Đánh bóng cơ học hóa học (CMP) là công nghệ chủ chốt duy nhất có thể đạt được độ phẳng bề mặt wafer, có khả năng giảm độ nhám bề mặt xuống mức dưới nanomet. Nguyên tắc cơ bản của CMP là bùn phản ứng hóa học với bề mặt wafer để tạo thành một lớp mềm, sau đó được loại bỏ bằng ma sát cơ học, loại bỏ vật liệu và làm phẳng bề mặt wafer.
Các đặc điểm cấu trúc bề mặt (độ nhám, kiểu rãnh, v.v.) và tính chất vật liệu (độ cứng, mô đun đàn hồi, v.v.) của miếng đánh bóng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến CMP. Miếng đánh bóng ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đánh bóng của wafer.
01 Đặc điểm cấu trúc bề mặt của Pad đánh bóng
● Địa hình vi mô bề mặt của Tấm đánh bóng
Miếng đánh bóng thường chứa đầy các vi lỗ trên bề mặt, có thể lưu trữ và vận chuyển bùn và các hạt mài mòn, chống lại sự tấn công hóa học từ bùn và loại bỏ kịp thời các sản phẩm phụ đánh bóng, do đó ảnh hưởng đến việc loại bỏ vật liệu.
Dựa trên đặc điểm cấu trúc, miếng đánh bóng thương mại phổ biến được phân thành ba loại: loại lưới (vải giảm chấn), loại sợi (da tổng hợp) và loại microporous (polyurethane). So với hai loại còn lại, tấm lưới có khả năng nén và khả năng mang bùn tốt hơn, đồng thời độ cứng thấp hơn giúp ít gây trầy xước hơn trong quá trình đánh bóng tinh. Các loại sợi và polyurethane, do độ cứng và cấu trúc đặc trưng của chúng, chủ yếu được sử dụng để đánh bóng thô và đánh bóng các vật liệu phi kim loại.
Hình dạng và sự phân bố của các vi lỗ ảnh hưởng đến độ bền bề mặt và mật độ của miếng đệm. Đặc điểm độ xốp và mật độ chủ yếu được phản ánh qua tỷ lệ Poisson (ν). Độ bền bề mặt giảm khi độ xốp tăng. Đường kính lỗ rỗng lớn hơn sẽ cải thiện khả năng vận chuyển, nhưng lỗ chân lông quá lớn có thể làm giảm mật độ và độ bền của miếng đệm.
Những thay đổi về kích thước và cấu trúc micropore cũng ảnh hưởng đến hiệu suất đánh bóng. Tối ưu hóa cấu trúc micropore có thể cải thiện trạng thái tiếp xúc giữa miếng đệm và tấm bán dẫn. Khám phá mối quan hệ hiệp đồng giữa tải trọng cơ học tại bề mặt và các phản ứng hóa học của bùn có thể kiểm soát tốt hơn tốc độ loại bỏ vật liệu CMP.
● Họa tiết rãnh trên bề mặt của miếng đánh bóng
Rãnh trên bề mặt tấm đệm phục vụ hai mục đích: một mặt, nó tăng cường khả năng lưu trữ và vận chuyển bùn của tấm đệm, cải thiện dòng chảy bùn; mặt khác, nó làm thay đổi hệ số ma sát và ứng suất cắt trên bề mặt tấm đệm. Bảng dưới đây cho thấy các rãnh điển hình của dòng miếng đệm IC do Rohm Haas sản xuất, được sử dụng rộng rãi trong ngành bán dẫn. So sánh IC1010 với IC1000, IC1010 có các rãnh sâu hơn và dày đặc hơn, dẫn đến tác động cơ học mạnh hơn từ độ nhám của đệm và các hạt mài mòn, cũng như tác động hóa học mạnh hơn, dẫn đến khả năng loại bỏ vật liệu cao hơn.
Các mẫu rãnh phổ biến bao gồm các loại logarit xuyên tâm, lưới, hình khuyên và xoắn ốc. Trong hình bên dưới, (a)‑(d) biểu thị các miếng đệm mẫu đơn, trong khi (e)‑(g) là các miếng đệm mẫu tổng hợp. Các miếng đệm composite thường hoạt động tốt hơn các miếng đệm mẫu đơn và các miếng đệm logarit xoắn ốc âm có thể cải thiện đáng kể tốc độ đánh bóng.
● Cường độ của Pad
Các phần gồ ghề trên bề mặt miếng đệm có tính đàn hồi để tránh gây ra những vết xước quá mức không thể khắc phục được trên tấm wafer. Cấu hình chiều cao bề mặt vi mô của miếng đệm thường tuân theo phân bố Gaussian hoặc hàm mũ.
Chiều cao trung bình của cường độ (Rpk) ảnh hưởng mạnh đến tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR). Nếu không điều chỉnh miếng đệm, MRR sẽ giảm theo thời gian đánh bóng; nếu Rpk được phục hồi bằng điều hòa, MRR sẽ trở về gần mức ban đầu. Sự mài mòn trong quá trình đánh bóng và điều hòa tiếp theo gây ra những thay đổi liên tục về độ nhám thực tế của miếng đệm. Sự thay đổi về độ nhám, đường kính độ sáng và phân bố độ nhám ảnh hưởng trực tiếp đến MRR.
02 Đặc tính vật liệu của Pad đánh bóng
Các đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu tấm đệm ảnh hưởng đến trạng thái tiếp xúc và lực tiếp xúc tại bề mặt đánh bóng (tấm wafer-slurry-pad), do đó ảnh hưởng đến tốc độ loại bỏ vật liệu và độ nhám bề mặt tấm wafer.
● Thông số đặc tính cơ học
Độ cứng và mô đun đàn hồi là hai thông số cơ học quan trọng. Miếng đệm cứng được sử dụng trong các công đoạn đánh bóng thô đòi hỏi tốc độ loại bỏ cao nhưng độ cứng quá cao có thể gây hư hỏng bề mặt và loại bỏ vật liệu không đồng đều. Miếng đệm mềm thường được sử dụng trong các giai đoạn đánh bóng mịn với yêu cầu độ nhám thấp. Một miếng đệm có mặt trên cứng và mặt dưới mềm có thể cải thiện tính đồng nhất của MRR, nhưng có xu hướng có vùng loại trừ cạnh lớn hơn; ngược lại, miếng đệm có mặt trên mềm và mặt dưới cứng có thể làm giảm vùng loại trừ cạnh và đạt được chất lượng bề mặt tốt hơn.
● Đặc tính hóa học
Tấm lót phải có độ ổn định hóa học tốt và tính ưa nước. Polyurethane thể hiện hiệu ứng ghi nhớ hình dạng, với tốc độ phục hồi hình dạng tăng theo nhiệt độ.
Trong sản xuất tấm CMP, các phản ứng hóa học chủ yếu liên quan đến polyol và isocyanate. Nguyên liệu thô chính bao gồm prepolyme, chất mở rộng/liên kết ngang chuỗi, chất tạo bọt, chất xúc tác và các chất phụ gia chức năng khác. Bằng cách kiểm soát nồng độ và tỷ lệ chất phản ứng, các đặc tính vật liệu khác nhau của miếng đệm có thể được cải thiện. Các nhóm hoạt động trong miếng đệm, chẳng hạn như nhóm hydroxyl và amide, cũng đóng một vai trò quan trọng – chúng tăng cường lớp tái định vị của vật liệu đánh bóng và giảm thiểu các vấn đề về chất lượng bề mặt do mài mòn cơ học gây ra. Ngoài ra, sự biến đổi vật lý và hóa học của vật liệu đệm có thể cải thiện hiệu suất của nó.
Hơn nữa, trong quá trình CMP, bề mặt tấm đệm chịu tải trọng và lực cắt, làm cho các cạnh trải qua dòng chảy dẻo và trở nên phẳng – một hiện tượng được gọi là tráng men. Điều hòa pad có thể cải thiện độ bóng và độ xốp bề mặt, duy trì hiệu suất đánh bóng ổn định.
Công nghệ điều hòa cho miếng đánh bóng
Hiện nay, các kỹ thuật điều hòa thông thường được chia thành hai loại: không tự điều hòa và tự điều hòa.
Công nghệ không tự điều hòa
Không tự điều hòa là việc sử dụng lực bên ngoài để loại bỏ chất mài mòn, mảnh vụn và các tạp chất khác khỏi bề mặt đệm, làm lộ ra chất mài mòn mới và duy trì khả năng cắt trong quá trình đánh bóng.
Điều hòa tủ kim cương
Máy mài kim cương chủ yếu bao gồm chất mài mòn kim cương, chất kết dính và chất nền. Chất mài mòn kim cương được cố định trên bề mặt bằng cách mạ điện, hàn đồng, thiêu kết hoặc lắng đọng hơi hóa học. Hiệu suất điều hòa của nó liên quan chặt chẽ đến tình trạng bề mặt tấm đệm và do đó ảnh hưởng đến chất lượng phôi. Nguyên tắc là những viên kim cương có đường kính lớn trên máy mài sẽ đánh bật các hạt kim cương xỉn màu ra khỏi chất kết dính và loại bỏ lớp tráng men cũng như mảnh vụn, để lộ các cạnh cắt mới trên tấm đệm.
Điều hòa bằng tia nước áp suất cao
Kỹ thuật này sử dụng lực cắt của tia nước để rửa trôi các hạt mài mòn rời hoặc liên kết kém, đồng thời phá vỡ lớp tráng men, loại bỏ tạp chất và cải thiện hiệu suất của miếng đệm.
Công nghệ tự điều hòa
Tự điều hòa đề cập đến các phương pháp cho phép lớp bề mặt đệm mòn ở tốc độ thích hợp để chất mài mòn ở lớp dưới bề mặt tiếp xúc liên tục trong quá trình xử lý, duy trì khả năng cắt bền vững. Sự xuất hiện của khả năng tự điều hòa đã mang lại những phương pháp tiếp cận mới cho việc điều hòa đệm.
Tự điều hòa giúp loại bỏ bước điều hòa, tránh tác động của việc mài mòn tấm đệm và kéo dài tuổi thọ của tấm đệm. Ví dụ, thêm bazơ hữu cơ, muối vô cơ hoặc các hóa chất khác có thể tăng cường khả năng tự điều hòa; sử dụng prepolyme với các nhóm kỵ nước mang lại tác dụng tự điều chỉnh trong quá trình đánh bóng, ổn định quy trình và ngăn ngừa hiện tượng trương nở của nước.