Keemiline mehaaniline poleerimine (CMP) on ainus võtmetehnoloogia, millega on võimalik saavutada vahvli pinna tasandamine, mis on võimeline vähendama pinna karedust subnanomeetri tasemeni. CMP põhiprintsiip on see, et suspensioon reageerib keemiliselt vahvli pinnaga, moodustades pehme kihi, mis seejärel eemaldatakse mehaanilise hõõrdumise, materjali eemaldamise ja vahvli pinna tasandamise teel.
Poleerimispadja pinna struktuursed omadused (karedus, soonmuster jne) ja materjali omadused (kõvadus, elastsusmoodul jne) on olulised CMP-d mõjutavad tegurid. Poleerimispadi mõjutab otseselt vahvli poleerimistulemusi.
01 Poleerimispadja pinna struktuuriomadused
● Poleerimispadja pinna mikrotopograafia
Poleerimispadjad on tavaliselt täis pinnal olevaid mikropoore, mis võivad hoida ja transportida läga ja abrasiivseid osakesi, seista vastu läga keemilisele rünnakule ja eemaldada koheselt poleerimise kõrvalsaadused, mõjutades seeläbi materjali eemaldamist.
Struktuuriomaduste põhjal jaotatakse tavalised kaubanduslikud poleerimispadjad kolme tüüpi: võrktüüpi (summutav lapp), kiudtüüpi (sünteetiline nahk) ja mikropoorset tüüpi (polüuretaan). Võrreldes kahe teisega on võrkpadjal parem kokkusurutavus ja lägakandmisvõime ning selle madalam kõvadus vähendab peenpoleerimise ajal kriimustusi. Kiud- ja polüuretaantüüpe kasutatakse nende spetsiifilise kõvaduse ja struktuuri tõttu enamasti mittemetalliliste materjalide töötlemata poleerimiseks ja poleerimiseks.
Mikropooride geomeetria ja jaotus mõjutavad padja pinna tugevust ja tihedust. Poorsus- ja tihedusomadused kajastuvad peamiselt Poissoni suhtarvus (ν). Pinna tugevus väheneb poorsuse suurenedes. Suuremad pooride läbimõõdud parandavad transpordivõimet, kuid liiga suured poorid võivad vähendada padja tihedust ja tugevust.
Muutused mikropooride suuruses ja struktuuris mõjutavad ka poleerimist. Mikropooride struktuuri optimeerimine võib parandada padja ja vahvli vahelist kontakti. Liidese mehaanilise koormuse ja läga keemiliste reaktsioonide vahelise sünergilise seose uurimine võib paremini kontrollida CMP materjali eemaldamise kiirust.
● Poleerimispadja pinnasoonte tekstuurid
Padja pinnal olevate soonte tegemisel on kaks eesmärki: ühest küljest suurendab see padja võimet hoida ja transportida läga, parandades läga voolu; teisest küljest muudab see hõõrdetegurit ja nihkepinget padja pinnal. Allolevas tabelis on toodud Rohm Haasi toodetud IC-seeria patjade tüüpilised sooned, mida kasutatakse laialdaselt pooljuhtide tööstuses. Võrreldes IC1010 IC1000-ga, on IC1010-l sügavamad ja tihedamad sooned, mille tulemuseks on tugevam mehaaniline toime padja ebapuhtusest ja abrasiivsetest osakestest, samuti tugevam keemiline toime, mis suurendab materjali eemaldamise võimet.
Levinud soonte mustrid hõlmavad radiaalset, ruudustikku, rõngakujulist ja spiraalset logaritmitüüpi. Alloleval joonisel tähistavad (a)–(d) ühe mustriga padjandeid, samas kui (e)–(g) on liitmustriga padjad. Komposiitpadjad toimivad üldiselt paremini kui ühe mustriga padjad ja negatiivsed spiraallogaritmilised padjad võivad poleerimiskiirust märkimisväärselt parandada.
● Pad Asperities
Karedad eendid padja pinnal on elastsed, et vältida vahvlile liigsete parandamatute kriimustuste tekitamist. Padja mikroskoopilise pinna kõrguse profiil järgib tavaliselt Gaussi või eksponentsiaalset jaotust.
Asperiteetide keskmine kõrgus (Rpk) mõjutab tugevalt materjali eemaldamise kiirust (MRR). Ilma padja konditsioneerita väheneb MRR koos poleerimisajaga; kui Rpk taastatakse konditsioneerimisega, naaseb MRR algse taseme lähedale. Poleerimise ja sellele järgneva konditsioneerimise ajal kulumine põhjustab pidevaid muutusi padja tegelikus kareduses. Kareduse, asperity läbimõõdu ja kareduse jaotuse kõikumised mõjutavad otseselt MRR-i.
02 Poleerimispadja materjali omadused
Padja materjali füüsikalised ja keemilised omadused mõjutavad kontakti olekut ja kontaktjõudu poleerimisliideses (vahvel-pulber-padi), mõjutades seeläbi materjali eemaldamise kiirust ja vahvli pinna karedust.
● Mehaaniliste omaduste parameetrid
Kõvadus ja elastsusmoodul on kaks olulist mehaanilist parameetrit. Kõvasid padjandeid kasutatakse töötlemata poleerimisetappides, kus on vaja suurt eemaldamiskiirust, kuid liigne kõvadus võib põhjustada pinnakahjustusi ja ebaühtlast materjali eemaldamist. Pehmeid patju kasutatakse tavaliselt peenpoleerimisetappides, mille karedus on madal. Kõva ülaosa ja pehme põhjaga padi võib parandada MRR-i ühtlust, kuid sellel kipub olema suurem servatsoon; vastupidi, pehme ülaosa ja kõva põhjaga padi võib vähendada servade välistamistsooni ja saavutada parema pinnakvaliteedi.
● Keemilised omadused
Padjal peab olema hea keemiline stabiilsus ja hüdrofiilsus. Polüuretaanil on kujumäluefekt, kusjuures kuju taastumise kiirus suureneb koos temperatuuriga.
CMP padjandite tootmisel hõlmavad keemilised reaktsioonid peamiselt polüoole ja isotsüanaate. Peamised toorained on eelpolümeerid, ahela pikendajad/ristsidujad, vahuained, katalüsaatorid ja muud funktsionaalsed lisandid. Reagentide kontsentratsiooni ja suhteid reguleerides saab padja erinevaid materjaliomadusi parandada. Olulist rolli mängivad ka padjakeses olevad aktiivsed rühmad, nagu hüdroksüül- ja amiidrühmad – need parandavad poleerimismaterjalide taassadestamise kihti ja leevendavad mehaanilisest kulumisest tingitud pinnakvaliteedi probleeme. Lisaks võib padja materjali füüsikaline ja keemiline muutmine parandada selle jõudlust.
Veelgi enam, CMP ajal avaldab padja pind koormus- ja nihkejõude, mis põhjustab asperiteedi plastilise voolamise ja tasapinnalise muutumise – nähtust nimetatakse klaasimiseks. Padja konditsioneerimine võib parandada pinna klaasistumist ja poorsust, säilitades stabiilse poleerimistulemuse.
Poleerimispatjade konditsioneerimistehnoloogiad
Praegu jagunevad tavapärased konditsioneerimistehnikad kahte kategooriasse: mitte-isekonditsioneeriv ja isekonditsioneeriv.
Mitte-isekonditsioneeruvad tehnoloogiad
Mitte-isekonditsioneerimine viitab väliste jõudude kasutamisele kulunud abrasiivide, prahi ja muude lisandite eemaldamiseks padja pinnalt, paljastades värsked abrasiivid ja säilitades poleerimise ajal lõikevõime.
Teemantkummut konditsioneer
Teemantkummut koosneb peamiselt teemant-abrasiividest, sideainest ja substraadist. Teemant-abrasiivid kinnitatakse aluspinnale galvaniseerimise, kõvajoodisega jootmise, paagutamise või keemilise aurustamise teel. Selle konditsioneerimisvõime on tihedalt seotud padja pinna seisundiga ja mõjutab seega tooriku kvaliteeti. Põhimõte seisneb selles, et kummuti suure läbimõõduga teemandid eemaldavad jõuga sideainest tuhmid teemandiosakesed ning eemaldavad glasuuritud kihi ja prahi, paljastades padja uued lõikeservad.
Kõrgsurve veejoaga konditsioneerimine
See tehnika kasutab lahtiste või halvasti seotud abrasiivsete osakeste eemaldamiseks veejoa nihkejõudu ning purustab ka glasuuritud kihi, eemaldades mustuse ja parandades padja tööd.
Isekonditsioneerimistehnoloogiad
Isekonditsioneerimine viitab meetoditele, mis võimaldavad padja pinnakihil kuluda sobiva kiirusega, nii et pinnaaluses kihis olevad abrasiivid puutuvad töötlemise ajal pidevalt kokku, säilitades püsiva lõikevõime. Isekonditsioneerimise tekkimine on toonud kaasa uued lähenemisviisid padjade konditsioneerimisele.
Isekonditsioneer välistab konditsioneerimise etapi, väldib kummuti kulumise mõju padjale ja pikendab padja eluiga. Näiteks orgaaniliste aluste, anorgaaniliste soolade või muude kemikaalide lisamine võib parandada isekonditsioneerimist; hüdrofoobsete rühmadega eelpolümeeride kasutamine tagab poleerimise ajal isereguleeruva toime, stabiliseerib protsessi ja hoiab ära vee paisumise.