能，将引起混合抛光液工作温度的升高。为确保混合抛光液处于温度稳定的工作状态，在机械分散的同时引入了控温系统。即：plc设置温度为24～26℃，当温度传感器检测到超声水温度超过设置温度时，plc控制电磁阀开启，循环冷却水引入超声水四周进行冷却。当超声水温度检测小于设置温度，电磁阀关闭，循环冷却水输入停止，从而确保混合抛光液处于22～28℃的工作状态。

本发明所提出的一种用于混合抛光液的机械分散方法，主要适用于小批量的抛光液中。这是因为超声波为纵波，沿着混合抛光液的高度传播，若混合抛光液的高度超过30cm，超声振幅明显衰减，空化强度显著降低，因此本发明主要适用于容量为2～4l的混合抛光液的磨料分散。

本发明所提出的一种用于混合抛光液的机械分散方法，适用于小批量，以sio2抛光液作为本体的混合抛光液，有效解决了混合抛光液中单一磨料或者混合磨料难以分散的问题，可获得温度恒定，磨料分散均匀的混合抛光液，与传统的通过添加表面活性剂使得抛光液中的磨料处于分散和悬浮状态等方法相比，具有操作简单，适应范围广等优点。

参见图2和3，以抛光液ge基底为例。

(1)在图2中，先在壳体2四周补充常温冷却水，冷却水出入口需与图3冷却系统相连；

(2)在图2中，加入1l的超声去离子水，热电偶3将实时检测超声去离子水的温度；

(3)在图2中，开启中低频超声换能器4，频率为40khz，功率为250w，并且同时开启高频超声换能器6，频率为800khz，功率为450w；

(4)在图2中，在盛装混合抛光液的容器8中，先加入兑水后的sio2抛光液，体积约为2.5l；

(5)开启搅拌电机11(搅拌电机通过支撑杆9和支撑杆10固定在支撑座7上)，搅拌电机11通过搅拌杆12与叶片5连接，带动叶片转动，其转速为80rpm；

(6)在上述兑水后的sio2抛光液中，加入适量的h2o2和微量的h3po4，总体积约为2.8l，ph值得从原先混合前的10.2降低至混合后约为8.8，充分超声和搅拌3min后，通过蠕动泵混合抛光液引入到cmp设备中；

(7)抛光液温度控制。如图3，plc设定温度为26℃。热电偶10实时将超声水温度传输到温度变送器9，当超声水温度超过26℃，温度变送器9输出高电平到plc，通过plc中的cpu运算，由于两端电平信号存在差值，plc控制电磁阀2开启。受热冷却水通过单向阀1和开启的电磁阀2流入到冷却系统(冷却系统包括闭式循环冷却器3、闭式循环水泵4、凝汽器5、循环水泵6和单向阀8等部件)，从冷却系统流出的冷却水通过单向阀7，被引入到超声水四周进行冷却。当超声水温度检测小于26℃，温度变送器9输出低电平到plc，plc控制电磁阀2关闭，循环冷却水输入停止，确保混合抛光液处于26±2℃；

基于上述机械式混合抛光液的分散方法，可有效减少ge表面在cmp过程中所产生的重度深坑和深度划痕等缺陷，抛光后表面粗糙度小于1nm。