CN104400624A

CN104400624A - 固结磨料化学机械抛光铜的加工方法

Info

Publication number: CN104400624A
Application number: CN201410556103.6A
Authority: CN
Inventors: 李军; 黄建东; 朱永伟; 左敦稳; 宋龙龙
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2034-10-20
Also published as: CN104400624B

Abstract

一种固结磨料化学机械抛光铜的加工方法，其特征是采用氧化铈固结磨料抛光垫对铜或铜膜进行抛光加工，控制抛光温度在10~30℃，抛光压力控制在10~50kPa，抛光液由不含磨料的去离子水、表面活性剂、抑制剂、配位剂、pH调节剂、氧化剂和氧化剂稳定剂组成，抛光液流速为60~200ml/min，抛光盘转速为50~200r/min，可获得纳米级精度的表面粗糙度，表面质量优。本发明提高了铜的加工效率和表面质量，避免磨粒划伤金属表面，成品合格率高，不会造成环境污染，清洗容易，成本低。

Description

固结磨料化学机械抛光铜的加工方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料的加工方法，尤其是集成电路中铜和铜膜的加工方法，具体说是一种固结磨料化学机械抛光铜的加工方法。

背景技术

目前，铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上，用于各种电缆和导线，电机和变压器，开关以及印刷线路板的制造中。铜在集成电路领域应用尤为重要，在集成电路的制造工艺中，由于铜具有更低的介电常数和电阻率，铜取代铝成为互连材料，80%的芯片缺陷与互连有关，铜互连线及介质层的厚度偏差、表面缺陷成为影响芯片性能的关键因素之一；铜较软，精密加工过程中容易被划伤表面。

目前铜的加工方法大都采用游离磨料化学机械抛光加工，美国专利为US 5527423公开了一种用于金属层的化学机械抛光液，其抛光液采用游离磨粒，磨粒对工件表面滚轧和微量刻划同时作用，当磨粒粒径较大时，滚轧效果更加明显，压入工件的深度也较深，产生较大的亚表面损伤，其次游离磨料对环境污染比较严重且浪费磨粒；中国专利CN201110279927.X公开了一种铜化学机械抛光组合物，其采用的压力过低，小于0.5psi，其材料去除率很低，不适合大规模生产；中国专利CN200780040805.7公开了一种用于铜/钌/钽的化学机械方法，其磨料采用氧化铝，表面凹陷比较严重，表面损伤较为严重，影响了表面质量；中国专利CN200410006812.3公开了一种化学机械抛光浆料，其要求PH为3~4范围，对设备抗腐蚀能力要求比较高，设备腐蚀比较严重。游离磨料化学机械抛光铜，抛光液中的硬质磨料容易损伤铜表面，很难获得高质量表面，磨料利用率不高并且加工后会残留工件表面不易清洗。

发明内容

本发明的目的是针对现有的游离磨料化学机械抛光铜时表面材料去除率不可控，全局平坦化效果差，易划伤金属表面，同时游离磨料抛光铜工艺复杂，大量使用抛光液，加工成本高；后清洗困难，抛光废液及清洗过程中大量有害化学物品污染环境等一系列问题，发明一种加工效率高，工艺简单，表面质量优的抛光方法；磨料固结在抛光垫中，抛光液中没有随机分布的磨粒，避免磨粒划伤金属表面，减少表面亚表面损伤，后清洗简单，加工成本低。

本发明的目的可通过下述技术方案实现：

一种固结磨料化学机械抛光铜的加工方法，其特征包括以下步骤：

首先，配制抛光液，控制抛光液的pH为3~10；

其次，采用固结磨料抛光垫对铜进行抛光加工，抛光过程中抛光温度控制在10~30℃，抛光压力控制在10~50Kpa，抛光液流速为60~200ml/min，抛光盘转速为50~200r/min, 直至表面质量满足设定要求。

所述的抛光垫为氧化铈固结磨料抛光垫。

所述的抛光液由不含磨料的去离子水、表面活性剂、抑制剂、配位剂、pH调节剂、氧化剂、氧化剂稳定剂和pH调节剂组成。

所述的抛光液中表面活性剂采用OP-10（辛基酚聚氧乙烯醚-10）、NP-10(壬基酚聚氧乙烯醚)、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂或季铵盐的一种或一种以上的组合，体积分数为0.1%~1%。

所述的抛光液中抑制剂采用苯并三氮唑、山梨酸钾、十二烷基硫酸铵或3-氨基-1，2，4三氮唑、亚乙基硫脲的一种或一种以上的组合，质量分数为0.1%~1%。

所述的抛光液中配位剂采用乙二胺、三乙醇胺、氨基乙酸、氨水、乙二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、氨基三甲叉膦酸的一种或一种以上的组合，体积分数为0.3%~1%。

所述的抛光液中pH调节剂采用柠檬酸、乙二胺、盐酸、草酸、硝酸、次氯酸钠的一种或一种以上的组合。

所述的抛光液中氧化剂采用过氧化氢、过乙酸或硝酸铁的一种或一种以上的组合，体积分数为1%~5%。

所述的抛光液中氧化剂稳定剂采用硅酸钠、硅酸镁、聚丙烯酰胺、过氧乙酸、尿素的一种或一种以上组合，质量分数为0.1%~1%。

本发明的有益效果是：

本发明所采用抛光垫为固结磨料抛光垫，其主要特征是磨料镶嵌于抛光垫中，抛光垫内部采用微观孔状结构以达到自修整功能，抛光液不含磨料，只含有去离子水和几种简单的化学试剂不仅成本低、利用率高，抛光垫修整后可重复利用，而且不会污染环境。

本发明抛光液中不含磨粒，工件加工后表面无磨粒残留，易清洗，废液处理简单并且材料去除率高，获得的表面粗糙度好，无凹坑等缺陷。

本发明采用固结磨料化学机械抛光解决了传统游离磨料抛光所产生的亚表面损伤高、加工效率低、污染环境等问题。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作详细描述。

实例1。

一种固结磨料化学机械抛光铜的加工方法，它包括以下步骤：

首先，配制抛光液，抛光液中乙二胺体积分数为0.8%，OP-10体积分数0.3%，双氧水体积分数为5%，苯并三氮唑质量分数0.1%，硅酸镁质量分数为0.5%，余量为去离子水，用柠檬酸（或乙二胺、盐酸、草酸、硝酸、次氯酸钠）调节抛光液的pH为10；

其次，采用粒度为3μm的氧化铈固结磨料抛光垫对铜片进行抛光，抛光液温度为25℃，抛光压力为35Kpa，抛光液流速为100ml/min，抛光盘转速为75r/min，抛光时间控制在15min。抛光后表面粗糙度为2.65nm，材料去除率为0.1μm/min，无划痕，表面质量好。

实例2。

首先，配制抛光液，抛光液中三乙醇胺体积分数为0.5%，NP-10体积分数0.3%，过乙酸体积分数为3%，十二烷基硫酸铵质量分数0.5%，硅酸钠质量分数为0.3%，用乙二胺（或柠檬酸、盐酸、草酸、硝酸、次氯酸钠）调节抛光液的pH为9；

其次，采用粒度为1μm的氧化铈固结磨料抛光垫对铜膜进行抛光，抛光液温度为20℃，抛光压力为25Kpa，抛光液流速为80ml/min，抛光盘转速为100r/min，抛光时间控制在20min。抛光后表面粗糙度为1.51nm，材料去除率为0.15μm/min，无划痕，表面质量好。

实例3。

首先，配制抛光液，抛光液中氨基乙酸体积分数为0.3%，十二烷基苯磺酸钠体积分数0.1%，硝酸铁体积分数为1%， 3-氨基-1，2，4三氮唑质量分数0.3%，聚丙烯酰胺质量分数为0.1%，用次氯酸钠（或柠檬酸、盐酸、草酸、硝酸、乙二胺）调节抛光液的pH为5；

采用粒度为3μm的氧化铈固结磨料抛光垫对铜片进行抛光，抛光液温度为30℃，抛光压力为10Kpa，抛光液流速为60ml/min，抛光盘转速为50r/min，抛光时间控制在25min。抛光后表面粗糙度为3.16nm，材料去除率为0.23μm/min，无划痕，表面质量好。

实例4。

首先，配制抛光液，抛光液中氨基乙酸体积分数为1%，NP-10体积分数1%，过乙酸体积分数为4%，山梨酸钾质量分数1%，尿素质量分数为1%，用草酸（或柠檬酸、盐酸、乙二胺、硝酸、次氯酸钠）调节抛光液的pH为3；

其次，采用粒度为2μm的氧化铈固结磨料抛光垫对铜膜进行抛光，抛光液温度为10℃，抛光压力为50kpa，抛光液流速为200ml/min，抛光盘转速为200r/min，抛光时间控制在30min。抛光后表面粗糙度为1.41nm，材料去除率为0.14μm/min，无划痕，表面质量好。

本发明的氧化铈固结磨料抛光垫的成分及制备方法可采用申请人在先申请的申请号为201010145260.X的方法和配方加以实现，其制备方法可参照申请人在先申请的相关固结磨料抛光垫的制备方法。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims

1.一种固结磨料化学机械抛光铜的加工方法，其特征是采用固结磨料抛光垫对铜进行抛光加工，抛光过程中抛光温度控制在10~30℃，抛光压力控制在10~50kpa，抛光液pH为3~10，抛光液流速为60~200ml/min，抛光垫转速为50~200r/min, 直至表面质量满足设定要求。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征是所述的固结磨料抛光垫为氧化铈固结磨料抛光垫，固结磨料的粒度不超过3微米。

3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征是所述的抛光液由不含磨料的去离子水、表面活性剂、抑制剂、配位剂、pH调节剂、氧化剂、氧化剂稳定剂以及pH调节剂组成。

4.根据权利要求1和3所述的加工方法，其特征是所述的抛光液中表面活性剂采用OP-10（辛基酚聚氧乙烯醚-10）、NP-10(壬基酚聚氧乙烯醚)、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂或季铵盐的一种或一种以上的组合，体积分数为0.1%~1%。

5.根据权利要求1和3所述的加工方法，其特征是所述的抛光液中抑制剂采用苯并三氮唑、山梨酸钾、十二烷基硫酸铵或3-氨基-1，2，4三氮唑、亚乙基硫脲的一种或一种以上的组合，质量分数为0.1%~1%。

6.根据权利要求1和3所述的加工方法，其特征是所述的抛光液中配位剂采用乙二胺、三乙醇胺、氨基乙酸、氨水、乙二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、氨基三甲叉膦酸的一种或一种以上的组合，体积分数为0.3%~1%。

7.根据权利要求1和3所述的加工方法，其特征是所述的抛光液中pH调节剂采用柠檬酸、乙二胺、盐酸、草酸、硝酸、次氯酸钠的一种或一种以上的组合。

8.根据权利要求1和3所述的加工方法，其特征是所述的抛光液中氧化剂采用过氧化氢、过乙酸或硝酸铁的一种或一种以上的组合，体积分数为1%~5%。

9.根据权利要求1和3所述的加工方法，其特征是所述的抛光液中氧化剂稳定剂采用硅酸钠、硅酸镁、聚丙烯酰胺、过氧乙酸、尿素的一种或一种以上组合，质量分数为0.1%~1%。