一種銅的環保化學機械拋光方法與流程

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本發明屬于軟塑金屬超精密加工技術領域，涉及一種銅的環保化學機械拋光方法。

背景技術：

隨著超大規模集成電路的發展，集成電路芯片的特征尺寸越來越小，集成度越來越高，這就對集成電路的布線層金屬的加工提出了苛刻的要求。銅具有較高的電子遷移性和較低的電阻率，已經逐步取代鋁成為集成電路的主要布線層金屬。

銅的質地比較軟，且容易發生氧化，這使得銅的超精密加工非常困難。化學機械拋光是一種能達到全局平坦化的超精密加工技術。它綜合了化學作用和機械作用，既可以高效地去除表面多余的銅材料，又能保證布線層不受損傷。但是目前的銅化學機械拋光中，拋光液一般含有氧化劑、絡合劑、表面活性劑、腐蝕抑制劑、成膜劑、ph調節劑、殺菌劑，這些添加劑很難保證各添加劑之間不發生影響拋光效果的化學反應，導致拋光液的穩定性和拋光效果難以重復和保證。因此，目前的銅的化學機械拋光后，表面粗糙度ra很難達到亞納米精度，一般的ra為2-3nm以上，而且測試很多都是采用原子力顯微鏡，測量范圍為1×1μm²，或者5×5μm²，這與工業上通常采用的測量范圍50×70μm²尚有一定的差距。隨著測試面積的增大，得到的粗糙度ra值一般也增大，因此銅化學機械拋光后，在50×70μm²范圍內達到亞納米精度表面粗糙度ra是較為困難的。此外，現有的拋光液大都加入了腐蝕抑制劑(如苯丙三氮唑)、強氧化劑(如硝酸)等強酸、強堿和有毒的化工試劑，對環境和操作人具有重大的潛在危害，不符合綠色環保的化學機械拋光要求，同時也增加了這些化學機械拋光液的操作、儲存、運輸、后處理的時間和成本。

技術實現要素：

本發明提供了一種銅的環保化學機械拋光方法，該方法采用陶瓷研磨顆粒，氧化劑，去離子水和一種氨基有機物配制拋光液，實現銅的超光滑超低損傷化學機械拋光。

本發明采用的技術方案如下:

一種銅的環保化學機械拋光方法，采用陶瓷研磨顆粒，氧化劑，去離子水和一種氨基有機物配制拋光液。陶瓷研磨顆粒為二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鎂、二氧化鈰中的一種或幾種，顆粒的平均粒徑為20-120nm，重量百分比1-6％。氨基有機物為脯氨酸、氨基葡萄糖、殼寡糖、甲殼素、纖維素中的一種，重量百分比為0.4-2.5％。拋光液的ph值為3-7。首先對銅片進行研磨，研磨液為去離子水，然后對銅片進行化學機械拋光，拋光時工件和拋光盤的轉速均為40-80rpm，壓力為20-40kpa，拋光液流速為60-80ml/min，拋光時間為5-10min。拋光銅片的測量范圍為50×70μm²，表面粗糙度ra可以達到0.4-0.7nm。本發明實現了銅的超光滑超低損傷環保化學機械拋光。

陶瓷研磨顆粒為二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鎂、二氧化鈰中的一種或幾種，顆粒的平均粒徑為20-120nm，重量百分比1-6％。選擇自然界中存在的礦物如二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鎂、二氧化鈰中的一種作為磨料，綠色環保，顆粒的平均粒徑為20-120nm為宜，高于這個范圍容易在銅表面產生劃痕，低于這個范圍，納米顆粒容易團聚，而且加工效率低，團聚后也容易產生劃痕。磨料的重量百分比為1-6％，磨料濃度低會導致去除率較低，磨料濃度高會在加工表面留下劃痕。

氧化劑為過氧化氫、碘酸鉀、高錳酸鉀中的一種或幾種，重量百分比為3-9％。本發明的拋光液中包含的氧化劑可以將金屬銅氧化，磨料可以快速去除多余的金屬銅。所選擇的氧化劑均可作為醫用消毒劑來使用，對人體和環境的損害極低，而且具有殺菌作用，對于保證拋光液的穩定性具有重要的作用。氧化劑的重量百分比為1-6％為宜，太小或太大都會使拋光后表面質量下降。

氨基有機物為脯氨酸、氨基葡萄糖、殼寡糖、甲殼素、纖維素中的一種，重量百分比為0.4-2.5％。本發明中的氨基有機物，均為食品添加劑，綠色環保。氨基有機物對銅離子有較強的絡合能力，能起到絡合劑的作用，同時可以降低拋光液的表面張力，起到表面活性劑的作用，是一種多功能的拋光液添加劑，經試驗確定，所選的氨基有機物的重量百分比為0.4-2.5％為宜，太大或太小都會導致拋光效果變差。

拋光液的ph值為3-7。拋光液屬于酸性拋光液，低于這個范圍酸性太強，導致銅的表面拋光后會出現酸性腐蝕坑，高于這個范圍，屬于堿性拋光液范圍，也會在拋光表面留下堿性的腐蝕坑，均使得拋光效果變差。

首先對銅片進行研磨，研磨液為去離子水，將固結磨料的碳化硅研磨砂紙固定在研磨盤上，粒度為1000-5000，研磨盤轉速為20-60rpm，壓力為4-8kpa，研磨時間為3-10min。研磨階段采用固結磨料對銅片進行研磨，相比于游離磨料研磨，可以有效地避免研磨過程中磨料的嵌入；磨料的粒度以1000-5000為宜，太大會導致去除率太低，太小對工件損傷較大。綜合考慮研磨效率和質量，在保證去除量的同時，盡可能減少對工件的劃傷，因此選擇了合適的研磨工藝參數。使用去離子水作為研磨液，避免了對環境的污染和對操作人員健康的損害。

然后對銅片進行化學機械拋光，拋光時工件和拋光盤的轉速均為40-80rpm，壓力為20-40kpa，拋光液流速為60-80ml/min，拋光時間為5-10min。拋光時，壓力太小會導致去除率較低，壓力太大會導致拋光后銅片表面出現較多的劃痕，經過實驗確定壓力在20-40kpa為宜。轉速太小拋光后表面會有較多的腐蝕坑，轉速太大拋光后表面會有較多的劃痕，所以確定轉速在40-80rpm。拋光液流速小，拋光時間短，會導致去除量較低，且拋光后表面質量較差；而拋光液流速大，拋光時間長時，又會造成拋光液的浪費，增加了拋光的成本和時間。經過實驗發現，在保證拋光后銅片表面質量的情況下，拋光液流速確定為60-80ml/min，拋光時間確定為5-10min。

拋光后，用去離子水沖洗拋光表面，并用壓縮空氣吹干。清洗過程采用去離子沖洗拋光表面，綠色環保；壓縮空氣來自于自然界，也是綠色環保的吹干方式。

拋光銅片的測量范圍為50×70μm²，表面粗糙度ra可以達到0.4-0.7nm。50×70μm²符合常用的工業測試范圍，表面粗糙度ra0.4-0.7nm已經達到了亞納米精度，實現了銅的超光滑超低損傷環保化學機械拋光。

本發明的環保化學機械拋光效果在于：(1)本發明的拋光液中的添加劑種類很少，從而大大減少或者防止了使得拋光液變質的化學反應；(2)本發明的拋光液是環保型化學機械拋光液，對造作者和環境無毒無害；(3)本發明的拋光方法，研磨-拋光-清洗過程，都是綠色環保的，對環境和操作人員的風險降到了極低的水平，同時對操作環境和操作者的要求也大大降低，節省了拋光時間和成本。

附圖說明

附圖1為采用本發明拋光后用zygonewview5022白光干涉儀測量的銅表面粗糙度的結果。拋光后的銅片表面粗糙度ra值為0.663nm，pv值6.734nm，rms值0.831nm。

附圖2為采用本發明拋光后用zygonewview5022白光干涉儀測量的銅表面粗糙度的結果。拋光后的銅片表面粗糙度ra值0.503nm，pv值5.260nm，rms值0.634nm。

附圖3為采用本發明拋光后用zygonewview5022白光干涉儀測量的銅表面粗糙度的結果。拋光后的銅片表面粗糙度ra值0.444nm，pv值5.468nm，rms值0.561nm。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明作進一步的闡述，但不應解釋為限制本發明的范圍。

研磨：加工樣件為純度99.99％銅片，長、寬、厚分別為15mm，15mm，1mm。先將三個銅片用強力雙面膠均勻地固定在400g的鋁合金配重盤上，配重盤直徑為80mm，厚度為12mm。研磨階段使用#3000碳化硅砂紙，研磨時間5min，壓力6kpa，轉速30rpm。

拋光液：磨料為硅溶膠，平均粒徑20nm，硅溶膠ph為9.5；氧化劑為科密歐公司生產的30％過氧化氫溶液；氨基有機物為平均分子量2000的殼寡糖。

拋光過程：先將拋光液中的其他成分混合，氧化劑在拋光實驗前再加入；拋光機為380mmyj-y380型化學機械拋光機。拋光墊為530n7501型阻尼布拋光墊，拋光液流速為70ml/min，拋光壓力30kpa，拋光時間7min，拋光溫度25℃。

拋光后銅片表面質量的檢測：使用白光干涉儀檢測拋光后銅片的表面粗糙度，測量范圍為50×70μm²。

實施例1：

拋光液：硅溶膠含量為2wt.％；氧化劑含量為6wt.％，殼寡糖含量為0.6％。