超精表面加工中基于纳米颗粒接触原子磨损的无损伤去除机理研究

With the technology development of the integrated circuit line width to 32 nm and below, it is unavoidable for multi-layer cabling structure to apply copper and Low k dielectric layer material with low strength. This requires the planarization process be carried out under low down pressure（less than 1 psi,an order of magnitude lower than the conventional pressure）but with high surface material removal rate and achieving super smooth, defect-free surface, which bring to traditional Chemical Mechanical Polishing(CMP) technology an unprecedented challenge. Aiming at the problem, we put forward a new ideas based on the defect-free removal of surface material by nanoparticles contact adhesion effect, explore the new method for surperfinish surface manufacture under low down pressure. The physical chemistry effects of nanoparticle in polishing slurry, the fluid movement and the chemical mechanical function law of them will be researched. The action manner beween nanoparticle and surface and the material removal mechanism under different pressure will be investigated. Based on the contact mechanics, fluid mechanics, interface physical chemistry, tribology principle, the material removal mathematical model for low pressure polishing system will be established. New low-pressure polishing technology and polishing mechanism will be explored, which will provide technical and theoretical support for the manufacture of the next generation integrated circuit.

随着集成电路向32纳米及以下线宽技术发展，多层布线结构必须采用铜及低强度low k介质层材料布线技术，要求平坦化过程在较低的下压力条件下（小于1psi，比常规抛光下压力低一个数量级）以较高的表面材料去除率获得超光滑无损伤表面，给传统的化学机械抛光（CMP）技术带来了前所未有的挑战。本项目针对此问题，提出基于纳米颗粒接触原子磨损的无损伤去除新思路，探索低压力条件下超精表面加工的新方法。研究抛光液中纳米颗粒的物理化学作用、流体运动，化学机械作用等规律，研究不同压力下纳米颗粒与表面的作用形式及材料去除方式，以接触力学、流体力学、分子动力学、界面物理化学、摩擦学等原理为基础，建立适合低压力下纳米颗粒无损去除的抛光系统数学模型，探索新型低压力无损抛光技术及抛光机理，为下一代集成电路芯片的制造提供技术和理论支持。

化学机械抛光（CMP）是目前集成电路制造中实现晶圆全局平坦化的核心技术。CMP中纳米颗粒的作用对实现材料去除以及实现原子级光滑表面非常关键，但是目前纳米颗粒的作用机理以及颗粒的行为与超精无损伤表面形成的关系目前尚不清楚，制约了超精表面制造技术的发展。本项目针对此问题，开展了如下研究：采用分子动力学模型建立了纳米颗粒与表面之间的微观作用模型，研究了纳米颗粒作用表面的微观去除机理，发现随着抛光下压力的降低，颗粒的粘附及碰撞去除在材料去除中将占有越来越重要的作用；通过单个纳米颗粒与抛光片、抛光垫之间的作用关系，建立了不同接触状态下单个纳米颗粒的去除率公式，获得了颗粒去除率与颗粒力学特性、运动速度、下压力等参数的关系，并通过单个纳米颗粒的实验，证实了在低下压力下颗粒的粘附去除为主； 采用荧光示踪观测等技术，观测了低载荷下CMP 中纳米颗粒的动态行为，发现了抛光液pH值，离子浓度等对颗粒运动速度的影响，并用双电层理论进行了解释；制备了核壳型复合颗粒，发展了测量单个复合纳米颗粒力学特性的方法，通过改变壳的厚度获得了具有不同弹性模量的纳米颗粒；在以上理论研究的基础上，制定了蓝宝石抛光工艺，并获得了原子级光滑表面，研究了纳米颗粒在原子台阶上的接触摩擦机理，揭示了蓝宝石抛光中超精表面形成的机制。项目共发表相关论文25篇，其中SCI论文24篇，发表论文被SCI核心合集引用109次。授权技术发明专利3项。培养研究生6名。参加国际会议做报告6次，其中特邀报告2次，口头报告4次，参加国内会议做口头报告1次，并获得优秀论文奖。获2014年教育部自然科学二等奖1项。