CN107164764A - 一种铜的环保化学机械抛光方法 - Google Patents

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Abstract

一种铜的环保化学机械抛光方法，属于超精密加工技术领域。陶瓷研磨颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁、二氧化铈，颗粒的平均粒径为20‑120nm，重量百分比1‑6％。氨基有机物为脯氨酸、氨基葡萄糖、壳寡糖、甲壳素、纤维素，重量百分比为0.4‑2.5％。抛光液的pH值为3‑7。对铜片进行研磨，研磨液为去离子水，然后对铜片进行化学机械抛光，抛光时工件和抛光盘的转速均为40‑80rpm，压力为20‑40kPa，抛光液流速为60‑80mL/min，抛光时间为5‑10min。抛光铜片的测量范围为50×70μm2，表面粗糙度Ra达到0.4‑0.7nm。本发明实现了铜的超光滑超低损伤环保化学机械抛光。

Description

一种铜的环保化学机械抛光方法
技术领域
本发明属于软塑金属超精密加工技术领域，涉及一种铜的环保化学机械抛光方法。
背景技术
随着超大规模集成电路的发展，集成电路芯片的特征尺寸越来越小，集成度越来越高，这就对集成电路的布线层金属的加工提出了苛刻的要求。铜具有较高的电子迁移性和较低的电阻率，已经逐步取代铝成为集成电路的主要布线层金属。
铜的质地比较软，且容易发生氧化，这使得铜的超精密加工非常困难。化学机械抛光是一种能达到全局平坦化的超精密加工技术。它综合了化学作用和机械作用，既可以高效地去除表面多余的铜材料，又能保证布线层不受损伤。但是目前的铜化学机械抛光中，抛光液一般含有氧化剂、络合剂、表面活性剂、腐蚀抑制剂、成膜剂、pH调节剂、杀菌剂，这些添加剂很难保证各添加剂之间不发生影响抛光效果的化学反应，导致抛光液的稳定性和抛光效果难以重复和保证。因此，目前的铜的化学机械抛光后，表面粗糙度Ra很难达到亚纳米精度，一般的Ra为2-3nm以上，而且测试很多都是采用原子力显微镜，测量范围为1×1μm2，或者5×5μm2，这与工业上通常采用的测量范围50×70μm2尚有一定的差距。随着测试面积的增大，得到的粗糙度Ra值一般也增大，因此铜化学机械抛光后，在50×70μm2范围内达到亚纳米精度表面粗糙度Ra是较为困难的。此外，现有的抛光液大都加入了腐蚀抑制剂(如苯丙三氮唑)、强氧化剂(如硝酸)等强酸、强碱和有毒的化工试剂，对环境和操作人具有重大的潜在危害，不符合绿色环保的化学机械抛光要求，同时也增加了这些化学机械抛光液的操作、储存、运输、后处理的时间和成本。
发明内容
本发明提供了一种铜的环保化学机械抛光方法，该方法采用陶瓷研磨颗粒，氧化剂，去离子水和一种氨基有机物配制抛光液，实现铜的超光滑超低损伤化学机械抛光。
本发明采用的技术方案如下:
一种铜的环保化学机械抛光方法，采用陶瓷研磨颗粒，氧化剂，去离子水和一种氨基有机物配制抛光液。陶瓷研磨颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁、二氧化铈中的一种或几种，颗粒的平均粒径为20-120nm，重量百分比1-6％。氨基有机物为脯氨酸、氨基葡萄糖、壳寡糖、甲壳素、纤维素中的一种，重量百分比为0.4-2.5％。抛光液的pH值为3-7。首先对铜片进行研磨，研磨液为去离子水，然后对铜片进行化学机械抛光，抛光时工件和抛光盘的转速均为40-80rpm，压力为20-40kPa，抛光液流速为60-80mL/min，抛光时间为5-10min。抛光铜片的测量范围为50×70μm2，表面粗糙度Ra可以达到0.4-0.7nm。本发明实现了铜的超光滑超低损伤环保化学机械抛光。
陶瓷研磨颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁、二氧化铈中的一种或几种，颗粒的平均粒径为20-120nm，重量百分比1-6％。选择自然界中存在的矿物如二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁、二氧化铈中的一种作为磨料，绿色环保，颗粒的平均粒径为20-120nm为宜，高于这个范围容易在铜表面产生划痕，低于这个范围，纳米颗粒容易团聚，而且加工效率低，团聚后也容易产生划痕。磨料的重量百分比为1-6％，磨料浓度低会导致去除率较低，磨料浓度高会在加工表面留下划痕。
氧化剂为过氧化氢、碘酸钾、高锰酸钾中的一种或几种，重量百分比为3-9％。本发明的抛光液中包含的氧化剂可以将金属铜氧化，磨料可以快速去除多余的金属铜。所选择的氧化剂均可作为医用消毒剂来使用，对人体和环境的损害极低，而且具有杀菌作用，对于保证抛光液的稳定性具有重要的作用。氧化剂的重量百分比为1-6％为宜，太小或太大都会使抛光后表面质量下降。
氨基有机物为脯氨酸、氨基葡萄糖、壳寡糖、甲壳素、纤维素中的一种，重量百分比为0.4-2.5％。本发明中的氨基有机物，均为食品添加剂，绿色环保。氨基有机物对铜离子有较强的络合能力，能起到络合剂的作用，同时可以降低抛光液的表面张力，起到表面活性剂的作用，是一种多功能的抛光液添加剂，经试验确定，所选的氨基有机物的重量百分比为0.4-2.5％为宜，太大或太小都会导致抛光效果变差。
抛光液的pH值为3-7。抛光液属于酸性抛光液，低于这个范围酸性太强，导致铜的表面抛光后会出现酸性腐蚀坑，高于这个范围，属于碱性抛光液范围，也会在抛光表面留下碱性的腐蚀坑，均使得抛光效果变差。
首先对铜片进行研磨，研磨液为去离子水，将固结磨料的碳化硅研磨砂纸固定在研磨盘上，粒度为1000-5000，研磨盘转速为20-60rpm，压力为4-8kPa，研磨时间为3-10min。研磨阶段采用固结磨料对铜片进行研磨，相比于游离磨料研磨，可以有效地避免研磨过程中磨料的嵌入；磨料的粒度以1000-5000为宜，太大会导致去除率太低，太小对工件损伤较大。综合考虑研磨效率和质量，在保证去除量的同时，尽可能减少对工件的划伤，因此选择了合适的研磨工艺参数。使用去离子水作为研磨液，避免了对环境的污染和对操作人员健康的损害。
然后对铜片进行化学机械抛光，抛光时工件和抛光盘的转速均为40-80rpm，压力为20-40kPa，抛光液流速为60-80mL/min，抛光时间为5-10min。抛光时，压力太小会导致去除率较低，压力太大会导致抛光后铜片表面出现较多的划痕，经过实验确定压力在20-40kPa为宜。转速太小抛光后表面会有较多的腐蚀坑，转速太大抛光后表面会有较多的划痕，所以确定转速在40-80rpm。抛光液流速小，抛光时间短，会导致去除量较低，且抛光后表面质量较差；而抛光液流速大，抛光时间长时，又会造成抛光液的浪费，增加了抛光的成本和时间。经过实验发现，在保证抛光后铜片表面质量的情况下，抛光液流速确定为60-80mL/min，抛光时间确定为5-10min。
抛光后，用去离子水冲洗抛光表面，并用压缩空气吹干。清洗过程采用去离子冲洗抛光表面，绿色环保；压缩空气来自于自然界，也是绿色环保的吹干方式。
抛光铜片的测量范围为50×70μm2，表面粗糙度Ra可以达到0.4-0.7nm。50×70μm2符合常用的工业测试范围，表面粗糙度Ra 0.4-0.7nm已经达到了亚纳米精度，实现了铜的超光滑超低损伤环保化学机械抛光。
本发明的环保化学机械抛光效果在于：(1)本发明的抛光液中的添加剂种类很少，从而大大减少或者防止了使得抛光液变质的化学反应；(2)本发明的抛光液是环保型化学机械抛光液，对造作者和环境无毒无害；(3)本发明的抛光方法，研磨-抛光-清洗过程，都是绿色环保的，对环境和操作人员的风险降到了极低的水平，同时对操作环境和操作者的要求也大大降低，节省了抛光时间和成本。
附图说明
附图1为采用本发明抛光后用Zygo NewView 5022白光干涉仪测量的铜表面粗糙度的结果。抛光后的铜片表面粗糙度Ra值为0.663nm，PV值6.734nm，rms值0.831nm。
附图2为采用本发明抛光后用Zygo NewView 5022白光干涉仪测量的铜表面粗糙度的结果。抛光后的铜片表面粗糙度Ra值0.503nm，PV值5.260nm，rms值0.634nm。
附图3为采用本发明抛光后用Zygo NewView 5022白光干涉仪测量的铜表面粗糙度的结果。抛光后的铜片表面粗糙度Ra值0.444nm，PV值5.468nm，rms值0.561nm。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的阐述，但不应解释为限制本发明的范围。
研磨：加工样件为纯度99.99％铜片，长、宽、厚分别为15mm，15mm，1mm。先将三个铜片用强力双面胶均匀地固定在400g的铝合金配重盘上，配重盘直径为80mm，厚度为12mm。研磨阶段使用#3000碳化硅砂纸，研磨时间5min，压力6kPa，转速30rpm。
抛光液：磨料为硅溶胶，平均粒径20nm，硅溶胶pH为9.5；氧化剂为科密欧公司生产的30％过氧化氢溶液；氨基有机物为平均分子量2000的壳寡糖。
抛光过程：先将抛光液中的其他成分混合，氧化剂在抛光实验前再加入；抛光机为380mm YJ-Y380型化学机械抛光机。抛光垫为530N7501型阻尼布抛光垫，抛光液流速为70mL/min，抛光压力30kPa，抛光时间7min，抛光温度25℃。
抛光后铜片表面质量的检测：使用白光干涉仪检测抛光后铜片的表面粗糙度，测量范围为50×70μm2。
实施例1：
抛光液：硅溶胶含量为2wt.％；氧化剂含量为6wt.％，壳寡糖含量为0.6％。
抛光过程：抛光盘转速为50rpm；抛光头转速50rpm，抛光垫转速为50rpm。
抛光后的铜片表面粗糙度Ra值为0.663nm，PV值6.734nm，rms值0.831nm(见附图1)。
实施例2：
抛光液：硅溶胶含量为3wt.％；氧化剂含量为6wt.％，壳寡糖含量为1％。
抛光过程：抛光盘转速为60rpm；抛光头转速60rpm，抛光垫转速为60rpm。
抛光后的铜片表面粗糙度Ra值0.503nm，PV值5.260nm，rms值0.634nm(见附图2)。
实施例3：
抛光液：硅溶胶含量为4wt.％；氧化剂含量为6wt.％，壳寡糖含量为0.8％。
抛光过程：抛光盘转速为70rpm；抛光头转速70rpm，抛光垫转速为70rpm。
抛光后的铜片表面粗糙度Ra值0.444nm，PV值5.468nm，rms值0.561nm(见附图3)。

Claims (1)

1.一种铜的环保化学机械抛光方法，采用陶瓷研磨颗粒，氧化剂，去离子水和一种氨基有机物配制抛光液，实现铜的超光滑超低损伤化学机械抛光；其特征是：
1)陶瓷研磨颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁、二氧化铈中的一种或几种，颗粒的平均粒径为20-120nm，重量百分比1-6％；氧化剂为过氧化氢、碘酸钾、高锰酸钾中的一种或几种，重量百分比为3-9％；氨基有机物为脯氨酸、氨基葡萄糖、壳寡糖、甲壳素、纤维素中的一种，重量百分比为0.4-2.5％；抛光液的pH值为3-7；
2)首先对铜片进行研磨，研磨液为去离子水，将固结磨料的碳化硅研磨砂纸固定在研磨盘上，粒度为1000-5000，研磨盘转速为20-60rpm，压力为4-8kPa，研磨时间为3-10min；
3)然后对铜片进行化学机械抛光，抛光时工件和抛光盘的转速均为40-80rpm，压力为20-40kPa，抛光液流速为60-80mL/min，抛光时间为5-10min；
4)抛光后，用去离子水冲洗抛光表面，并用压缩空气吹干；
5)抛光铜片的测量范围为50×70μm2，表面粗糙度Ra可以达到0.4-0.7nm。
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