Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) ist die einzige Schlüsseltechnologie, die eine Planarisierung der Waferoberfläche erreichen und so die Oberflächenrauheit auf den Sub-Nanometer-Bereich reduzieren kann. Das Grundprinzip von CMP besteht darin, dass die Aufschlämmung chemisch mit der Waferoberfläche reagiert und eine erweichte Schicht bildet, die dann durch mechanische Reibung, Materialentfernung und Planarisierung der Waferoberfläche entfernt wird.
Die Oberflächenstruktureigenschaften (Rauheit, Rillenmuster usw.) und Materialeigenschaften (Härte, Elastizitätsmodul usw.) des Polierpads sind wichtige Faktoren, die den CMP beeinflussen. Das Polierpad hat direkten Einfluss auf das Polierergebnis des Wafers.
01 Oberflächenstruktureigenschaften des Polierpads
● Oberflächenmikrotopographie des Polierpads
Polierpads sind in der Regel voller Mikroporen auf der Oberfläche, die Polierpaste und Schleifpartikel speichern und transportieren, chemischen Angriffen der Polierpaste widerstehen und Poliernebenprodukte umgehend entfernen können, wodurch der Materialabtrag beeinträchtigt wird.
Basierend auf strukturellen Merkmalen werden handelsübliche Polierpads in drei Typen eingeteilt: Netztyp (Dämpfungstuch), Fasertyp (Kunstleder) und mikroporöser Typ (Polyurethan). Im Vergleich zu den anderen beiden weist das Mesh-Pad eine bessere Komprimierbarkeit und Schlammtragfähigkeit auf, und seine geringere Härte macht es weniger wahrscheinlich, dass es beim Feinpolieren Kratzer verursacht. Die Faser- und Polyurethantypen werden aufgrund ihrer spezifischen Härte und Struktur hauptsächlich zum Grobpolieren und Polieren nichtmetallischer Materialien verwendet.
Die Geometrie und Verteilung der Mikroporen beeinflussen die Oberflächenfestigkeit und Dichte des Pads. Die Porositäts- und Dichteeigenschaften werden hauptsächlich durch die Poissonzahl (ν) widergespiegelt. Mit zunehmender Porosität nimmt die Oberflächenfestigkeit ab. Größere Porendurchmesser verbessern die Transportkapazität, übermäßig große Poren können jedoch die Dichte und Festigkeit des Polsters verringern.
Veränderungen in der Größe und Struktur der Mikroporen wirken sich auch auf die Polierleistung aus. Durch die Optimierung der Mikroporenstruktur kann der Kontaktzustand zwischen Pad und Wafer verbessert werden. Durch die Untersuchung der synergistischen Beziehung zwischen mechanischer Belastung an der Grenzfläche und chemischen Reaktionen der Aufschlämmung kann die CMP-Materialentfernungsrate besser gesteuert werden.
● Oberflächenrillentexturen des Polierpads
Die Rillen auf der Saugeroberfläche dienen zwei Zwecken: Einerseits verbessert sie die Fähigkeit des Saugers, Gülle zu lagern und zu transportieren, wodurch der Schlammfluss verbessert wird. Andererseits verändert es den Reibungskoeffizienten und die Scherspannung auf der Belagoberfläche. Die folgende Tabelle zeigt typische Rillen der von Rohm Haas hergestellten Pads der IC-Serie, die in der Halbleiterindustrie weit verbreitet sind. Im Vergleich zu IC1010 und IC1000 weist IC1010 tiefere und dichtere Rillen auf, was zu einer stärkeren mechanischen Wirkung durch Unebenheiten des Pads und abrasiven Partikeln sowie einer stärkeren chemischen Wirkung führt, was zu einer höheren Materialentfernungsfähigkeit führt.
Zu den gängigen Rillenmustern gehören radiale, gitterförmige, ringförmige und spiralförmige logarithmische Typen. In der Abbildung unten stellen (a)–(d) Einzelmuster-Pads dar, während (e)–(g) Verbundmuster-Pads sind. Komposit-Pads sind im Allgemeinen leistungsfähiger als Einzelmuster-Pads, und negative spiral-logarithmische Pads können die Polierrate erheblich verbessern.
● Pad-Unebenheiten
Die rauen Vorsprünge auf der Pad-Oberfläche sind elastisch, um übermäßige irreparable Kratzer auf dem Wafer zu vermeiden. Das mikroskopische Oberflächenhöhenprofil des Pads folgt typischerweise einer Gaußschen oder exponentiellen Verteilung.
Die durchschnittliche Höhe der Unebenheiten (Rpk) hat großen Einfluss auf die Materialentfernungsrate (MRR). Ohne Pad-Konditionierung nimmt die MRR mit der Polierzeit ab; Wenn Rpk durch Konditionierung wiederhergestellt wird, kehrt MRR in die Nähe seines ursprünglichen Niveaus zurück. Der Verschleiß während des Polierens und der anschließenden Konditionierung führt zu kontinuierlichen Änderungen der tatsächlichen Rauheit des Pads. Variationen in der Rauheit, dem Unebenheitsdurchmesser und der Rauheitsverteilung wirken sich direkt auf die MRR aus.
02 Materialeigenschaften des Polierpads
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Pad-Materials beeinflussen den Kontaktzustand und die Kontaktkraft an der Polierschnittstelle (Wafer-Slurry-Pad) und beeinflussen dadurch die Materialabtragsrate und die Rauheit der Waferoberfläche.
● Parameter der mechanischen Eigenschaften
Härte und Elastizitätsmodul sind zwei wichtige mechanische Parameter. Harte Pads werden in Grobpolierschritten verwendet, bei denen hohe Abtragsraten erforderlich sind, eine übermäßige Härte jedoch zu Oberflächenschäden und ungleichmäßigem Materialabtrag führen kann. Weiche Pads werden im Allgemeinen in Feinpolierschritten mit geringen Anforderungen an die Rauheit verwendet. Ein Pad mit einer harten Oberseite und einer weichen Unterseite kann die MRR-Gleichmäßigkeit verbessern, weist jedoch tendenziell eine größere Randausschlusszone auf; Umgekehrt kann ein Pad mit weicher Oberseite und harter Unterseite die Randausschlusszone verkleinern und eine bessere Oberflächenqualität erzielen.
● Chemische Eigenschaften
Das Pad sollte eine gute chemische Stabilität und Hydrophilie aufweisen. Polyurethan weist einen Formgedächtniseffekt auf, wobei die Formerholungsrate mit der Temperatur zunimmt.
Bei der Herstellung von CMP-Pads sind an chemischen Reaktionen hauptsächlich Polyole und Isocyanate beteiligt. Zu den Hauptrohstoffen gehören Präpolymere, Kettenverlängerer/-vernetzer, Schaumbildner, Katalysatoren und andere funktionelle Additive. Durch die Steuerung der Reaktantenkonzentrationen und -verhältnisse können verschiedene Materialeigenschaften des Kissens verbessert werden. Auch aktive Gruppen im Pad, wie Hydroxyl- und Amidgruppen, spielen eine wichtige Rolle – sie verstärken die Wiederablagerungsschicht von Poliermaterialien und mildern Probleme mit der Oberflächenqualität, die durch mechanischen Verschleiß verursacht werden. Darüber hinaus kann eine physikalische und chemische Modifikation des Polstermaterials dessen Leistung verbessern.
Darüber hinaus erfährt die Pad-Oberfläche beim CMP Last- und Scherkräfte, was dazu führt, dass die Unebenheiten plastisch fließen und planarisiert werden – ein Phänomen, das als Verglasung bekannt ist. Die Pad-Konditionierung kann die Glasur und Porosität der Oberfläche verbessern und eine stabile Polierleistung gewährleisten.
Konditionierungstechnologien für Polierpads
Derzeit lassen sich herkömmliche Konditionierungstechniken in zwei Kategorien einteilen: nicht selbstkonditionierend und selbstkonditionierend.
Nicht selbstkonditionierende Technologien
Unter Nicht-Selbstkonditionierung versteht man den Einsatz äußerer Kräfte, um abgenutzte Schleifmittel, Ablagerungen und andere Verunreinigungen von der Pad-Oberfläche zu entfernen, frische Schleifmittel freizulegen und die Schneidfähigkeit während des Polierens aufrechtzuerhalten.
Konditionierung des Diamantabrichters
Ein Diamantabrichter besteht hauptsächlich aus Diamantschleifmitteln, einem Bindemittel und einem Substrat. Diamantschleifmittel werden durch Galvanisieren, Hartlöten, Sintern oder chemische Gasphasenabscheidung auf dem Substrat befestigt. Seine Konditionierungsleistung hängt eng mit dem Zustand der Padoberfläche zusammen und beeinflusst somit die Werkstückqualität. Das Prinzip besteht darin, dass Diamanten mit großem Durchmesser auf dem Abrichter stumpfe Diamantpartikel mit Gewalt aus dem Bindemittel lösen und die glasierte Schicht und Rückstände entfernen, wodurch neue Schneidkanten auf dem Pad freigelegt werden.
Hochdruck-Wasserstrahlaufbereitung
Diese Technik nutzt die Scherkraft eines Wasserstrahls, um lose oder schlecht gebundene Schleifpartikel abzuwaschen und bricht außerdem die glasierte Schicht auf, wodurch Verunreinigungen entfernt und die Leistung des Pads verbessert werden.
Selbstkonditionierungstechnologien
Selbstkonditionierung bezieht sich auf Methoden, die eine angemessene Abnutzung der Pad-Oberflächenschicht ermöglichen, so dass Schleifmittel in der Untergrundschicht während der Verarbeitung kontinuierlich freigelegt werden und eine anhaltende Schneidfähigkeit erhalten bleibt. Das Aufkommen der Selbstkonditionierung hat neue Ansätze für die Polsterkonditionierung eingeführt.
Die Selbstkonditionierung macht den Konditionierungsschritt überflüssig, vermeidet die Auswirkungen des Abrichterverschleißes auf das Pad und verlängert die Lebensdauer des Pads. Beispielsweise kann die Zugabe organischer Basen, anorganischer Salze oder anderer Chemikalien die Selbstkonditionierung verbessern; Die Verwendung von Präpolymeren mit hydrophoben Gruppen sorgt für eine selbstregulierende Wirkung beim Polieren, stabilisiert den Prozess und verhindert das Aufquellen von Wasser.