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1 前言
集成電路（IC）制造是電子信息產業的核心，是推動國民經濟和社會信息化發展最主要的高新技術之一。發達國家國民經濟總產值增長部分的65%與IC工業相關，而全球90%以上的IC都要采用硅片。IC的發展遵循“Moore定律”，每隔3年芯片的集成度翻兩番，特征尺寸縮小1/3。目前，已由超大規模集成電路（ULSI）向巨大規模集成電路（GLSI）發展。下一代IC使用300mm直徑硅片和0.1mm線寬生產技術，要求硅片的夾持定位精度在30mm2區域內為±0.05mm。按照美國微電子技術協會預測的發展構圖，到2009年將開始使用450mm硅片，實現特征線寬0.05mm的生產技術[1,2]。
隨著硅片尺寸的增大以及特征線寬的減小，作為目前硅片超精密平整化加工的主要手段——化學機械拋光技術面臨著新的挑戰：一方面，要求經過化學機械拋光工藝加工出的硅片，達到亞納米級表面粗糙度；另一方面為了提高硅片利用率，增加芯片產量，還要求在除距硅片邊緣1mm區域以外的整個硅片表面達到亞微米級面型精度。要達到上述這些要求，化學機械拋光機床的硅片夾持系統對保證硅片的加工精度具有至關重要的作用。硅片夾持系統的作用不僅包括在加工中帶動硅片運動，還要將加工所需要的工作載荷作用在硅片上，并保證硅片在加工載荷的作用下不會發生翹曲變形。因此，改善硅片夾持系統的性能對提高最終硅片產品的質量有重要意義。
2 硅片CMP中的硅片夾持方法
由于化學機械拋光中材料去除量很少，一般只有幾微米，因此，化學機械拋光的材料去除力較小，對夾持系統的吸附力強度要求不高，但要求有較高的平整度。針對這種要求，目前在化學機械拋光中主要使用的夾持方法有石蠟粘結、水的表面張力吸附、多孔陶瓷式真空吸盤、靜電吸盤和薄膜式真空吸盤吸附等方法。
2.1 機械夾持與石蠟粘結方法
早期的硅片固定方法有機械式夾鉗和石蠟粘結等。最早使用的是機械式活動夾鉗，加工前先用夾鉗將硅片固定，待加工結束后將其松開[3]。因為機械夾持方法容易使硅片發生翹曲變形或者損壞硅片的邊緣區域，所以目前已經很少使用。
石蠟粘結方法是另一種使用較早的方法。以用黃蠟進行粘結為例，先將硅片放置在夾具上的規定位置，先加熱，然后將熔化的粘結劑滲入到硅片與夾具之間，并且僅供給不使硅片浮起的必要量，然后在工件上進行加壓，使石蠟將硅片平整的固定在基板上。為保證硅片粘結的可靠性，需要對粘結劑進行熔化過濾以清除雜質[4]。這種方法的優點在于粘結時石蠟比較柔軟，硅片一般不會發生變形，比其它一些加工方法的殘余變形小，如果將石蠟的厚度做得非常均勻，可達到很高的拋光精度。缺點是石蠟的加熱、粘結、剝離及清洗很費時，效率不高，所使用的粘結劑和溶劑對硅片潔凈度也有很大影響，而且難于實現石蠟層的均勻分布以及去除石蠟中所包含的氣泡。
2.2 水表面張力吸附夾持方法
利用水的張力進行夾持的方法與用石蠟進行粘結類似，是將網狀泡沫聚氨酯布粘貼在不銹鋼基板表面，并利用泡沫聚氨酯表面的水將硅片吸住，見圖1。為防止硅片在拋光時脫落和滑動，用多孔擋板進行定位和導向，在去離子水中將硅片放置在夾具的規定位置，使硅片與基板緊密結合，然后將夾具放在干燥皿中，直至水形成分子膜，整個過程約需24h。形成水分子膜后，用熔化的瀝青或石蠟等油性物質在硅片的外周隔離，進行防水處理，然后可對硅片進行拋光加工。這種方式的優點是夾持精度比較高，可以達到0.1mm；缺點是效率低，而且防水層一旦破裂，會造成吸附失效，發生碎片。
2.3 靜電吸盤夾持方法
為滿足對硅片的高精度夾持和定位，70年代Wardly[5]首先將靜電吸盤應用在硅片的夾持中，見圖2。因為其存在很多優點，從那時起很多研究人員投入到靜電吸盤的研究中，目前靜電吸盤的形式很多，大致可以分為兩個類型：一種是硅片本身也通上高壓，稱作“平板電容式靜電吸盤”；另一種不對硅片直接加壓，稱為“整體電極式靜電吸盤”，后者吸力比較小，但硅片無需通電。靜電吸盤主要在化學汽相沉積等真空環境下使用，也可用于硅片的化學機械拋光加工。
在最新的研究中，Asano和Watanabe[6]研究了靜電吸盤電壓和吸力之間的關系。隨著電壓增大和介質層變薄，吸力將會逐漸增大，對于100mm硅片，吸力可達17N。Kalkowski 和Risse[7]認為，靜電吸盤的優點在于作用力在吸盤上的變化比較平緩，不會產生應力集中，也不會導致硅片在吸盤表面發生超過100mm的變形。由于靜電吸盤與硅片的邊緣不是直接接觸，避免了對硅片邊緣的損壞和金屬污染。這種吸盤的缺點是吸附力較小，夾持精度較低。
2.4 真空吸盤夾持方法
目前在CMP加工中使用最廣泛的硅片夾持方法是真空吸盤，見圖3。真空吸盤顧名思義就是采用了真空原理，利用真空負壓來“吸附”工件以達到夾持硅片的目的。在拋光過程中，通過真空吸盤將工作壓力作用在硅片表面，吸盤上的保持環保證硅片與吸盤之間不會產生相對運動。除了普通的多孔陶瓷式真空吸盤，美國的Bendfeldt 和Schulz研究了帶有溝槽的真空吸盤。這種吸盤在100mm的硅片面積上其吸力可達50N，其中溝槽的面積占總面積的5%，如果擴大吸附面積的比例，最大可獲得140N的吸力，表明了增大吸附面積可使吸附力變大。Heyderman和Schift[8]研究了這種真空吸盤表面所使用的聚合物的粒度與吸力的關系。但是通過對加工后硅片表面形態的分析，溝槽式吸盤對硅片面型精度的影響比多孔陶瓷吸盤要大，鑒于未來大尺寸硅片加工精度的要求，這種吸盤還有待改進。
3 研究現狀與發展趨勢
因為真空吸盤具有高效率、無污染、定位精度高等優點，所以目前的研究工作也主要集中在對這種吸盤的改進與提高上。
目前CMP加工所面臨的主要問題是隨著硅片尺寸的不斷增大，其表面厚度變化誤差值(TTV)也隨之增加。整體厚度誤差產生的原因比較復雜，其中主要的影響因素有拋光壓力和拋光液的分布不均、拋光墊的局部磨損較快以及硅片與拋光墊之間的相對速度不一致等。這些影響因素中，工作載荷分布不均勻在其中影響最大。從當前的國外研究來看，解決工作載荷分布不均勻這一問題主要通過設計特殊結構努力使載荷分布完全均勻和采用補償性多區域壓力調整技術。
3.1 載荷分布完全均勻化夾持系統
這種思想是通過改進真空吸盤的結構，使作用在硅片上的載荷盡可能地均勻。其倡導者以Lap master公司和Micron Technology公司為代表，其中Micron Technology 公司的Leland F.Gotcher設計的吸盤在支撐薄膜的基盤中設計了一個空腔，其中充滿空氣，下壓力首先作用在該腔上，壓力通過該腔傳到硅片表面，這樣硅片的受力會比較均勻，還可以減少吸盤主軸與工作臺之間的垂直度誤差。Lapmaster公司在新一代吸盤的基盤空腔內使用一種專用的凝膠，其作用與Micron Technology 公司的壓縮空氣相同，效果也非常理想。
日本的Une 和 Kunyoo[9]采用和上述兩家公司相同的設計思想，創造性地提出了一種新型的真空吸盤，如圖4所示，這種真空吸盤表面不用多孔陶瓷而是用均勻分布的氧化鋁圓柱銷，每個圓柱的直徑為0.2mm,相鄰的兩個圓柱間的距離也是0.2mm。鍍了碳化硅的圓柱銷表面的粗糙度Ry<0.03mm,比單純使用氧化鋁材料小了三分之一。吸盤光滑的圓柱端部防止了接觸時對硅片造成劃傷，也減少了灰塵的粘附。實驗證明，這種真空吸盤的平坦化效果比傳統的吸盤高幾倍，這樣高的平整能力來自于其巨大的吸附面積。通過有限元分析計算得知，該吸盤可以將一片翹曲達360mm的硅片糾正到幾十個微米。Sakamoto[10]等人的設計與該吸盤類似，但他們使用的圓柱銷尺寸更大而數量較少，在圓柱銷上加了彈性圈，防止了圓柱銷對硅片的劃傷。
日本Tokyo Seimitsu公司應用氣壓控制技術開發了氣浮式硅片夾盤，不需要高精度的平整背襯，通過在夾盤中形成的氣墊支撐硅片背面，以保證拋光過程中均勻的壓力分布。
上述幾種吸盤在設計思想上都是追求載荷分布的完全均勻，這對于中小尺寸的硅片加工是比較實用的。
3.2 多區域壓力調整夾持系統
既然化學機械拋光的機床結構和其他因素造成了硅片材料去除的不均勻，很自然的可以想到通過調整加工中吸盤對硅片的壓力來進行修正，使材料的去除量變得均勻，從而提高硅片的表面平整度。基于這種考慮，研究人員提出了一種硅片夾持新技術——區域壓力調整技術。
對于小尺寸硅片和前道化學機械拋光工藝而言，采取區域壓力調整的效果可能不是十分明顯。但是，隨著硅片尺寸的不斷增大，例如直徑為300mm的硅片，由于材料去除率的不均勻性十分明顯，以及后道化學機械拋光工藝的特殊要求，區域壓力調整技術將成為提高硅片平整度的重要措施。
這種技術主要是針對在化學機械拋光加工中硅片材料去除的不均勻性(如邊緣效應等)，在支撐硅片的基盤背面的不同區域采用不同的壓力，加大對去除量小的區域的壓力，來獲得面型更加一致的硅片。這項技術不僅可以修正由于壓力分布不均勻造成的誤差，而且可以補償由于拋光時中心區域拋光液缺乏造成的材料去除率不均勻。
Strasbaugh和Applied Materials公司的吸盤是這種夾持技術發展趨勢的代表，圖5為Strasbaugh公司的設計夾持系統。SpeedFam-IPEC公司的設計對此功能作了進一步的完善。首先測量待加工硅片的形貌和厚度，然后根據成品的要求，確定每個區域的材料去除量，從而計算各區域應該施加的壓力。根據各區域的尺寸對壓力曲線進行優化，然而，由于各區域的壓力隨著時間不斷變化，這就使得要完全滿足各區域的壓力要求，必須對各區域的壓力進行時時在線調整，但目前還沒有這方面的報道。
采用區域壓力調整技術做到根據不同區域材料的去除量進行壓力補償是吸盤設計者的追求目標，但目前要實現這個目標還存在一些問題：
（1）缺乏一個準確的壓力與材料去除率的關系模型，無法通過壓力進行精確的補償。目前的材料去除率模型雖然按硅片與拋光墊的接觸性質進行了劃分，但缺乏一個明確的判定依據，使用者無法從加工參數上了解當前硅片與拋光墊之間的接觸性質，并選擇合適的預測模型。同時，每一種接觸形態的材料去除率預測模型都不夠成熟，無法精確地得到工作壓力與材料去除率之間的對應關系，幾乎每個模型都是針對特定的設備和加工條件得到的，不具有通用性。
（2）區域壓力調整只能劃分有限的2~4個區域，加工時是用有限的幾條直線段來擬和壓力曲線，這必然存在著誤差，而增加區域數量必將加大吸盤的結構復雜性和成本。
（3）因為吸盤上與硅片接觸的薄膜是彈性的，而不同區域所要施加的補償量很小，因此精確地將大小不同加工壓力作用在硅片表面的各區域上很困難。
在工作壓力與材料去除率之間對應關系的模型建立方面，Cook和 Yu [11,12]等人提出了薄膜與硅片的接觸模型，Luo和Dornfeld基于化學機械拋光中兩實體接觸的磨損機理細致地研究了材料去除率的影響因素。臺灣國立大學一些研究人員對加工中吸盤和薄膜變形進行了有限元分析。這些相關研究為進一步研究和優化吸盤的區域背壓調整功能提供了理論依據。
3.3 其他一些新出現的夾持系統改進設計
另外還有很多新技術和裝置有助于提高夾持的平整效果和自動化程度。例如(1)Thomas H. Osterheld[13,14]等人研究了在對定位環施加不同壓力的情況下，對硅片的拋光效率和拋光質量的影響。試驗表明，采用該方法平均可以減小整體厚度變化30%。他們提出定位環的壓力可以成為加工中的一項參數，實現針對不同加工要求施加不同壓力，避免硅片邊緣的過拋現象。(2)美國Rodel公司的Lee Melbourne發明了薄膜防靜電裝置，可以防止靜電使薄膜吸附灰塵。(3)Strasbaugh公司的VIPRR-X吸盤采用活塞伸縮的方式進行硅片的安裝與拆卸，另外，他們的吸盤還使用了壓力傳感器來檢測硅片是否已經安放好，避免了因為硅片安裝不當造成的碎片，提高了加工效率。(4)Zuniga和Steven[15]在2002年設計的檢測系統不僅可以檢測硅片是否放好還可以檢測加工中薄膜與硅片之間是否有水進入，可以監測加工過程是否正常。
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