Chemical Mechanical Polishing (CMP) er den eneste nøkkelteknologien som kan oppnå planarisering av waferoverflaten, som er i stand til å redusere overflateruheten til subnanometernivå. Det grunnleggende prinsippet for CMP er at slurryen kjemisk reagerer med waferoverflaten for å danne et myknet lag, som deretter fjernes ved mekanisk friksjon, materialfjerning og planarisering av waferoverflaten.
Overflatens strukturelle egenskaper (ruhet, spormønster, etc.) og materialegenskaper (hardhet, elastisitetsmodul, etc.) til poleringsputen er viktige faktorer som påvirker CMP. Poleringsputen påvirker direkte poleringsresultatene til waferen.
01 Overflatestrukturelle egenskaper til poleringsputen
● Mikrotopografi på overflaten til poleringsputen
Poleringsputer er vanligvis fulle av mikroporer på overflaten, som kan lagre og transportere slurry og slipende partikler, motstå kjemisk angrep fra slurryen og umiddelbart fjerne poleringsbiprodukter, og dermed påvirke materialfjerning.
Basert på strukturelle egenskaper, er vanlige kommersielle poleringsputer klassifisert i tre typer: mesh-type (dempende klut), fibertype (syntetisk lær) og mikroporøs type (polyuretan). Sammenlignet med de to andre har nettingputen bedre komprimerbarhet og slambærende evne, og dens lavere hardhet gjør det mindre sannsynlig at den forårsaker riper under finpolering. Fiber- og polyuretantypene, på grunn av deres spesifikke hardhet og struktur, brukes mest til grovpolering og polering av ikke-metalliske materialer.
Geometrien og fordelingen av mikroporene påvirker overflatestyrken og tettheten til puten. Porøsitets- og tetthetskarakteristikkene reflekteres hovedsakelig av Poissons forhold (ν). Overflatestyrken avtar med økende porøsitet. Større porediametre forbedrer transportkapasiteten, men for store porer kan redusere putens tetthet og styrke.
Endringer i mikroporestørrelse og struktur påvirker også poleringsytelsen. Optimalisering av mikroporestrukturen kan forbedre kontakttilstanden mellom puten og waferen. Å utforske det synergistiske forholdet mellom mekanisk belastning ved grensesnittet og kjemiske reaksjoner av slurryen kan bedre kontrollere CMP-materialfjerningshastigheten.
● Overflatesporteksturer på poleringsputen
Sporing på putens overflate tjener to formål: på den ene siden forbedrer det putens evne til å lagre og transportere slurry, og forbedre slamflyten; på den annen side modifiserer den friksjonskoeffisienten og skjærspenningen på putens overflate. Tabellen nedenfor viser typiske spor for IC-seriens pads produsert av Rohm Haas, som er mye brukt i halvlederindustrien. Sammenligner IC1010 med IC1000, har IC1010 dypere og tettere riller, noe som resulterer i sterkere mekanisk virkning fra skår i puten og slipende partikler, samt sterkere kjemisk virkning, noe som fører til høyere materialfjerningsevne.
Vanlige spormønstre inkluderer radial-, rutenett-, ringformede og spirallogaritmiske typer. I figuren nedenfor representerer (a)-(d) enkelt-mønster pads, mens (e)-(g) er kompositt-mønster pads. Komposittputer gir generelt bedre resultater enn enkeltmønsterputer, og negative spirallogaritmiske puter kan forbedre poleringshastigheten betydelig.
● Skjermer i underlaget
De grove fremspringene på putens overflate er elastiske for å unngå å forårsake overdreven uopprettelige riper på waferen. Den mikroskopiske overflatehøydeprofilen til puten følger typisk en Gaussisk eller eksponentiell fordeling.
Den gjennomsnittlige høyden på ujevnheter (Rpk) påvirker sterkt materialfjerningshastigheten (MRR). Uten putekondisjonering avtar MRR med poleringstiden; hvis Rpk gjenopprettes ved kondisjonering, går MRR tilbake til nær det opprinnelige nivået. Slitasje under polering og påfølgende kondisjonering forårsaker kontinuerlige endringer i den faktiske ruheten til puten. Variasjoner i ruhet, asperitetsdiameter og ruhetsfordeling påvirker MRR direkte.
02 Materialeegenskaper til poleringsputen
De fysiske og kjemiske egenskapene til putematerialet påvirker kontakttilstanden og kontaktkraften ved poleringsgrensesnittet (wafer-slurry-pad), og påvirker dermed materialfjerningshastigheten og waferoverflatens ruhet.
● Parametere for mekaniske egenskaper
Hardhet og elastisitetsmodul er to viktige mekaniske parametere. Harde puter brukes i grovpoleringsstadier der det kreves høye fjerningshastigheter, men overdreven hardhet kan forårsake overflateskader og ujevn materialfjerning. Myke puter brukes vanligvis i fine poleringsstadier med lave krav til ruhet. En pute med hard topp og myk bunn kan forbedre MRR-ensartetheten, men har en tendens til å ha en større kanteksklusjonssone; omvendt kan en pute med myk topp og hard bunn redusere kanteksklusjonssonen og oppnå bedre overflatekvalitet.
● Kjemiske egenskaper
Puten skal ha god kjemisk stabilitet og hydrofilitet. Polyuretan har en form-minne-effekt, med formgjenopprettingshastigheten øker med temperaturen.
Ved produksjon av CMP-puter involverer kjemiske reaksjoner hovedsakelig polyoler og isocyanater. De viktigste råvarene inkluderer prepolymerer, kjedeforlengere/tverrbindere, skummende midler, katalysatorer og andre funksjonelle tilsetningsstoffer. Ved å kontrollere reaktantkonsentrasjoner og -forhold kan forskjellige materialegenskaper til puten forbedres. Aktive grupper i puten, som hydroksyl- og amidgrupper, spiller også en viktig rolle - de forbedrer gjenavsetningslaget av poleringsmaterialer og reduserer overflatekvalitetsproblemer forårsaket av mekanisk slitasje. I tillegg kan fysisk og kjemisk modifikasjon av putematerialet forbedre ytelsen.
Videre, under CMP, utsettes puteoverflaten for belastnings- og skjærkrefter, noe som får skjevhetene til å gjennomgå plastisk flyt og blir planariserte - et fenomen kjent som glass. Putekondisjonering kan forbedre overflateglassing og porøsitet, og opprettholde stabil poleringsytelse.
Konditioneringsteknologier for poleringsputer
For tiden faller konvensjonelle kondisjoneringsteknikker inn i to kategorier: ikke-selv-kondisjonering og selv-kondisjonering.
Ikke-selvkondisjonerende teknologier
Ikke-selvbehandling refererer til bruk av ytre krefter for å fjerne slitte slipemidler, rusk og andre urenheter fra putens overflate, eksponere ferske slipemidler og opprettholde skjæreevnen under polering.
Diamond kommode condition
En diamantkommode består hovedsakelig av diamantslipemidler, et bindemiddel og et underlag. Diamantslipemidler festes på underlaget ved galvanisering, lodding, sintring eller kjemisk dampavsetning. Dens kondisjoneringsytelse er nært knyttet til tilstanden på putens overflate og påvirker dermed kvaliteten på arbeidsstykket. Prinsippet er at diamanter med stor diameter på kommoden med makt fjerner kjedelige diamantpartikler fra bindemiddelet og fjerner det glaserte laget og rusk, og avslører nye skjærekanter på puten.
Høytrykks vannstrålebehandling
Denne teknikken bruker skjærkraften til en vannstråle for å vaske bort løse eller dårlig bundne slipende partikler og bryter også det glaserte laget, fjerner urenheter og forbedrer putens ytelse.
Selvkondisjonerende teknologier
Selvkondisjonering refererer til metoder som lar puteoverflatelaget slites med en passende hastighet slik at slipemidler i det underliggende laget eksponeres kontinuerlig under bearbeiding, og opprettholder vedvarende skjæreevne. Fremveksten av selvkondisjonering har introdusert nye tilnærminger til putekondisjonering.
Selvkondisjonering eliminerer kondisjoneringstrinnet, unngår innvirkningen av kommodeslitasje på puten og forlenger putens levetid. For eksempel kan tilsetning av organiske baser, uorganiske salter eller andre kjemikalier forbedre selvkondisjonering; bruk av prepolymerer med hydrofobe grupper gir selvregulerende virkning under polering, stabiliserer prosessen og forhindrer vannhevelse.