Polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP) to jedyna kluczowa technologia, która pozwala osiągnąć planaryzację powierzchni płytki, zdolną do zmniejszenia chropowatości powierzchni do poziomu poniżej nanometra. Podstawową zasadą CMP jest to, że zawiesina reaguje chemicznie z powierzchnią płytki, tworząc zmiękczoną warstwę, którą następnie usuwa się poprzez tarcie mechaniczne, usuwanie materiału i planaryzację powierzchni płytki.
Właściwości strukturalne powierzchni (chropowatość, wzór rowków itp.) i właściwości materiału (twardość, moduł sprężystości itp.) talerza polerskiego są ważnymi czynnikami wpływającymi na CMP. Pad polerski ma bezpośredni wpływ na efekt polerowania płytki.
01 Charakterystyka strukturalna powierzchni talerza polerskiego
● Mikrotopografia powierzchni talerza polerskiego
Podkładki polerskie są zwykle pełne mikroporów na powierzchni, które mogą przechowywać i transportować szlam i cząstki ścierne, są odporne na działanie środków chemicznych ze strony szlamu i szybko usuwają produkty uboczne polerowania, wpływając w ten sposób na usuwanie materiału.
W oparciu o cechy strukturalne, popularne komercyjne podkładki polerskie dzielą się na trzy typy: typu siatkowego (tkanina tłumiąca), typu włóknistego (skóra syntetyczna) i typu mikroporowatego (poliuretan). W porównaniu z dwoma pozostałymi podkładka siatkowa ma lepszą ściśliwość i zdolność przenoszenia szlamu, a jej niższa twardość sprawia, że ryzyko zarysowania podczas dokładnego polerowania jest mniejsze. Rodzaje włókien i poliuretanów, ze względu na swoją specyficzną twardość i strukturę, stosowane są najczęściej do polerowania zgrubnego i polerowania materiałów niemetalicznych.
Geometria i rozmieszczenie mikroporów wpływają na wytrzymałość powierzchni i gęstość podkładki. Charakterystykę porowatości i gęstości odzwierciedla głównie współczynnik Poissona (ν). Wytrzymałość powierzchniowa maleje wraz ze wzrostem porowatości. Większe średnice porów poprawiają zdolność transportu, ale zbyt duże pory mogą zmniejszyć gęstość i wytrzymałość podkładki.
Zmiany w wielkości i strukturze mikroporów również wpływają na skuteczność polerowania. Optymalizacja struktury mikroporów może poprawić stan styku pomiędzy podkładką a płytką. Badanie synergistycznego związku między obciążeniem mechanicznym na granicy faz a reakcjami chemicznymi zaczynu może lepiej kontrolować szybkość usuwania materiału CMP.
● Tekstury rowków powierzchniowych nakładki polerskiej
Rowki na powierzchni podkładki służą dwóm celom: z jednej strony zwiększają zdolność podkładki do przechowywania i transportu gnojowicy, poprawiając przepływ gnojowicy; z drugiej strony modyfikuje współczynnik tarcia i naprężenia ścinające na powierzchni klocka. Poniższa tabela przedstawia typowe rowki podkładek serii IC firmy Rohm Haas, które są szeroko stosowane w przemyśle półprzewodników. W porównaniu z IC1010 z IC1000, IC1010 ma głębsze i gęstsze rowki, co skutkuje silniejszym działaniem mechanicznym wynikającym z chropowatości podkładki i cząstek ściernych, a także silniejszym działaniem chemicznym, co prowadzi do wyższej zdolności usuwania materiału.
Typowe wzory rowków obejmują typy logarytmiczne promieniowe, siatkowe, pierścieniowe i spiralne. Na poniższym rysunku (a) – (d) reprezentują podkładki o pojedynczym wzorze, natomiast (e) – (g) to podkładki o wzorze złożonym. Klocki kompozytowe na ogół działają lepiej niż podkładki o pojedynczym wzorze, a ujemne podkładki spiralno-logarytmiczne mogą znacznie poprawić szybkość polerowania.
● Chropowatość podkładki
Szorstkie występy na powierzchni podkładki są elastyczne, aby uniknąć powodowania nadmiernych, nieodwracalnych zarysowań na płytce. Mikroskopijny profil wysokości powierzchni podkładki zazwyczaj ma rozkład Gaussa lub wykładniczy.
Średnia wysokość nierówności (Rpk) silnie wpływa na szybkość usuwania materiału (MRR). Bez kondycjonowania padu MRR zmniejsza się wraz z czasem polerowania; jeśli Rpk zostanie przywrócone przez kondycjonowanie, MRR powraca do poziomu bliskiego pierwotnemu. Zużycie podczas polerowania i późniejszego kondycjonowania powoduje ciągłe zmiany rzeczywistej chropowatości podkładki. Różnice w chropowatości, średnicy chropowatości i rozkładzie chropowatości bezpośrednio wpływają na MRR.
02 Właściwości materiałowe nakładki polerskiej
Właściwości fizyczne i chemiczne materiału nakładki wpływają na stan styku i siłę styku na granicy faz polerskich (wafel-paliwo-podkładka), wpływając w ten sposób na szybkość usuwania materiału i chropowatość powierzchni płytki.
● Parametry właściwości mechanicznych
Twardość i moduł sprężystości to dwa ważne parametry mechaniczne. Twarde podkładki są używane na etapach polerowania zgrubnego, gdzie wymagana jest duża wydajność usuwania, ale nadmierna twardość może powodować uszkodzenie powierzchni i nierównomierne usuwanie materiału. Miękkie podkładki są zwykle stosowane w etapach dokładnego polerowania przy niskich wymaganiach dotyczących chropowatości. Podkładka z twardą górą i miękkim dnem może poprawić jednorodność MRR, ale zwykle ma większą strefę wykluczenia krawędzi; odwrotnie, podkładka z miękkim wierzchem i twardym dnem może zmniejszyć strefę wykluczenia krawędzi i uzyskać lepszą jakość powierzchni.
● Charakterystyka chemiczna
Podkładka powinna charakteryzować się dobrą stabilnością chemiczną i hydrofilowością. Poliuretan wykazuje efekt pamięci kształtu, przy czym szybkość odzyskiwania kształtu rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
W produkcji podkładek CMP reakcje chemiczne obejmują głównie poliole i izocyjaniany. Główne surowce obejmują prepolimery, przedłużacze/środki sieciujące, środki spieniające, katalizatory i inne dodatki funkcjonalne. Kontrolując stężenia i proporcje reagentów, można poprawić różne właściwości materiału tamponu. Ważną rolę odgrywają także grupy aktywne w padzie, takie jak grupy hydroksylowe i amidowe – wzmacniają warstwę redeponowaną materiałów polerskich i łagodzą problemy z jakością powierzchni spowodowane zużyciem mechanicznym. Dodatkowo fizyczna i chemiczna modyfikacja materiału podkładki może poprawić jej działanie.
Co więcej, podczas CMP powierzchnia podkładki poddawana jest obciążeniu i siłom ścinającym, co powoduje, że chropowatości ulegają plastycznemu płynięciu i ulegają spłaszczeniu – jest to zjawisko znane jako szkliwienie. Kondycjonowanie pada może złagodzić glazurę i porowatość powierzchni, utrzymując stabilną wydajność polerowania.
Technologie kondycjonowania padów polerskich
Obecnie konwencjonalne techniki kondycjonowania można podzielić na dwie kategorie: niesamokondycjonujące i samokondycjonujące.
Technologie niesamokondycjonujące
Brak samokondycjonowania oznacza użycie sił zewnętrznych w celu usunięcia zużytych materiałów ściernych, gruzu i innych zanieczyszczeń z powierzchni pada, odsłaniając świeże materiały ścierne i utrzymując zdolność cięcia podczas polerowania.
Kondycjonowanie obciągacza diamentowego
Obciągacz diamentowy składa się głównie z diamentowych materiałów ściernych, spoiwa i podłoża. Diamentowe materiały ścierne mocuje się na podłożu poprzez galwanizację, lutowanie, spiekanie lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej. Jego działanie kondycjonujące jest ściśle powiązane ze stanem powierzchni padu i tym samym wpływa na jakość przedmiotu obrabianego. Zasada jest taka, że diamenty o dużej średnicy na obciągaczu na siłę wypierają tępe cząstki diamentu ze spoiwa oraz usuwają warstwę szkliwa i zanieczyszczenia, odsłaniając nowe krawędzie tnące na podkładce.
Wysokociśnieniowe kondycjonowanie strumieniem wody
Technika ta wykorzystuje siłę ścinającą strumienia wody do zmywania luźnych lub słabo związanych cząstek ściernych, a także rozbija warstwę szkliwa, usuwając zanieczyszczenia i poprawiając działanie padu.
Technologie samokondycjonujące
Samokondycjonowanie odnosi się do metod, które pozwalają warstwie powierzchniowej klocka zużywać się w odpowiednim tempie, tak że materiały ścierne w warstwie podpowierzchniowej są stale eksponowane podczas obróbki, co pozwala na utrzymanie trwałej zdolności cięcia. Pojawienie się samokondycjonowania wprowadziło nowe podejście do kondycjonowania podkładek.
Samokondycjonowanie eliminuje etap kondycjonowania, pozwala uniknąć wpływu zużycia obciągacza na klocek i wydłuża jego żywotność. Na przykład dodanie zasad organicznych, soli nieorganicznych lub innych substancji chemicznych może poprawić samokondycjonowanie; zastosowanie prepolimerów z grupami hydrofobowymi zapewnia działanie samoregulujące podczas polerowania, stabilizując proces i zapobiegając pęcznieniu wody.