Mecanismul și caracteristicile de prelucrare

Cele trei categorii de prelucrare cu suspensii, „lepuire”, „lustruire (mecanică)” și „lustruire de ultraprecizie” într-un model simplificat sunt reprezentate ca în Fig. 1, luând o unitate de îndepărtare care corespunde adâncimii efective a suspensei/dimensiunii resturilor pentru axa orizontală. Atunci când lucrarea este realizată din material tip crustaceu (tare, subțire și fragil), cum ar fi siliciu și sticlă, lepuirea are loc cu o distrugere mecanică prin generarea de fisuri și resturi cauzate de abrazivi duri, în timp ce lustruirea obține o suprafață de oglindă printr-o integrare de micro zgârieturi cu efect mecanic minim. Lustruirea de ultraprecizie la scară nanometrică include metode rafinate ale lustruirii mecanice convenționale, cum ar fi lustruirea optică sau metalografică și o nouă abordare folosind o metodă chimică, o metodă fizică sau o combinație a ambelor (Doi et al. 2011).

Aici este explicat CMP ca lustruire combinată chimic. CMP urmărește să îmbunătățească calitatea suprafeței de lustruire, în mod obișnuit, prin utilizarea abrazivelor ultrafine distribuite în suspensie și a unui tampon moale. Se efectuează într-o cameră curată cu apă deionizată de înaltă puritate pentru a evita particulele și contaminările. CMP se caracterizează printr-o eficiență ridicată și o deformare mecanică extrem de scăzută. Factorii mecanismului de prelucrare sunt rezumați după cum urmează:

(a) Produsul de reacție moale sau tip crustaceu de pe suprafața de lucru creat de o soluție chimică în suspensie este ușor îndepărtat prin efectul mecanic al suspensiei.

(b) Interfețele de frecare de pe suprafața de lucru unde sunt aplicați abrazivi fini devin activate pentru a promova reacția cu soluția chimică, iar produsul de reacție este ușor dizolvat.

(c) Creșterea temperaturii creată de frecarea abrazivilor și a unui tampon sporește o reacție chimică.

(d) Formarea unui strat deformat prin micro zgârieturi cu abrazivi susține un proces chimic.

În plus, dacă este observat la microscop,

(e) efectul adeziv dintre abrazivii în suspensie și atomii de pe suprafața de lucru accelerează uneori prelucrarea.

Figura 2 prezintă un model de mecanism microscopic pentru CMP al cristalului de Si cu particule de silice (SiO2). Atomii de Si de pe suprafața silicei și atomii de Si de pe suprafața cristalină formează legături Si-O-Si (siloxan) prin intermediul atomilor de oxigen, rezultând legături mai slabe ale atomilor de Si din interiorul cristalului, ceea ce permite îndepărtarea atomilor de suprafață prin ruperea legăturilor de către mișcarea relativă a particulelor de silice presate. Acesta este mecanismul microscopic de prelucrare care poate fi aplicat și la lustruirea ochelarilor (Cook 1990). Situația și mediul procesului depind în mare măsură de mulți factori, cum ar fi compoziția suspensiei, relația potențialului zeta dintre abrazivi și suprafața de lucru, tipul și starea tampoanelor și condițiile mecanice.

Istoricul dezvoltării tehnologiei CMP

Lustruirea mecanică, așa cum este reprezentată de lustruirea optică sau metalografică, era deja aplicată în epoca lui Isaac Newton (în jurul secolului al XVII-lea) pentru a fabrica lentile și oglinzi pentru telescoape. Când a fost dezvăluit mecanismul de lustruire optică, oamenii au început să recunoască importanța finisării în oglindă cu tehnologie și precizie superioară, inventând multe tipuri de metode de lustruire de ultraprecizie. Procesul de lustruire nu s-a schimbat în mod fundamental față de metoda de odinioară, în care o lucrare și un tampon sunt frecate una pe cealaltă cu adăugarea de suspensie. O îmbunătățire semnificativă a acurateței a avut loc în timpul Renașterii, când oamenii au cerut o amplificare mai mare și o mai bună corecție a astigmatismului la telescoape și microscoape cu mai multe lentile. Optica ca subiect științific a avansat mult datorită îmbunătățirii tehnologiei de lustruire.

În zilele noastre au fost propuse metode unice de lustruire folosind diferite abrazive și/sau soluții. Înțelegerea naturii materiale a unei lucrări și a diferitelor efecte mecanice și chimice induse de combinarea componentelor procesului, cum ar fi suspensia și tampoanele, a condus la multe variații ale lustruirii chimico-mecanice. Lustruirea chimico-mecanică (CMP) și lustruirea mecanochimică (MCP) sunt exemple tipice pentru astfel de metode de lustruire (Doi et al. 2011).

În fabricarea dispozitivelor, cu excepția tranzistoarelor cu strat tensionat care utilizează o mobilitate crescută a purtătorului în Si tensionat, este destul de rar să se folosească un strat deteriorat de la prelucrare ca strat activ. Astfel, este necesară finisarea plachetei având o suprafață nederanjată, adică o suprafață lipsită de un strat deteriorat. Un exemplu tipic al acestui proces de finisare pentru a obține o suprafață nederanjată este CMP. În cazul lustruirii optice pentru lentile de sticlă, finisarea în oglindă de înaltă calitate cu o rugozitate a suprafeței de ~ 5 nm Rz a fost posibilă prin utilizarea unei plăci sculă cu pas ca tampon de lustruire și a pulberii de Fe2O3 (oxid de fier roșu) sau ceria (oxid de ceriu). Însă, aplicarea acestei tehnici la procesul LSI Si nu a atins aceeași calitate a suprafeței ca tehnologia planer (mașinii de nivelat) în anii 1960 – microzgârieturi au fost observate după gravare chiar dacă suprafața arăta ca o oglindă. Această problemă a declanșat dezvoltarea CMP ca o lustruire combinată chimică. Tehnologia CMP a devenit baza etapei de lustruire pentru plachetele goale de Si și a făcut un progres remarcabil. În prezent, CMP pentru plachetele goale de Si folosește în general silice coloidal pe bază de alcali (silice coloidal de înaltă puritate produs prin metoda schimbului de ioni sau hidroliza alcoxisilanului) care are o distribuție de dimensiuni reduse și caracteristici de dispersie ridicată (Doi et al. 2011).

În procesul CMP propriu-zis, soluția bazică sau acidă, care provoacă o reacție chimică cu suprafața plachetei, este utilizată ca abrazive distribuite în suspensie. Plachetele sunt presate pe un tampon rotativ (numit și ca șlefuitor sau cârpă de lustruit) cu suspensia picurată și răspândită, iar suprafața superioară a lucrării este îndepărtată mecanic. Figura 3 prezintă componentele fundamentale ale echipamentelor pentru realizarea CMP. Printre aceste componente, un tampon și suspensie determină caracteristicile CMP și, prin urmare, sunt extrem de importante. Un tampon CMP pentru plachetele de dispozitiv este diferit în specificație și structură față de cele pentru plachetele de Si goale din cauza obiectivelor diferite (Doi 2001).

Tehnologie CMP maturată pentru plăcuțe Si

Aplicarea industrială a CMP ca procesare de ultraprecizie a început la începutul anilor 1970, când CMP a fost utilizat în procesul de semiconductor Si. Deoarece fabricarea Si LSI necesită plachete Si de calitate superioară, tehnologia CMP a făcut un progres semnificativ. Nu există alt exemplu decât plachetele de Si care sunt produse în masă (producția lunară a peste 100.000 de felii de plachete f300 mm într-o singură fabrică) cu finisare extrem de precisă (Doi 2001).

Există două moduri de CMP Si, lustruire pe ambele părți, cum ar fi lepuirea și lustruirea pe o singură față. Acest proces de lustruire este necesar să îndeplinească multe criterii, incluzând planeitate ridicată, rugozitate a suprafeței mai mică de 1 ~ 2 nm Rz, fără erori de stivuire indusă de oxidare (OSF), fără micro zgârieturi și fără ceață. Pentru a atinge aceste caracteristici, procesul de lustruire constă din mai multe etape. Prima lustruire urmărește obținerea unei suprafețe oglindă cu eficiență ridicată, a doua lustruire îmbunătățește rugozitatea suprafeței cu eliminarea OSF, iar a treia și a patra lustruire obțin o suprafață fără ceață, fără contaminare. Lustruirea plachetelor Si în fiecare pas folosește un tampon și o suspensie adecvate pentru a obține acuratețea, calitatea și eficiența necesare. Suspensia CMP este în general o soluție alcalină cu particule de silice ultrafine dispersate de silice coloidală (Doi 2001).

Pe de altă parte, materialele tampon sunt compuse din polimeri relativ moi (rășină sintetică), cum ar fi material nețesut (prima etapă) și piele artificială asemănătoare pielei de căprioară (a doua și a treia etapă). Plachetele sunt curățate cu precizie imediat după procesul CMP. O curățare tipică a plachetelor este așa-numita curățare RCA (Kern 1970):

SC-1 curățarea cu NH4OH : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 5, curățare cu HF diluat (DHF)
și
SC-2 curățarea cu HCl : H2O2 : H2O = 1 : 1:5,

care îndepărtează contaminanții introduși în timpul procesului de lustruire.

După procesul de lustruire și curățare menționat mai sus, plachetele de siliciu de înaltă calitate sunt prelucrate pentru a fabrica dispozitive. Procesarea similară de ultraprecizie explicată aici se aplică și planarizării CMP a plachetelor de dispozitiv după 1990, în special în metalizarea multistrat. Figura 4 prezintă fluxul de procesare de la creșterea cristalului de Si la procesul de plachetă și fluxul de procesare al procesului dispozitivului care aplică planarizarea CMP.

În plus, tehnologia CMP și-a extins aplicațiile în multe materiale, incluzând semiconductoare compuse, cum ar fi GaAs și InP, cuarț, metale și materiale plastice. Tehnologia CMP este unul dintre cele mai evidențiate procese de prelucrare din multe industrii.

În secțiunea următoare, va fi introdusă o tehnică de planarizare, devenită indispensabilă în procesul dispozitivelor semiconductoare.