ליטוש כימי מכני (CMP) היא טכנולוגיית המפתח היחידה שיכולה להשיג מישור משטח פרוסות, המסוגלת להפחית את חספוס פני השטח לרמת תת-ננומטר. העיקרון הבסיסי של CMP הוא כי התרחיץ מגיב כימית עם משטח הפרוסה ליצירת שכבה מרוככת, אשר מוסרת לאחר מכן על ידי חיכוך מכני, הסרת חומר ומישור של משטח הפרוסה.
המאפיינים המבניים של פני השטח (חספוס, דפוס חריצים וכו') ותכונות החומר (קשיות, מודול אלסטי וכו') של כרית הליטוש הם גורמים חשובים המשפיעים על CMP. כרית הליטוש משפיעה ישירות על תוצאות הליטוש של הפרוסה.
01 מאפיינים מבניים של משטח הליטוש
● מיקרוטופוגרפיה של משטח הליטוש
רפידות ליטוש בדרך כלל מלאות במיקרו נקבוביות על פני השטח, שיכולות לאחסן ולהעביר רפש וחלקיקים שוחקים, להתנגד להתקפות כימיות מהשיפשוף ולהסיר מיידית תוצרי לוואי של ליטוש, ובכך להשפיע על הסרת החומר.
בהתבסס על מאפיינים מבניים, רפידות ליטוש מסחריות מהמיינסטרים מסווגות לשלושה סוגים: סוג רשת (בד שיכוך), סוג סיבים (עור סינטטי) וסוג מיקרו-פורוס (פוליאוריתן). בהשוואה לשניים האחרים, לרפידת הרשת יש יכולת דחיסה טובה יותר ויכולת נשיאת רפש, והקשיות הנמוכה שלה מפחיתה את הסיכוי לגרום לשריטות במהלך ליטוש עדין. סוגי הסיבים והפוליאוריתן, בשל קשיותם ומבנהם הספציפיים, משמשים בעיקר לליטוש גס ולהברקה של חומרים לא מתכתיים.
הגיאומטריה וההפצה של המיקרו-נקבים משפיעים על חוזק פני השטח וצפיפות הרפידה. מאפייני הנקבוביות והצפיפות משתקפים בעיקר על ידי היחס של Poisson (ν). חוזק פני השטח פוחת עם הגדלת הנקבוביות. קוטרי נקבוביות גדולים יותר משפרים את יכולת ההובלה, אך נקבוביות גדולות מדי עלולות להפחית את צפיפות הרפידות וחוזקן.
שינויים בגודל ובמבנה המיקרו-נקבים משפיעים גם על ביצועי הליטוש. אופטימיזציה של מבנה המיקרו-נקבים יכול לשפר את מצב המגע בין הרפידה והוופל. חקר הקשר הסינרגטי בין העמסה מכנית בממשק לבין תגובות כימיות של התרחיץ יכול לשלוט טוב יותר בקצב הסרת החומר CMP.
● טקסטורות חריץ פני השטח של כרית הליטוש
חריצים על משטח הרפידה משרתים שתי מטרות: מצד אחד, הוא משפר את יכולתו של הרפידה לאחסן ולהעביר רפש, ומשפר את זרימת הרחצה; מצד שני, הוא משנה את מקדם החיכוך ואת מתח הגזירה על משטח הרפידה. הטבלה שלהלן מציגה חריצים אופייניים לרפידות מסדרת IC המיוצרים על ידי Rohm Haas, הנמצאים בשימוש נרחב בתעשיית המוליכים למחצה. בהשוואה בין IC1010 ל-IC1000, ל-IC1010 יש חריצים עמוקים וצפופים יותר, וכתוצאה מכך לפעולה מכנית חזקה יותר מחטופי רפידות וחלקיקים שוחקים, כמו גם פעולה כימית חזקה יותר, המובילה ליכולת הסרת חומרים גבוהה יותר.
דפוסי חריצים נפוצים כוללים סוגים לוגריתמיים רדיאליים, רשתיים, טבעתיים וספירליים. באיור שלהלן, (a)-(d) מייצגים רפידות עם דפוס יחיד, בעוד ש-(e)-(g) הם רפידות עם דפוס מורכב. רפידות מרוכבות בדרך כלל מתפקדות טוב יותר מרפידות עם דפוס יחיד, ורפידות ספירליות-לוגריתמיות שליליות יכולות לשפר משמעותית את קצב הליטוש.
● שפל רפידות
הבליטות הגסות על משטח הרפידה הן אלסטיות כדי למנוע גרימת שריטות מוגזמות בלתי ניתנות לתיקון על הפרוסה. פרופיל גובה פני השטח המיקרוסקופי של הכרית בדרך כלל עוקב אחר התפלגות גאוסית או מעריכית.
הגובה הממוצע של שפל (Rpk) משפיע מאוד על קצב הסרת החומר (MRR). ללא מיזוג רפידות, MRR פוחת עם זמן הליטוש; אם Rpk משוחזר על ידי התניה, MRR חוזר לרמה המקורית שלו. בלאי במהלך הליטוש והמיזוג שלאחר מכן גורמים לשינויים מתמשכים בחספוס הרפידה בפועל. שינויים בחספוס, בקוטר החספוס ובהתפלגות החספוס משפיעים ישירות על MRR.
02 תכונות החומר של כרית הליטוש
המאפיינים הפיזיקליים והכימיים של חומר הרפידה משפיעים על מצב המגע וכוח המגע בממשק הליטוש (רפידת-wafer-slurry-pad), ובכך משפיעות על קצב הסרת החומר וחספוס משטח הפרוסים.
● פרמטרים של נכס מכני
קשיות ומודול אלסטי הם שני פרמטרים מכניים חשובים. רפידות קשיחות משמשות בשלבי ליטוש גס שבהם נדרשים שיעורי הסרה גבוהים, אך קשיות יתר עלולה לגרום לנזק פני השטח ולהסרה לא אחידה של חומרים. רפידות רכות משמשות בדרך כלל בשלבי ליטוש עדין עם דרישות חספוס נמוכות. רפידה עם חלק עליון קשיח ותחתית רכה יכולה לשפר את אחידות ה-MRR, אך נוטה להיות בעלת אזור אי הכללת קצוות גדול יותר; לעומת זאת, רפידה עם חלק עליון רך ותחתית קשה יכולה לצמצם את אזור החרגת הקצוות ולהשיג איכות פני שטח טובה יותר.
● מאפיינים כימיים
לרפידה צריכה להיות יציבות כימית טובה והידרופיליות. פוליאוריטן מציג אפקט של זיכרון צורה, כאשר קצב התאוששות הצורה עולה עם הטמפרטורה.
בייצור רפידות CMP, תגובות כימיות כוללות בעיקר פוליאולים ואיזוציאנטים. חומרי הגלם העיקריים כוללים פרה-פולימרים, מאריכים/מצלבים שרשרת, סוכני קצף, זרזים ותוספים פונקציונליים אחרים. על ידי שליטה בריכוזים וביחסים של מגיבים, ניתן לשפר את תכונות החומר השונות של הרפידה. קבוצות פעילות ברפידה, כגון קבוצות הידרוקסיל ואמיד, ממלאות גם הן תפקיד חשוב - הן משפרות את שכבת ההצבה מחדש של חומרי הליטוש ומפחיתות בעיות באיכות פני השטח הנגרמות מבלאי מכני. בנוסף, שינוי פיזי וכימי של חומר הרפידה יכול לשפר את ביצועיו.
יתרה מזאת, במהלך CMP, משטח הרפידה עובר כוחות עומס וגזירה, מה שגורם לאספורות לעבור זרימה פלסטית ולהיות מישוריים - תופעה המכונה זיגוג. מיזוג רפידות יכול לשפר את זיגוג פני השטח ואת נקבוביות השטח, ולשמור על ביצועי ליטוש יציבים.
טכנולוגיות מיזוג לרפידות ליטוש
נכון לעכשיו, טכניקות התניה קונבנציונליות מתחלקות לשתי קטגוריות: אי-התניה עצמית והתניה עצמית.
טכנולוגיות ללא התניה עצמית
מיזוג לא-עצמי מתייחס לשימוש בכוחות חיצוניים כדי להסיר חומרי שוחקים, פסולת וזיהומים אחרים שחוקים ממשטח הרפידה, חשיפת חומרים שוחקים טריים ושמירה על יכולת החיתוך במהלך הליטוש.
מיזוג שידת יהלום
שידת יהלומים מורכבת בעיקר מחומרי שיוף יהלומים, מקשר ומצע. חומרי שיוף יהלומים מקובעים על המצע על ידי ציפוי אלקטרו, הלחמה, סינטר או שקיעת אדים כימית. ביצועי המיזוג שלו קשורים קשר הדוק למצב משטח הרפידה ובכך משפיע על איכות חלק העבודה. העיקרון הוא שיהלומים בעלי קוטר גדול על השידה מוציאים בכוח חלקיקי יהלום עמומים מהקלסר ומסירים את השכבה המזוגגת והפסולת, וחושפים קצוות חיתוך חדשים על הרפידה.
מיזוג סילון מים בלחץ גבוה
טכניקה זו משתמשת בכוח הגזירה של סילון מים כדי לשטוף חלקיקים שוחקים רופפים או מלוכדים בצורה גרועה וגם שוברת את השכבה המזוגגת, מסיר זיהומים ושיפור ביצועי הרפידות.
טכנולוגיות מיזוג עצמי
מיזוג עצמי מתייחס לשיטות המאפשרות לשכבת פני הרפידה להתלבש בקצב מתאים, כך שהחומרים השוחקים בשכבת התת-קרקעית נחשפים ברציפות במהלך העיבוד, תוך שמירה על יכולת חיתוך מתמשכת. הופעתה של התניה עצמית הציגה גישות חדשות להתניית רפידות.
מיזוג עצמי מבטל את שלב המיזוג, מונע את ההשפעה של בלאי השידה על הרפידה ומאריך את חיי הרפידה. לדוגמה, הוספת בסיסים אורגניים, מלחים אנאורגניים או כימיקלים אחרים יכולה לשפר את ההתניה העצמית; שימוש בפריפולימרים עם קבוצות הידרופוביות מספק פעולה מווסתת עצמית במהלך הליטוש, מייצב את התהליך ומונע התנפחות מים.