Chemical Mechanical Polishing (CMP) är den enda nyckelteknologin som kan uppnå planarisering av skivans yta, som kan minska ytjämnheten till subnanometernivån. Grundprincipen för CMP är att slammet reagerar kemiskt med skivans yta för att bilda ett uppmjukat skikt, som sedan avlägsnas genom mekanisk friktion, materialborttagning och planarisering av skivans yta.
Ytstrukturens egenskaper (grovhet, spårmönster, etc.) och materialegenskaper (hårdhet, elasticitetsmodul, etc.) hos polerplattan är viktiga faktorer som påverkar CMP. Polerplattan påverkar direkt skivans poleringsresultat.
01 Ytans strukturella egenskaper hos polerplattan
● Ytmikrotopografi för polerplattan
Polerkuddar är vanligtvis fulla av mikroporer på ytan, som kan lagra och transportera slurry och slipande partiklar, motstå kemiska angrepp från slammet och omedelbart ta bort polerande biprodukter, vilket påverkar materialavlägsnandet.
Baserat på strukturella egenskaper klassificeras vanliga kommersiella polerkuddar i tre typer: nättyp (dämpande tyg), fibertyp (syntetläder) och mikroporös typ (polyuretan). Jämfört med de andra två har nätdynan bättre kompressibilitet och slambärande förmåga, och dess lägre hårdhet gör att den mindre riskerar att orsaka repor under finpolering. Fiber- och polyuretantyperna, på grund av deras specifika hårdhet och struktur, används mest för grovpolering och polering av icke-metalliska material.
Geometrin och fördelningen av mikroporer påverkar dynans ytstyrka och densitet. Porositets- och densitetsegenskaperna återspeglas huvudsakligen av Poissons förhållande (ν). Ytstyrkan minskar med ökande porositet. Större pordiametrar förbättrar transportkapaciteten, men alltför stora porer kan minska dyndens densitet och styrka.
Förändringar i mikroporstorlek och struktur påverkar också poleringsprestanda. Optimering av mikroporstrukturen kan förbättra kontakttillståndet mellan dynan och wafern. Att utforska det synergistiska förhållandet mellan mekanisk belastning vid gränsytan och kemiska reaktioner hos slurryn kan bättre kontrollera CMP-materialavlägsningshastigheten.
● Ytspårstrukturer på polerplattan
Spårning på dynans yta tjänar två syften: å ena sidan förbättrar det dynans förmåga att lagra och transportera slurry, vilket förbättrar slurryflödet; å andra sidan modifierar den friktionskoefficienten och skjuvspänningen på dynans yta. Tabellen nedan visar typiska spår i IC-seriens pads tillverkade av Rohm Haas, som används i stor utsträckning inom halvledarindustrin. Jämfört IC1010 med IC1000, har IC1010 djupare och tätare spår, vilket resulterar i starkare mekanisk verkan från kuddar och nötande partiklar, såväl som starkare kemisk verkan, vilket leder till högre materialavlägsningsförmåga.
Vanliga spårmönster inkluderar radiella, rutnät, ringformiga och spirallogaritmiska typer. I figuren nedan representerar (a)-(d) enkla mönster, medan (e)-(g) är kompositmönster. Kompositkuddar presterar generellt bättre än enkelmönstersdynor, och negativa spirallogaritmiska dynor kan förbättra poleringshastigheten avsevärt.
● Skillnader i dynorna
De grova utsprången på dynans yta är elastiska för att undvika att orsaka överdrivna irreparerbara repor på wafern. Den mikroskopiska ythöjdsprofilen för dynan följer typiskt en Gaussisk eller exponentiell fördelning.
Den genomsnittliga höjden av asperiteter (Rpk) påverkar starkt materialavlägsningshastigheten (MRR). Utan kuddkonditionering minskar MRR med poleringstiden; om Rpk återställs genom konditionering, återgår MRR till nära sin ursprungliga nivå. Slitage under polering och efterföljande konditionering orsakar kontinuerliga förändringar i den faktiska dynans grovhet. Variationer i grovhet, asperitetsdiameter och grovhetsfördelning påverkar direkt MRR.
02 Materialegenskaper för polerplattan
Dynmaterialets fysikaliska och kemiska egenskaper påverkar kontakttillståndet och kontaktkraften vid poleringsgränssnittet (wafer-slurry-pad), vilket påverkar materialavlägsningshastigheten och waferytans grovhet.
● Parametrar för mekaniska egenskaper
Hårdhet och elasticitetsmodul är två viktiga mekaniska parametrar. Hårda dynor används i grovpoleringsstadier där höga borttagningshastigheter krävs, men överdriven hårdhet kan orsaka ytskador och ojämn materialborttagning. Mjuka kuddar används vanligtvis i finpoleringsstadier med låga grovhetskrav. En dyna med en hård topp och mjuk botten kan förbättra MRR-likformigheten, men tenderar att ha en större kantexklusionszon; omvänt kan en pad med mjuk topp och hård botten minska kantexklusionszonen och uppnå bättre ytkvalitet.
● Kemiska egenskaper
Dynan ska ha god kemisk stabilitet och hydrofilicitet. Polyuretan uppvisar en formminneseffekt, där formåtervinningshastigheten ökar med temperaturen.
Vid tillverkning av CMP-dynor involverar kemiska reaktioner främst polyoler och isocyanater. De huvudsakliga råvarorna inkluderar prepolymerer, kedjeförlängare/tvärbindare, skumningsmedel, katalysatorer och andra funktionella tillsatser. Genom att kontrollera reaktantkoncentrationer och -förhållanden kan olika materialegenskaper hos dynan förbättras. Aktiva grupper i dynan, såsom hydroxyl- och amidgrupper, spelar också en viktig roll – de förbättrar återavsättningsskiktet av polermaterial och mildrar ytkvalitetsproblem orsakade av mekaniskt slitage. Dessutom kan fysisk och kemisk modifiering av dynmaterialet förbättra dess prestanda.
Vidare, under CMP, utsätts dynans yta för belastnings- och skjuvkrafter, vilket gör att sprickorna genomgår plastiskt flöde och blir planariserade – ett fenomen som kallas glasering. Kuddkonditionering kan förbättra ytglasering och porositet och bibehålla stabil poleringsprestanda.
Konditioneringstekniker för polerkuddar
För närvarande faller konventionella konditioneringstekniker in i två kategorier: icke-självkonditionerande och självkonditionerande.
Icke-självkonditionerande teknologier
Icke-självkonditionerande hänvisar till användningen av yttre krafter för att avlägsna slitna slipmedel, skräp och andra föroreningar från dynans yta, exponera färska slipmedel och bibehålla skärförmågan under polering.
Diamond byrå konditionering
En diamantskåp består huvudsakligen av diamantslipmedel, ett bindemedel och ett substrat. Diamantslipmedel fixeras på substratet genom elektroplätering, hårdlödning, sintring eller kemisk ångavsättning. Dess konditioneringsprestanda är nära relaterad till dynans yta och påverkar således arbetsstyckets kvalitet. Principen är att diamanter med stor diameter på byrån tvingar bort slöa diamantpartiklar från bindemedlet och tar bort det glaserade lagret och skräp, vilket exponerar nya skärkanter på dynan.
Vattenstrålekonditionering med högt tryck
Denna teknik använder skjuvkraften från en vattenstråle för att tvätta bort lösa eller dåligt bundna slipande partiklar och bryter även det glaserade skiktet, tar bort föroreningar och förbättrar dynans prestanda.
Självkonditionerande teknologier
Självkonditionering hänvisar till metoder som tillåter att dynans ytskikt slits i en lämplig hastighet så att slipmedel i det underliggande skiktet exponeras kontinuerligt under bearbetningen, vilket bibehåller en bibehållen skärförmåga. Framväxten av självkonditionering har introducerat nya metoder för padkonditionering.
Självkonditionering eliminerar konditioneringssteget, undviker påverkan av byråslitage på dynan och förlänger dynans livslängd. Till exempel kan tillsats av organiska baser, oorganiska salter eller andra kemikalier förbättra självkonditioneringen; Användning av prepolymerer med hydrofoba grupper ger självreglerande verkan under polering, stabiliserar processen och förhindrar vattensvällning.