Chemické mechanické leštění (CMP) je jedinou klíčovou technologií, která může dosáhnout planarizace povrchu plátku, která je schopna snížit drsnost povrchu na subnanometrovou úroveň. Základním principem CMP je, že kaše chemicky reaguje s povrchem destičky za vzniku změkčené vrstvy, která je následně odstraněna mechanickým třením, odstraněním materiálu a planarizací povrchu destičky.
Strukturální charakteristiky povrchu (drsnost, vzor drážky atd.) a vlastnosti materiálu (tvrdost, modul pružnosti atd.) leštícího kotouče jsou důležitými faktory ovlivňujícími CMP. Leštící kotouč přímo ovlivňuje výsledky leštění destičky.
01 Strukturální vlastnosti povrchu leštícího kotouče
● Mikrotopografie povrchu leštícího kotouče
Leštící polštářky jsou obvykle plné mikropórů na povrchu, které mohou ukládat a transportovat kal a abrazivní částice, odolávat chemickému působení kalu a rychle odstraňovat vedlejší produkty leštění, čímž ovlivňují úběr materiálu.
Na základě strukturních vlastností jsou běžné komerční leštící pady klasifikovány do tří typů: síťovaný typ (tlumící tkanina), vláknový typ (syntetická kůže) a mikroporézní typ (polyuretan). Ve srovnání s ostatními dvěma má síťovaná podložka lepší stlačitelnost a schopnost nést kaši a její nižší tvrdost snižuje pravděpodobnost poškrábání při jemném leštění. Vláknové a polyuretanové typy se pro svou specifickou tvrdost a strukturu používají převážně k hrubému leštění a leštění nekovových materiálů.
Geometrie a rozložení mikropórů ovlivňuje povrchovou pevnost a hustotu podložky. Charakteristiky pórovitosti a hustoty se odrážejí především v Poissonově poměru (ν). Pevnost povrchu klesá s rostoucí pórovitostí. Větší průměr pórů zlepšuje transportní kapacitu, ale příliš velké póry mohou snížit hustotu a pevnost polštářku.
Změny velikosti a struktury mikropórů také ovlivňují výkon leštění. Optimalizace struktury mikropórů může zlepšit stav kontaktu mezi podložkou a plátkem. Zkoumání synergického vztahu mezi mechanickým zatížením na rozhraní a chemickými reakcemi suspenze může lépe řídit rychlost odstraňování materiálu CMP.
● Textury povrchové drážky leštícího kotouče
Drážkování na povrchu podložky slouží ke dvěma účelům: na jedné straně zlepšuje schopnost podložky ukládat a přepravovat kal, čímž se zlepšuje tok kalu; na druhé straně modifikuje koeficient tření a smykové napětí na povrchu podložky. Níže uvedená tabulka ukazuje typické drážky destiček řady IC vyráběných společností Rohm Haas, které jsou široce používány v polovodičovém průmyslu. Ve srovnání s IC1010 s IC1000 má IC1010 hlubší a hustší drážky, což má za následek silnější mechanické působení nerovností podložky a abrazivních částic a také silnější chemické působení, což vede k vyšší schopnosti odstraňování materiálu.
Mezi běžné vzory drážek patří radiální, mřížkové, prstencové a spirálové logaritmické typy. Na obrázku níže (a)-(d) představují podložky s jedním vzorem, zatímco (e)-(g) jsou podložky se složeným vzorem. Kompozitní pady obecně fungují lépe než kotouče s jedním vzorem a negativní spirálově-logaritmické kotouče mohou výrazně zlepšit rychlost leštění.
● Drsnosti podložky
Drsné výstupky na povrchu podložky jsou elastické, aby nezpůsobovaly nadměrné neopravitelné škrábance na destičce. Mikroskopický profil výšky povrchu podložky typicky sleduje Gaussovu nebo exponenciální distribuci.
Průměrná výška nerovností (Rpk) silně ovlivňuje rychlost úběru materiálu (MRR). Bez úpravy padu se MRR snižuje s dobou leštění; pokud je Rpk obnoveno kondicionováním, MRR se vrátí na téměř původní úroveň. Opotřebení během leštění a následné úpravy způsobuje neustálé změny skutečné drsnosti kotouče. Změny v drsnosti, průměru asperity a rozložení drsnosti přímo ovlivňují MRR.
02 Vlastnosti materiálu leštícího kotouče
Fyzikální a chemické vlastnosti materiálu kotouče ovlivňují stav kontaktu a kontaktní sílu na lešticím rozhraní (wafer-kalry-pad), a tím ovlivňují rychlost úběru materiálu a drsnost povrchu destičky.
● Parametry mechanických vlastností
Tvrdost a modul pružnosti jsou dva důležité mechanické parametry. Tvrdé kotouče se používají ve fázích hrubého leštění, kde jsou vyžadovány vysoké rychlosti úběru, ale nadměrná tvrdost může způsobit poškození povrchu a nerovnoměrný úběr materiálu. Měkké kotouče se obecně používají ve fázích jemného leštění s nízkými požadavky na drsnost. Podložka s tvrdým vrškem a měkkým dnem může zlepšit rovnoměrnost MRR, ale má tendenci mít větší zónu vyloučení okraje; naopak podložka s měkkou horní částí a tvrdým dnem může snížit zónu vyloučení hran a dosáhnout lepší kvality povrchu.
● Chemické vlastnosti
Podložka by měla mít dobrou chemickou stabilitu a hydrofilitu. Polyuretan vykazuje efekt tvarové paměti, přičemž rychlost obnovy tvaru se zvyšuje s teplotou.
Při výrobě polštářků CMP zahrnují chemické reakce hlavně polyoly a isokyanáty. Mezi hlavní suroviny patří prepolymery, prodlužovače řetězce/zesíťovadla, pěnidla, katalyzátory a další funkční přísady. Řízením koncentrací a poměrů reaktantů lze zlepšit různé materiálové vlastnosti podložky. Aktivní skupiny v kotouči, jako jsou hydroxylové a amidové skupiny, také hrají důležitou roli – zlepšují vrstvu redepozice leštících materiálů a zmírňují problémy s kvalitou povrchu způsobené mechanickým opotřebením. Fyzikální a chemická úprava materiálu podložky může navíc zlepšit její výkon.
Kromě toho během CMP povrch podložky podléhá zatížení a smykovým silám, což způsobuje plastické proudění nerovností a planarizaci – jev známý jako zasklení. Kondicionování padů může zlepšit zasklení povrchu a pórovitost a udržet stabilní leštící výkon.
Technologie kondicionování leštících padů
V současné době konvenční techniky kondicionování spadají do dvou kategorií: bez samokondicionování a samokondicionování.
Non-self-Conditioning Technologies
Bez samokondicionování se rozumí použití vnějších sil k odstranění opotřebovaných brusiv, úlomků a jiných nečistot z povrchu kotouče, vystavení čerstvého brusiva a zachování řezné schopnosti během leštění.
Diamantová úprava příborníku
Diamantový orovnávač se skládá hlavně z diamantových brusiv, pojiva a substrátu. Diamantové brusivo se fixuje na substrát galvanickým pokovováním, pájením natvrdo, slinováním nebo chemickým nanášením par. Jeho kondicionační výkon úzce souvisí se stavem povrchu podložky a ovlivňuje tak kvalitu obrobku. Princip spočívá v tom, že diamanty velkého průměru na orovnávači násilně vytlačují tupé diamantové částice z pojiva a odstraňují glazurovou vrstvu a nečistoty a odhalují nové řezné hrany na podložce.
Kondicionování vysokotlakým vodním paprskem
Tato technika využívá smykovou sílu vodního paprsku k odplavení uvolněných nebo špatně spojených abrazivních částic a také rozbije glazovanou vrstvu, odstraní nečistoty a zlepší výkon padu.
Samoklimatizační technologie
Samokondicionování se týká metod, které umožňují, aby se povrchová vrstva kotouče opotřebovávala přiměřenou rychlostí, takže abraziva v podpovrchové vrstvě jsou během zpracování nepřetržitě obnažována, čímž je zachována trvalá řezná schopnost. Vznik samokondicionování přinesl nové přístupy ke kondicionování podložek.
Samokondicionování eliminuje krok úpravy, zamezuje dopadu opotřebení komody na podložku a prodlužuje životnost podložky. Například přidání organických zásad, anorganických solí nebo jiných chemikálií může zlepšit samokondicionování; použití prepolymerů s hydrofobními skupinami poskytuje samoregulační účinek během leštění, stabilizuje proces a zabraňuje bobtnání vody.