Ķīmiskā mehāniskā pulēšana (CMP) ir vienīgā galvenā tehnoloģija, ar kuru var panākt vafeļu virsmas planarizāciju, kas spēj samazināt virsmas raupjumu līdz subnanometra līmenim. CMP pamatprincips ir tāds, ka virca ķīmiski reaģē ar vafeles virsmu, veidojot mīkstinātu slāni, kas pēc tam tiek noņemts ar mehānisku berzi, materiāla noņemšanu un vafeles virsmas planarizāciju.
Pulēšanas paliktņa virsmas strukturālās īpašības (raupjums, rievu raksts utt.) un materiāla īpašības (cietība, elastības modulis utt.) ir svarīgi faktori, kas ietekmē CMP. Pulēšanas spilventiņš tieši ietekmē vafeles pulēšanas rezultātus.
01 Pulēšanas paliktņa virsmas strukturālie raksturlielumi
● Pulēšanas paliktņa virsmas mikrotopogrāfija
Pulēšanas spilventiņi parasti ir pilni ar mikroporām uz virsmas, kas var uzglabāt un transportēt vircu un abrazīvās daļiņas, izturēt ķīmisko vielu iedarbību no suspensijas un nekavējoties noņemt pulēšanas blakusproduktus, tādējādi ietekmējot materiāla noņemšanu.
Pamatojoties uz strukturālajām iezīmēm, populārākie komerciālie pulēšanas spilventiņi tiek iedalīti trīs veidos: sieta tipa (mitrinošs audums), šķiedras tips (sintētiskā āda) un mikroporains (poliuretāns). Salīdzinot ar pārējiem diviem, sieta spilventiņam ir labāka saspiežamība un putriņu pārnešanas spēja, un tā zemākā cietība samazina skrāpējumu iespējamību smalkas pulēšanas laikā. Šķiedru un poliuretāna veidus to īpašās cietības un struktūras dēļ galvenokārt izmanto nemetālisku materiālu rupjai pulēšanai un pulēšanai.
Mikroporu ģeometrija un sadalījums ietekmē spilventiņa virsmas izturību un blīvumu. Porainības un blīvuma raksturlielumus galvenokārt atspoguļo Puasona koeficients (ν). Virsmas izturība samazinās, palielinoties porainībai. Lielāki poru diametri uzlabo transportēšanas spēju, bet pārāk lielas poras var samazināt spilventiņu blīvumu un izturību.
Izmaiņas mikroporu izmērā un struktūrā ietekmē arī pulēšanas veiktspēju. Mikroporu struktūras optimizēšana var uzlabot kontakta stāvokli starp paliktni un vafeles. Izpētot sinerģisko saistību starp mehānisko slodzi saskarnē un vircas ķīmiskajām reakcijām, var labāk kontrolēt CMP materiāla noņemšanas ātrumu.
● Pulēšanas paliktņa virsmas rievu faktūras
Rievojums uz paliktņa virsmas kalpo diviem mērķiem: no vienas puses, tas uzlabo paliktņa spēju uzglabāt un transportēt vircu, uzlabojot vircas plūsmu; no otras puses, tas maina berzes koeficientu un bīdes spriegumu uz paliktņa virsmas. Zemāk esošajā tabulā parādītas tipiskas rievas IC sērijas paliktņiem, ko ražo Rohm Haas un ko plaši izmanto pusvadītāju rūpniecībā. Salīdzinot IC1010 ar IC1000, IC1010 ir dziļākas un blīvākas rievas, kas nodrošina spēcīgāku mehānisko iedarbību no spilventiņu netīrumiem un abrazīvām daļiņām, kā arī spēcīgāku ķīmisko iedarbību, kas nodrošina augstāku materiāla noņemšanas spēju.
Parastie rievu modeļi ietver radiālo, režģa, gredzenveida un spirālveida logaritmisko tipu. Tālāk esošajā attēlā (a)–(d) ir viena raksta spilventiņi, savukārt (e)–(g) ir salikto raksta spilventiņi. Kompozītmateriālu spilventiņi parasti darbojas labāk nekā viena raksta spilventiņi, un negatīvie spirāllogaritmiskie spilventiņi var ievērojami uzlabot pulēšanas ātrumu.
● Pad Asperities
Raupjie izvirzījumi uz paliktņa virsmas ir elastīgi, lai neradītu pārmērīgas nelabojamas skrāpējumus uz vafeles. Spilvena mikroskopiskā virsmas augstuma profils parasti atbilst Gausa vai eksponenciālajam sadalījumam.
Asperiju vidējais augstums (Rpk) spēcīgi ietekmē materiāla noņemšanas ātrumu (MRR). Bez spilventiņu kondicionēšanas MRR samazinās līdz ar pulēšanas laiku; ja Rpk tiek atjaunots ar kondicionēšanu, MRR atgriežas tuvu sākotnējam līmenim. Nodilums pulēšanas un turpmākās kondicionēšanas laikā izraisa nepārtrauktas faktiskā spilventiņu raupjuma izmaiņas. Nelīdzenuma, asperitātes diametra un raupjuma sadalījuma izmaiņas tieši ietekmē MRR.
02 Pulēšanas paliktņa materiāla īpašības
Spilventiņa materiāla fizikālās un ķīmiskās īpašības ietekmē kontakta stāvokli un kontaktspēku pulēšanas saskarnē (vafeles-suspensijas spilventiņš), tādējādi ietekmējot materiāla noņemšanas ātrumu un vafeļu virsmas raupjumu.
● Mehānisko īpašību parametri
Cietība un elastības modulis ir divi svarīgi mehāniskie parametri. Cietie paliktņi tiek izmantoti neapstrādātās pulēšanas stadijās, kur ir nepieciešams augsts noņemšanas ātrums, taču pārmērīga cietība var izraisīt virsmas bojājumus un nevienmērīgu materiāla noņemšanu. Mīkstos paliktņus parasti izmanto smalkas pulēšanas posmos ar zemām raupjuma prasībām. Spilventiņš ar cietu augšdaļu un mīkstu apakšu var uzlabot MRR viendabīgumu, taču tam mēdz būt lielāka malu izslēgšanas zona; otrādi, spilventiņš ar mīkstu virsu un cieto dibenu var samazināt malu izslēgšanas zonu un panākt labāku virsmas kvalitāti.
● Ķīmiskās īpašības
Spilventiņam jābūt ar labu ķīmisko stabilitāti un hidrofilitāti. Poliuretānam piemīt formas atmiņas efekts, formas atgūšanas ātrumam palielinoties līdz ar temperatūru.
CMP spilventiņu ražošanā ķīmiskās reakcijas galvenokārt ietver poliolus un izocianātus. Galvenās izejvielas ir prepolimēri, ķēdes pagarinātāji/šķērssavienotāji, putotāji, katalizatori un citas funkcionālas piedevas. Kontrolējot reaģentu koncentrāciju un attiecības, var uzlabot dažādas spilventiņa materiāla īpašības. Svarīga loma ir arī aktīvām spilventiņu grupām, piemēram, hidroksilgrupām un amīdu grupām – tās uzlabo pulēšanas materiālu atkārtotu nogulsnēšanos un mazina mehāniskā nodiluma izraisītās virsmas kvalitātes problēmas. Turklāt spilventiņa materiāla fiziskā un ķīmiskā pārveidošana var uzlabot tā veiktspēju.
Turklāt CMP laikā spilventiņa virsma tiek pakļauta slodzei un bīdes spēkiem, izraisot asperities plastisko plūsmu un planarizāciju – parādību, kas pazīstama kā stiklojums. Spilventiņu kondicionēšana var uzlabot virsmas stiklojumu un porainību, saglabājot stabilu pulēšanas veiktspēju.
Kondicionēšanas tehnoloģijas pulēšanas paliktņiem
Pašlaik tradicionālās kondicionēšanas metodes iedalās divās kategorijās: paškondicionējošās un paškondicionējošās.
Ne-paškondicionējošas tehnoloģijas
Paškondicionēšana attiecas uz ārēju spēku izmantošanu, lai no spilventiņa virsmas noņemtu nolietotus abrazīvus materiālus, gružus un citus piemaisījumus, atklājot svaigus abrazīvus un saglabājot griešanas spēju pulēšanas laikā.
Dimanta kumodes kondicionēšana
Dimanta kumode galvenokārt sastāv no dimanta abrazīviem materiāliem, saistvielas un substrāta. Dimanta abrazīvie materiāli tiek fiksēti uz pamatnes ar galvanizāciju, cietlodēšanu, saķepināšanu vai ķīmisku tvaiku pārklāšanu. Tās kondicionēšanas veiktspēja ir cieši saistīta ar paliktņa virsmas stāvokli un tādējādi ietekmē sagataves kvalitāti. Princips ir tāds, ka liela diametra dimanti uz kumodes piespiedu kārtā izspiež blāvas dimanta daļiņas no saistvielas un noņem glazēto slāni un gružus, atklājot paliktņa jaunas griešanas malas.
Augstspiediena ūdens strūklas kondicionēšana
Šis paņēmiens izmanto ūdens strūklas bīdes spēku, lai nomazgātu vaļīgās vai slikti savienotās abrazīvās daļiņas, kā arī nojauc glazēto slāni, noņemot netīrumus un uzlabojot spilventiņu darbību.
Paškondicionēšanas tehnoloģijas
Paškondicionēšana attiecas uz metodēm, kas ļauj spilventiņa virsmas slānim nodilst atbilstošā ātrumā, lai apstrādes laikā abrazīvie materiāli apakšvirsmas slānī tiktu pakļauti nepārtraukti, saglabājot ilgstošu griešanas spēju. Paškondicionēšanas parādīšanās ir ieviesusi jaunas pieejas spilventiņu kondicionēšanai.
Paškondicionēšana novērš kondicionēšanas posmu, novērš kumodes nodiluma ietekmi uz paliktni un pagarina paliktņa kalpošanas laiku. Piemēram, organisko bāzu, neorganisko sāļu vai citu ķīmisko vielu pievienošana var uzlabot paškondicionēšanu; prepolimēru ar hidrofobām grupām izmantošana nodrošina pašregulējošu darbību pulēšanas laikā, stabilizējot procesu un novēršot ūdens pietūkumu.