低应力高效平坦化中的跨尺度接触与流动行为研究

针对下一代极大规模集成电路制造中低强度Cu/ultralow-k结构表面的低应力高效平坦化加工要求以及目前Cu/ultralow-k结构在平坦化过程中因局部接触压力过大而产生材料损伤和界面剥离等严重问题，提出通过提高宏/微观接触应力均匀性及排屑效率实现兼顾低应力和高效率的平坦化加工，并展开相关基础理论研究。采用多级微结构三维重构技术、微观接触力学试验装置、流固耦合数值模拟方法和全系统混合润滑模型研究化学机械平坦化（CMP）中的跨尺度接触行为和固液两相微流动，揭示造成宏/微观接触应力不均的本质原因及磨屑的运动规律，优化宏观结构及抛光垫微观形貌提高真实接触应力均匀性，并在抛光垫表面合理设计沟槽或深孔实现磨屑高效排出。通过对CMP中接触和流动行为系统和深入地研究，提出原创性的理论模型，为CMP技术的进一步发展和新型平坦化技术的研究提供理论支撑，对提高微电子制造技术水平具有重要意义。

针对下一代极大规模集成电路制造中低强度Cu/ultralow-k结构表面的低应力高效平坦化加工要求以及目前Cu/ultralow-k结构在平坦化过程中因局部接触压力过大而产生材料损伤和界面剥离等严重问题，围绕CMP过程中的宏/微观接触和流动行为开展了研究。重点开展了：1）微观尺度多级粗糙间隙内的流动行为分析方法研究；2）抛光垫粗糙表面的接触行为试验与理论研究；3）抛光过程中宏/微跨尺度流固耦合分析模型及高效高精度分析方法研究；4）CMP工艺过程分析软件平台开发工作，主要进展如下：.（1）利用格子波尔兹曼方法研究了抛光垫与晶圆表面之间多级粗糙间隙内的流动行为，提出了多级粗糙间隙的流量因子计算方法，为晶圆尺度抛光液流动行为的研究打下了基础。.（2）研制了可模拟CMP在位工况的真实接触面积观测系统，通过气路控制，实现可控加载、脉动加载和剪力作用条件下抛光垫微观接触行为的观察测量，研究了抛光垫在干、湿环境和抛光液环境下的接触特性，发现抛光垫在液体环境下有明显的粘弹塑性行为。.（3）建立了多级粗糙表面的接触力学模型，提出了将串联模型应用于沟槽抛光垫刚度计算的新方法，对单级沟槽抛光垫、多级沟槽抛光垫、开孔抛光垫的接触刚度进行了分析。.（4）为了研究晶圆尺度的抛光液流动和接触压力分布特性，建立了宏观尺度的全系统混合润滑模型，研究了CMP中的跨尺度接触行为，揭示了造成宏/微观接触应力不均的原因，分析了抛光垫特性对接触压力分布的影响。.（5）通过对CMP中接触和流动行为系统和深入地研究，提出了分析CMP过程中流固耦合行为的高效高精度分析模型，研制了相应的分析软件，为CMP技术的进一步发展和新型平坦化技术的研究提供理论支撑。.通过本项目的研究，丰富了化学机械抛光机理研究的理论和试验方法，对于化学机械抛光工艺技术研究具有重要意义。