本文由Patrick J. Andersen、Mariela N. Bentancur、Amy J. Moll和Megan Frary撰写，作者均来自博伊西州立大学（Boise State University）材料科学与工程系。该研究发表于 Journal of The Electrochemical Society 第157卷第1期，页码H120-H126，于2009年11月18日在线发表。
这项研究关注的是铜化学机械平坦化（chemical mechanical planarization, CMP）过程中微结构的影响，尤其是面向三维芯片堆叠中硅通孔（through-wafer via）互连所需的厚铜膜去除过程。在三维封装中，硅通孔通常通过电镀铜来填充，这会在晶圆表面留下厚度约为15至30微米的铜膜，且伴随明显的高度差异，因此需要第一步采用较强腐蚀性的CMP工艺快速去除多余铜。然而，铜膜的微结构——包括晶粒尺寸、晶体学织构和晶界特征——如何影响这一强腐蚀性CMP过程中的整体去除速率和局部表面高度变化，在以往的研究中尚未得到清晰阐明。本文的目标正是通过将表面晶体学取向与CMP后的表面形貌进行关联，揭示铜微结构对材料去除行为的控制作用，从而为优化厚铜膜CMP工艺提供依据。
研究采用了两种类型的样品来进行实验。第一组样品是厚度为0.5毫米、纯度为99.9%的冷轧铜片，经机械加工制成直径100毫米的圆盘。这些铜盘分别在650°C下退火0.5小时、4小时和16小时，以研究晶粒尺寸对CMP的影响。第二组样品是在100毫米直径的硅晶圆上电镀约20微米厚的铜膜，电镀前先通过物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD）沉积了3纳米厚的铜种子层。电镀在Technic CU3300镀液中进行，温度保持在25°C，电镀时间为50分钟。研究中使用了不同的电流密度（27、32和53 mA/cm²）以及直流和脉冲电流，并在镀液中添加了不同浓度的专有极化添加剂（polarizer additive），浓度分别为0、1和7 ml/L。电镀后，部分样品在400°C下退火2小时，以改变晶粒尺寸和微结构。CMP加工前，电镀晶圆的平均表面粗糙度约为20纳米。
CMP实验在Strasbaugh 6DS-SP设备上进行，所有样品均使用相同的工艺参数：下压力20.7 kPa、主轴转速60 rpm、工作台转速60 rpm、浆料总流量150 ml/min。所使用的浆料为具有强化学蚀刻作用的Fujimi DCM-M42型浆料。电镀铜晶圆的CMP处理时间为15秒，固体铜盘的处理时间为30秒。通过CMP前后称量样品质量并假定铜为完全致密材料来计算整体去除速率。CMP后，晶圆被切割成小方块，用于扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）分析。
在微结构表征方面，研究采用了原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）和光学轮廓仪（optical profilometry）来获取CMP后的表面形貌。AFM主要用于电镀样品，因为其晶粒尺寸和表面粗糙度在AFM的工作范围内；而固体铜盘因晶粒较大，采用光学轮廓仪。为了确保同一区域的EBSD取向图和表面形貌图能够精确对应，研究者使用维氏硬度计制作了参考标记（fiducial marker）。EBSD分析在LEO 1430VP SEM上进行，工作电压为25 kV，步长为0.15至0.25微米，扫描面积为50×50至100×100微米。EBSD数据通过OIM分析软件进行清理，包括晶粒置信度指数标准化、晶粒容忍角5°和最小晶粒尺寸2像素的过滤，以及两轮邻域取向相关性处理。晶体学织构计算采用谐波级数展开，级数秩为24，高斯半宽为5°。
实验结果首先揭示了微结构控制的显著效果。固体铜盘在退火后晶粒尺寸从约32微米增大至85微米，织构从较强的〈001〉方向变为更随机的取向。在电镀铜膜中，不添加极化剂的样品表现出强〈112〉纤维织构，电镀态晶粒尺寸约1.5微米，退火后增大至7.2微米；添加1 ml/L极化剂的样品织构接近随机，电镀态晶粒尺寸约1.6微米，退火后约2.9微米；添加7 ml/L极化剂的样品则形成〈111〉纤维织构，电镀态晶粒尺寸约2.0微米，退火后约4.8微米。退火对织构强度的影响很小，但显著增大晶粒尺寸。
整体去除速率的结果表明，随着晶粒尺寸增大，去除速率也随之增加。例如，固体铜盘的去除速率从晶粒尺寸约6微米时的9微米/分钟增加到晶粒尺寸约85微米时的13微米/分钟。在电镀样品中，退火后晶粒增大的样品去除速率也更高。此外，在晶粒尺寸相近的情况下（约3.1微米），具有随机织构的样品比具有〈111〉纤维织构的样品的去除速率高出约50%。这说明〈111〉织构较强的样品具有较低的整体去除速率。
在局部去除行为方面，固体铜盘的EBSD取向图与光学轮廓仪高度图的对比表明，晶粒表面法线方向与〈111〉方向的偏离角越大，CMP后该晶粒的相对高度越低，即去除量越大。图6将不同退火时间的固体铜盘中单个晶粒的相对表面高度与其表面法线偏离〈111〉方向的角度作图，结果显示随着偏离角增大，晶粒高度系统性降低。在电镀样品中，AFM和EBSD的对比也显示出类似的趋势：在具有〈111〉纤维织构且退火2小时的样品中，表面法线接近〈111〉的晶粒抵抗腐蚀的能力更强，表面高度更高；而在具有〈112〉纤维织构且未退火的样品中，取向与表面高度之间没有明显关系。造成这种差异的原因可能与晶界特征的分布有关。对于〈112〉纤维织构的样品，如果一般晶界（general grain boundary）比例较高，晶界处的优先腐蚀可能主导了表面高度变化，从而掩盖了晶粒取向本身的影响。
晶界特征对CMP局部行为的影响在AFM线扫描中得到了进一步确认。孪晶界（Σ3晶界）本身没有表现出明显的腐蚀凹槽，尽管相邻晶粒之间存在高度差；而一般晶界则表现为深度大于两侧晶粒的沟槽。当晶界沟槽的宽度与晶粒尺寸相当时，晶粒内部不再出现平坦的表面，而是形成起伏的表面形貌。
这项研究的主要结论包括：第一，微结构对CMP结果有显著影响，晶体学织构、晶粒尺寸和晶界特征强烈受电镀镀液化学成分控制。第二，通过退火增大厚电镀铜膜的晶粒尺寸会提高强腐蚀性CMP下的整体去除速率，但在相同晶粒尺寸条件下，〈111〉纤维织构样品的去除速率较低，这一现象可能源于铜中{111}表面具有较低的表面能。第三，一般情况下，表面法线接近〈111〉方向的晶粒局部去除速率较低，随着表面法线偏离〈111〉方向的角度增大，局部去除速率增加，这解释了不同晶体学织构样品整体去除速率的差异。第四，晶界特征影响晶粒之间的表面高度过渡；Σ3孪晶界在CMP过程中抵抗腐蚀，而一般晶界会形成比相邻晶粒更深的沟槽，晶界类型的分布会影响整体和局部去除速率，并导致不同晶粒尺寸下不同的表面形貌。
该研究的科学价值在于建立了铜微结构与强腐蚀性CMP行为之间的定量关系，尤其是通过将EBSD取向数据与AFM或光学轮廓仪高度数据进行逐晶粒关联，揭示了晶体学取向和晶界类型对局部材料去除的直接作用。这一方法学为理解CMP过程中各向异性材料去除机制提供了新途径。在应用层面，这项研究为三维封装中厚铜膜的CMP工艺优化提供了理论依据：通过调整电镀镀液中的极化剂浓度和退火工艺，可以控制铜膜的织构和晶粒尺寸，从而实现对去除速率和表面高度均匀性的调控。例如，具有强烈〈111〉纤维织构的铜膜在强腐蚀性CMP中可能获得更均匀的表面，因为相似取向的晶粒具有相近的去除速率。
研究的亮点在于：首次系统地将完整的晶粒取向谱与CMP后的局部表面高度进行关联，而不仅仅局限于少数特定取向（如{111}和{100}）；同时，研究将微结构参数的控制手段（电镀添加剂和退火）与CMP工艺输出（去除速率和表面高度变化）建立了直接联系。此外，该研究明确区分了晶粒尺寸和织构对去除速率的独立贡献，并揭示了晶界特征在局部形貌演变中的重要作用。这些发现为后续进一步分离各微结构参数的单独效应提供了重要基础。