Chemical Mechanical Polishing (CMP) er den eneste nøgleteknologi, der kan opnå waferoverfladeplanarisering, der er i stand til at reducere overfladeruheden til subnanometerniveau. Det grundlæggende princip for CMP er, at gyllen reagerer kemisk med waferoverfladen for at danne et blødgjort lag, som derefter fjernes ved mekanisk friktion, materialefjernelse og planarisering af waferoverfladen.
Overfladens strukturelle egenskaber (ruhed, rillemønster osv.) og materialeegenskaber (hårdhed, elasticitetsmodul osv.) af polerpuden er vigtige faktorer, der påvirker CMP. Polerpuden har direkte indflydelse på waferens poleringsresultater.
01 Overfladestrukturelle egenskaber for polerpuden
● Overflademikrotopografi af poleringspuden
Polerpuder er normalt fulde af mikroporer på overfladen, som kan opbevare og transportere gylle og slibende partikler, modstå kemisk angreb fra gyllen og straks fjerne poleringsbiprodukter, hvilket påvirker materialefjernelsen.
Baseret på strukturelle egenskaber er almindelige kommercielle polerpuder klassificeret i tre typer: mesh-type (dæmpende klud), fibertype (syntetisk læder) og mikroporøs type (polyurethan). Sammenlignet med de to andre har mesh-puden bedre komprimerbarhed og gyllebærende evne, og dens lavere hårdhed gør det mindre sandsynligt, at det forårsager ridser under finpolering. Fiber- og polyurethantyperne, på grund af deres specifikke hårdhed og struktur, bruges mest til grovpolering og polering af ikke-metalliske materialer.
Geometrien og fordelingen af mikroporer påvirker pudens overfladestyrke og tæthed. Porøsitets- og tæthedsegenskaberne afspejles hovedsageligt af Poissons forhold (ν). Overfladestyrken falder med stigende porøsitet. Større porediametre forbedrer transportkapaciteten, men for store porer kan reducere pudens tæthed og styrke.
Ændringer i mikroporestørrelse og struktur påvirker også poleringsydelsen. Optimering af mikroporestrukturen kan forbedre kontakttilstanden mellem puden og waferen. Udforskning af det synergistiske forhold mellem mekanisk belastning ved grænsefladen og kemiske reaktioner af gyllen kan bedre kontrollere CMP-materialefjernelseshastigheden.
● Overfladerilleteksturer på polerpuden
Rillning på pudens overflade tjener to formål: på den ene side forbedrer det pudens evne til at opbevare og transportere gylle, hvilket forbedrer gylleflowet; på den anden side modificerer det friktionskoefficienten og forskydningsspændingen på pudens overflade. Tabellen nedenfor viser typiske riller i IC-seriens pads fremstillet af Rohm Haas, som er meget udbredt i halvlederindustrien. Sammenligner man IC1010 med IC1000, har IC1010 dybere og tættere riller, hvilket resulterer i stærkere mekanisk påvirkning fra pudens skævheder og slibende partikler, såvel som stærkere kemisk påvirkning, hvilket fører til højere materialefjernelsesevne.
Almindelige rillemønstre omfatter radial-, gitter-, ringformede og spirallogaritmiske typer. I figuren nedenfor repræsenterer (a)-(d) enkelt-mønster pads, mens (e)-(g) er sammensatte-mønster pads. Komposit-puder yder generelt bedre end enkelt-mønster pads, og negative spiral-logaritmiske puder kan forbedre poleringshastigheden markant.
● Skæringer i puden
De ru fremspring på pudens overflade er elastiske for at undgå at forårsage for store uoprettelige ridser på waferen. Den mikroskopiske overfladehøjdeprofil af puden følger typisk en Gaussisk eller eksponentiel fordeling.
Den gennemsnitlige højde af ujævnheder (Rpk) påvirker kraftigt materialefjernelseshastigheden (MRR). Uden pudekonditionering falder MRR med poleringstiden; hvis Rpk gendannes ved konditionering, vender MRR tilbage til nær dets oprindelige niveau. Slid under polering og efterfølgende konditionering forårsager kontinuerlige ændringer i den faktiske puderuhed. Variationer i ruhed, asperitetsdiameter og ruhedsfordeling påvirker direkte MRR.
02 Materialeegenskaber for polerpuden
De fysiske og kemiske egenskaber af pudematerialet påvirker kontakttilstanden og kontaktkraften ved poleringsgrænsefladen (wafer-slurry-pad) og påvirker derved materialefjernelseshastigheden og waferens overfladeruhed.
● Mekaniske egenskabsparametre
Hårdhed og elasticitetsmodul er to vigtige mekaniske parametre. Hårde puder bruges i ru poleringsstadier, hvor høje fjernelseshastigheder er påkrævet, men overdreven hårdhed kan forårsage overfladeskader og uensartet materialefjernelse. Bløde puder bruges generelt i fine poleringsstadier med lave krav til ruhed. En pude med en hård top og blød bund kan forbedre MRR-ensartetheden, men har en tendens til at have en større kantudelukkelseszone; omvendt kan en pude med en blød top og hård bund reducere kantudelukkelseszonen og opnå bedre overfladekvalitet.
● Kemiske egenskaber
Puden skal have god kemisk stabilitet og hydrofilicitet. Polyurethan udviser en form-hukommelseseffekt, hvor formgendannelseshastigheden stiger med temperaturen.
I CMP-pudeproduktion involverer kemiske reaktioner hovedsageligt polyoler og isocyanater. De vigtigste råmaterialer omfatter præpolymerer, kædeforlængere/tværbindere, skummidler, katalysatorer og andre funktionelle additiver. Ved at kontrollere reaktantkoncentrationer og -forhold kan pudens forskellige materialeegenskaber forbedres. Aktive grupper i puden, såsom hydroxyl- og amidgrupper, spiller også en vigtig rolle - de forbedrer genafsætningslaget af polermaterialer og afbøder problemer med overfladekvaliteten forårsaget af mekanisk slid. Derudover kan fysisk og kemisk modifikation af pudematerialet forbedre dets ydeevne.
Ydermere under CMP undergår pudens overflade belastnings- og forskydningskræfter, hvilket får skævhederne til at gennemgå plastisk flow og bliver planariseret - et fænomen kendt som ruder. Pad-konditionering kan forbedre overfladeglaseringen og porøsiteten og bibeholde en stabil poleringsydelse.
Konditioneringsteknologier til poleringspuder
I øjeblikket falder konventionelle konditioneringsteknikker ind i to kategorier: ikke-selv-konditionerende og selv-konditionerende.
Ikke-selv-konditionerende teknologier
Ikke-selvkonditionerende henviser til brugen af eksterne kræfter til at fjerne slidte slibemidler, snavs og andre urenheder fra pudens overflade, blotlægge friske slibemidler og bevare skæreevnen under polering.
Diamond kommode conditioning
En diamantkommode består hovedsageligt af diamantslibemidler, et bindemiddel og et substrat. Diamantslibemidler fikseres på underlaget ved galvanisering, lodning, sintring eller kemisk dampaflejring. Dens konditioneringsydelse er tæt forbundet med pudens overfladetilstand og påvirker således emnekvaliteten. Princippet er, at diamanter med stor diameter på kommoden med magt fjerner kedelige diamantpartikler fra bindemidlet og fjerner det glaserede lag og snavs, hvilket blotlægger nye skærekanter på puden.
Højtryks vandstrålekonditionering
Denne teknik bruger forskydningskraften fra en vandstråle til at vaske løse eller dårligt bundne slibende partikler væk og bryder også det glaserede lag, fjerner urenheder og forbedrer pudens ydeevne.
Selvkonditionerende teknologier
Selvkonditionering refererer til metoder, der gør det muligt for pudens overfladelag at slides med en passende hastighed, så slibemidler i det underliggende lag eksponeres kontinuerligt under forarbejdning, hvilket bibeholder vedvarende skæreevne. Fremkomsten af selvkonditionering har introduceret nye tilgange til pudekonditionering.
Selvkonditionering eliminerer konditioneringstrinnet, undgår påvirkningen af kommodeslid på puden og forlænger pudens levetid. For eksempel kan tilføjelse af organiske baser, uorganiske salte eller andre kemikalier forbedre selvkonditionering; Brug af præpolymerer med hydrofobe grupper giver selvregulerende virkning under polering, stabiliserer processen og forhindrer kvældning af vand.