[00135370]单晶硅基片平坦化理论与技术应用研究

1.项目来源 本项目来源于河南省教育厅项目资助（N0.2009A460004,“硬脆晶体基片平坦化新方法研究” 2009.1-2011.12 ：及 NO‘ 2008B460007 1 ＂复杂曲曲超精密加工技术与设备研究”, 2008.1-2010.10） 2.应用领域 本项目研究的单晶 Si 片超精密加工理论与技术,主要应用于集成电路衬底等微电子、 光电子、 等领域中。 3.主要工作 （1）运用摩擦学、 接触力学、 物理学等理论,研究并建立硅片CMP加工时研抛工 具与工件表面微接触力学模型、 摩擦力分布模型、 材料去除和表面形成模型, 通过分析和计算机仿真,分析研抛过程中工件表面纳米摩擦／磨损、 物理吸附、 热传导等微观力学行为和物理化学作用,研究CMP加工时的材料去除机理以及表面微粗糙度、 表面损伤和缺陷的形成机理 。 （2）利用精密化学机械抛光机进行 CMP 工艺在验,研究了硅片面型精度、 表面粗糙皮、 表面和亚表面损伤等指标的评价方法,研究了研抛工具（种类、 材料、 结构等）、 抛光液（成份、 浓度、 流速等）、 抛光头(转速、 压力等〉、 抛光盘（面型精度、 运动精度和转速等）和环境等因素的工艺参数对上述指标的影响,建立工艺 参数与加工精度和表面质量主要指标的关系以及工艺参数优化模型;最后将实验研 究结果与理论模拟研究结果相结合,确定了CMP优化工艺参数 。 4.与国内外技术比较 本项目以单晶硅片为研究对象, 综合运用物理、 化学和摩擦学等多学科理论和 方法,研究单晶硅片化学机械抛光过程中的理论、 方法及其研抛工具设计与制造技 术。通过理论分析、 数值模拟和实验研究, 揭示应用化学机械研抛加工单晶硅片时表面形成和损伤机理,及其遵循的物理化学作用规律,研究实现纳米级表面粗糙度、亚微米面型精度和元表面损伤加工的优化工艺方案。 提出的硅片与抛光垫之间的接触形式判别方法、 建立的硅片表面的摩擦力及摩擦力分布的理论模型、 提出的基于 像素统计原理的硅片表面磨粒运动轨迹分布密度统计分析方法、 建立了硅片内材料去除非均匀性预测模型等在理论上具有很大的创新性, 没有发现国内外文献报道。 5.创新点 （ 1）提出了硅片与抛光垫之间的接触形式判别方法,得出了CMP过程中硅片 与抛光垫的接触形式是实体接触、硅片表面的润滑状态为化学边界润滑的重要结论。 （2）建立了CMP过程中作用于硅片表面的摩擦力及摩擦力分布的理论模型,分析了抛光运动参数对硅片表面摩擦力及摩擦力分布非均匀性的影响,为抛光机设计及硅片CMP材料去除机理提供理论依据。 （3）建立了磨粒在硅片表面的运动轨迹模型以及基于磨粒运动轨迹长度的硅片表面材料去除丰模型,提出了基于像素统计原理的硅片表面磨粒运动轨迹分布密度统计分析方法,建立了硅片内材料去除非均匀性预测模型,为进一步理解CMP的材料去除机理提供了理论依据。 （4）获得了硅片表面摩擦力分布非均匀性、硅片与抛光垫之间相对速度分布非均匀性、接触压力分布非均匀性以及磨粒在硅片表面运动轨迹分布非均匀性,与硅片内材料去除非均匀性的实验结果进行比较,发现只有磨粒在硅片表面上的运动轨迹分布非均匀性与实验结果一致,揭示了磨粒在硅片表面运动轨迹分布非均匀性是造成硅片表面材料去除非均匀性的主要因素。 6.研究意义 微电子、光电子产业离不开集成电路（IC）,集成电路又是电子信息产业的核心,是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术之一。国外发达国家对涉及尖端技术领域和商业机密的核心理论和关键技术极其严格保密。因此,无论是从满足国内柔性显示电子产品的发展需求着想,还是从与国际市场接轨,参与激烈的国际竞争,抢占技术制高点的战略角度考虑,开展单晶硅片超精密加工技术的系统研究很有必要。本项目是多学科交叉的前沿性研究课题,对于丰富超精密加工理论,提高我国超精密加工水平,促进我国微电子和光电子高新技术产业发展,具有重要的科学意义和应用价值。 7.主要技术指标 以单晶硅片为例,深入系统地,研究了羊晶硅片高效超精密化学机械千坦化的理 论问题和关键技术,建立的硅片表面的摩擦力及摩擦力分布的理论模型、提出的基 于像素统计原理的硅片表面磨粒运动轨迹分布密度统计分析方法等,在理论上具有 很大的创新性,,利用该理论与方法,对单晶硅片进行加工,表面粗糙度Ra达lnm以下。