Hemijsko mehaničko poliranje (CMP) jedina je ključna tehnologija koja može postići planarizaciju površine pločice, sposobna smanjiti hrapavost površine na sub-nanometarski nivo. Osnovni princip CMP-a je da suspenzija hemijski reaguje sa površinom vafla i formira omekšani sloj, koji se zatim uklanja mehaničkim trenjem, uklanjanjem materijala i planarizacijom površine vafla.
Strukturne karakteristike površine (hrapavost, uzorak žljebova, itd.) i svojstva materijala (tvrdoća, modul elastičnosti, itd.) jastučića za poliranje važni su faktori koji utječu na CMP. Jastučić za poliranje direktno utiče na rezultate poliranja pločice.
01 Površinske strukturne karakteristike jastučića za poliranje
● Mikrotopografija površine jastučića za poliranje
Jastučići za poliranje obično su puni mikropora na površini, koje mogu skladištiti i transportirati kašu i abrazivne čestice, odolijevati kemijskom napadu iz suspenzije i brzo ukloniti nusproizvode poliranja, čime utiču na uklanjanje materijala.
Na osnovu strukturnih karakteristika, uobičajeni komercijalni jastučići za poliranje klasifikovani su u tri tipa: mrežasti tip (krpa za prigušivanje), tip vlakana (sintetička koža) i mikroporozni tip (poliuretan). U poređenju sa druga dva, mrežasti jastučić ima bolju kompresibilnost i sposobnost nošenja suspenzije, a njena niža tvrdoća čini manju verovatnoću da će izazvati ogrebotine tokom finog poliranja. Vrste vlakana i poliuretana, zbog svoje specifične tvrdoće i strukture, najčešće se koriste za grubo poliranje i poliranje nemetalnih materijala.
Geometrija i distribucija mikropora utiču na površinsku čvrstoću i gustinu podloge. Karakteristike poroznosti i gustoće uglavnom se odražavaju Poissonovim omjerom (ν). Površinska čvrstoća opada sa povećanjem poroznosti. Veći promjeri pora poboljšavaju transportni kapacitet, ali pretjerano velike pore mogu smanjiti gustinu i snagu jastučića.
Promjene u veličini i strukturi mikropora također utiču na performanse poliranja. Optimizacija strukture mikropora može poboljšati kontaktno stanje između jastučića i pločice. Istraživanje sinergističkog odnosa između mehaničkog opterećenja na interfejsu i hemijskih reakcija suspenzije može bolje kontrolisati brzinu uklanjanja CMP materijala.
● Teksture površinskih žljebova jastučića za poliranje
Žlebovi na površini jastučića imaju dvije svrhe: s jedne strane, poboljšavaju sposobnost jastučića da skladišti i transportuje gnojnicu, poboljšavajući protok gnojnice; s druge strane, modificira koeficijent trenja i posmično naprezanje na površini pločice. Tabela ispod prikazuje tipične žljebove IC serije jastučića koje proizvodi Rohm Haas, koji se široko koriste u industriji poluvodiča. Upoređujući IC1010 sa IC1000, IC1010 ima dublje i gušće žljebove, što rezultira jačim mehaničkim djelovanjem od neravnina i abrazivnih čestica, kao i snažnijim kemijskim djelovanjem, što dovodi do veće sposobnosti uklanjanja materijala.
Uobičajeni uzorci žljebova uključuju radijalne, mrežaste, prstenaste i spiralne logaritamske tipove. Na donjoj slici, (a)-(d) predstavljaju jastučiće sa jednim uzorkom, dok (e)-(g) predstavljaju jastučiće sa kompozitnim uzorkom. Kompozitni jastučići općenito imaju bolje rezultate od jastučića s jednim uzorkom, a negativni spiralno-logaritamski jastučići mogu značajno poboljšati brzinu poliranja.
● Jastučići
Grube izbočine na površini jastučića su elastične kako bi se izbjeglo izazivanje prekomjernih nepopravljivih ogrebotina na pločici. Mikroskopski profil visine površine jastučića obično prati Gausovu ili eksponencijalnu distribuciju.
Prosječna visina neravnina (Rpk) snažno utječe na brzinu uklanjanja materijala (MRR). Bez kondicioniranja jastučića, MRR se smanjuje s vremenom poliranja; ako se Rpk obnovi kondicioniranjem, MRR se vraća na blizu prvobitni nivo. Habanje tokom poliranja i naknadnog kondicioniranja uzrokuju kontinuirane promjene stvarne hrapavosti jastučića. Varijacije u hrapavosti, prečniku neravnina i distribuciji hrapavosti direktno utiču na MRR.
02 Svojstva materijala jastučića za poliranje
Fizička i hemijska svojstva materijala jastučića utiču na kontaktno stanje i kontaktnu silu na interfejsu za poliranje (vafer-tasta-jastučić), čime utiču na brzinu uklanjanja materijala i hrapavost površine pločice.
● Parametri mehaničkih svojstava
Tvrdoća i modul elastičnosti su dva važna mehanička parametra. Tvrdi jastučići se koriste u fazama grubog poliranja gdje su potrebne visoke stope uklanjanja, ali prevelika tvrdoća može uzrokovati oštećenje površine i neujednačeno uklanjanje materijala. Mekani jastučići se općenito koriste u fazama finog poliranja sa niskim zahtjevima za hrapavost. Podloga s tvrdim gornjim dijelom i mekim dnom može poboljšati uniformnost MRR-a, ali obično ima veću zonu isključenja rubova; naprotiv, jastučić sa mekim vrhom i tvrdim dnom može smanjiti zonu isključenja rubova i postići bolji kvalitet površine.
● Hemijske karakteristike
Jastučić treba da ima dobru hemijsku stabilnost i hidrofilnost. Poliuretan pokazuje efekat pamćenja oblika, pri čemu se stopa oporavka oblika povećava sa temperaturom.
U proizvodnji CMP jastučića, kemijske reakcije uglavnom uključuju poliole i izocijanate. Glavne sirovine uključuju predpolimere, produžetelje lanca/poprečne veze, sredstva za pjenjenje, katalizatore i druge funkcionalne aditive. Kontrolom koncentracija i omjera reaktanata mogu se poboljšati različita svojstva materijala jastučića. Aktivne grupe u jastučiću, kao što su hidroksilne i amidne grupe, također igraju važnu ulogu – one poboljšavaju sloj ponovnog taloženja materijala za poliranje i ublažavaju probleme s kvalitetom površine uzrokovane mehaničkim habanjem. Dodatno, fizička i hemijska modifikacija materijala jastučića može poboljšati njegove performanse.
Nadalje, tokom CMP-a, površina podloge podliježe opterećenju i smičućim silama, uzrokujući da se neravnine podvrgnu plastičnom toku i postanu planarizirane – fenomen poznat kao zastakljivanje. Kondicioniranje jastučića može poboljšati zastakljivanje površine i poroznost, održavajući stabilne performanse poliranja.
Tehnologije za kondicioniranje jastučića za poliranje
Trenutno, konvencionalne tehnike kondicioniranja spadaju u dvije kategorije: nesamokondicionirajuće i samokondicionirajuće.
Tehnologije koje se ne samokondicioniraju
Nesamokondicioniranje se odnosi na korištenje vanjskih sila za uklanjanje istrošenih abraziva, krhotina i drugih nečistoća sa površine jastučića, izlaganje svježih abraziva i održavanje sposobnosti rezanja tokom poliranja.
Klimatizacija dijamantske komode
Dijamantska komoda se uglavnom sastoji od dijamantskih abraziva, veziva i podloge. Dijamantski abrazivi se fiksiraju na podlogu galvanizacijom, lemljenjem, sinterovanjem ili hemijskim taloženjem iz pare. Njegov učinak kondicioniranja usko je povezan sa stanjem površine pločice i na taj način utiče na kvalitet izratka. Princip je da dijamanti velikog prečnika na komodi nasilno uklanjaju tupe čestice dijamanata iz veziva i uklanjaju glazirani sloj i ostatke, otkrivajući nove rezne ivice na pločici.
Kondicioniranje vodenog mlaza pod visokim pritiskom
Ova tehnika koristi silu smicanja vodenog mlaza da ispere labave ili slabo vezane abrazivne čestice i također razbija glazirani sloj, uklanjajući nečistoće i poboljšavajući performanse jastučića.
Tehnologije samokondicioniranja
Samokondicioniranje se odnosi na metode koje omogućavaju trošenje površinskog sloja jastučića odgovarajućom brzinom tako da su abrazivi u podpovršinskom sloju neprekidno izloženi tokom obrade, održavajući trajnu sposobnost rezanja. Pojava samokondicioniranja uvela je nove pristupe kondicioniranju podloga.
Samokondicioniranje eliminira korak kondicioniranja, izbjegava utjecaj trošenja komode na podlogu i produžava vijek trajanja jastučića. Na primjer, dodavanje organskih baza, neorganskih soli ili drugih hemikalija može poboljšati samokondicioniranje; upotreba predpolimera sa hidrofobnim grupama obezbeđuje samoregulišuće dejstvo tokom poliranja, stabilizuje proces i sprečava bubrenje vode.