التلميع الميكانيكي الكيميائي (CMP) هو التقنية الرئيسية الوحيدة التي يمكنها تحقيق استواء سطح الرقاقة، وهو قادر على تقليل خشونة السطح إلى مستوى أقل من النانومتر. المبدأ الأساسي لـ CMP هو أن الملاط يتفاعل كيميائيًا مع سطح الرقاقة لتشكيل طبقة ناعمة، والتي يتم إزالتها بعد ذلك عن طريق الاحتكاك الميكانيكي وإزالة المواد واستواء سطح الرقاقة.
تعد الخصائص الهيكلية السطحية (الخشونة، ونمط الأخدود، وما إلى ذلك) وخصائص المواد (الصلابة، ومعامل المرونة، وما إلى ذلك) لوسادة التلميع من العوامل المهمة التي تؤثر على CMP. تؤثر وسادة التلميع بشكل مباشر على نتائج تلميع الرقاقة.
01 الخصائص الهيكلية السطحية لوسادة التلميع
● التضاريس الدقيقة السطحية لوسادة التلميع
عادة ما تكون وسادات التلميع مليئة بالمسام الدقيقة الموجودة على السطح، والتي يمكنها تخزين ونقل الملاط والجسيمات الكاشطة، ومقاومة الهجوم الكيميائي من الملاط، وإزالة منتجات التلميع الثانوية على الفور، مما يؤثر على إزالة المواد.
بناءً على الميزات الهيكلية، يتم تصنيف وسادات التلميع التجارية السائدة إلى ثلاثة أنواع: النوع الشبكي (قماش التخميد)، ونوع الألياف (الجلود الاصطناعية)، والنوع المسامي الصغير (البولي يوريثين). بالمقارنة مع اللوحتين الأخريين، تتمتع الوسادة الشبكية بقابلية ضغط أفضل وقدرة على حمل الملاط، كما أن صلابتها المنخفضة تجعلها أقل عرضة للتسبب في خدوش أثناء التلميع الدقيق. تُستخدم أنواع الألياف والبولي يوريثين، نظرًا لصلابتها وبنيتها الخاصة، في الغالب في التلميع الخشن وتلميع المواد غير المعدنية.
تؤثر هندسة المسام الدقيقة وتوزيعها على قوة السطح وكثافته. تنعكس خصائص المسامية والكثافة بشكل أساسي بنسبة بواسون (ν). تتناقص قوة السطح مع زيادة المسامية. تعمل أقطار المسام الأكبر على تحسين قدرة النقل، لكن المسام الكبيرة جدًا يمكن أن تقلل من كثافة الوسادة وقوتها.
تؤثر التغييرات في حجم المسام الصغيرة وبنيتها أيضًا على أداء التلميع. يمكن أن يؤدي تحسين بنية المسام الدقيقة إلى تحسين حالة الاتصال بين اللوحة والرقاقة. إن استكشاف العلاقة التآزرية بين التحميل الميكانيكي عند الواجهة والتفاعلات الكيميائية للملاط يمكن أن يتحكم بشكل أفضل في معدل إزالة مادة CMP.
● القوام الأخدود السطحي لوسادة التلميع
يخدم الحز على سطح الوسادة غرضين: من ناحية، فهو يعزز قدرة الوسادة على تخزين ونقل الملاط، مما يحسن تدفق الملاط؛ ومن ناحية أخرى، فإنه يعدل معامل الاحتكاك وإجهاد القص على سطح الوسادة. يوضح الجدول أدناه الأخاديد النموذجية لمنصات سلسلة IC المصنعة بواسطة Rohm Haas، والتي تستخدم على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات. بمقارنة IC1010 مع IC1000، فإن IC1010 يحتوي على أخاديد أعمق وأكثر كثافة، مما يؤدي إلى عمل ميكانيكي أقوى من تقلبات الوسادة والجسيمات الكاشطة، بالإضافة إلى تأثير كيميائي أقوى، مما يؤدي إلى قدرة أعلى على إزالة المواد.
تتضمن أنماط الأخدود الشائعة أنواعًا لوغاريتمية شعاعية وشبكية وحلقية وحلزونية. في الشكل أدناه، (a)-(d) تمثل منصات ذات نمط واحد، في حين أن (e)-(g) تمثل منصات ذات نمط مركب. تعمل الوسادات المركبة عمومًا بشكل أفضل من الوسادات أحادية النمط، ويمكن للوسادات اللوغاريتمية الحلزونية السالبة تحسين معدل التلميع بشكل ملحوظ.
● تقلبات الوسادة
النتوءات الخشنة الموجودة على سطح الوسادة مرنة لتجنب التسبب في خدوش مفرطة لا يمكن إصلاحها على الرقاقة. عادةً ما يتبع ملف ارتفاع السطح المجهري للوسادة توزيعًا غاوسيًا أو أسيًا.
يؤثر متوسط ارتفاع الخشونة (Rpk) بشدة على معدل إزالة المادة (MRR). بدون تكييف الوسادة، ينخفض MRR مع وقت التلميع؛ إذا تمت استعادة Rpk عن طريق التكييف، فإن MRR يعود إلى مستواه الأصلي تقريبًا. يؤدي التآكل أثناء التلميع والتكييف اللاحق إلى حدوث تغييرات مستمرة في خشونة الوسادة الفعلية. تؤثر الاختلافات في الخشونة وقطر الخشونة وتوزيع الخشونة بشكل مباشر على MRR.
02 خصائص المواد لوسادة التلميع
تؤثر الخواص الفيزيائية والكيميائية لمادة البطانة على حالة التلامس وقوة التلامس عند واجهة التلميع (وسادة ملاط الرقاقة)، مما يؤثر على معدل إزالة المادة وخشونة سطح الرقاقة.
● معلمات الخاصية الميكانيكية
الصلابة ومعامل المرونة هما معلمتان ميكانيكيتان مهمتان. تُستخدم الوسادات الصلبة في مراحل التلميع القاسية التي تتطلب معدلات إزالة عالية، ولكن الصلابة المفرطة يمكن أن تتسبب في تلف السطح وإزالة المواد غير المنتظمة. تُستخدم الوسادات الناعمة بشكل عام في مراحل التلميع الدقيقة مع متطلبات خشونة منخفضة. يمكن للوسادة ذات الجزء العلوي الصلب والقاع الناعم أن تحسن من تجانس MRR، ولكنها تميل إلى أن تحتوي على منطقة استبعاد حافة أكبر؛ على العكس من ذلك، يمكن للوسادة ذات الجزء العلوي الناعم والقاع الصلب أن تقلل من منطقة استبعاد الحافة وتحقق جودة سطح أفضل.
● الخصائص الكيميائية
يجب أن تتمتع الوسادة بثبات كيميائي جيد ومحبة للماء. يُظهر البولي يوريثين تأثير ذاكرة الشكل، حيث يزداد معدل استعادة الشكل مع ارتفاع درجة الحرارة.
في إنتاج وسادة CMP، تتضمن التفاعلات الكيميائية بشكل أساسي البوليولات والإيزوسيانات. تشمل المواد الخام الرئيسية البوليمرات المسبقة، وموسعات السلسلة/الروابط المتشابكة، وعوامل الرغوة، والمحفزات، وغيرها من الإضافات الوظيفية. من خلال التحكم في تركيزات ونسب المواد المتفاعلة، يمكن تحسين خصائص المواد المختلفة للوسادة. تلعب المجموعات النشطة في الوسادة، مثل مجموعات الهيدروكسيل والأميد، دورًا مهمًا أيضًا - فهي تعزز طبقة إعادة وضع مواد التلميع وتخفف من مشكلات جودة السطح الناتجة عن التآكل الميكانيكي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتعديل الفيزيائي والكيميائي لمادة الوسادة تحسين أدائها.
علاوة على ذلك، أثناء CMP، يخضع سطح الوسادة لقوى التحميل والقص، مما يتسبب في خضوع الخشونة للتدفق البلاستيكي وتصبح مسطحة - وهي ظاهرة تعرف باسم التزجيج. يمكن أن يؤدي تكييف الوسادة إلى تحسين تزجيج السطح والمسامية، والحفاظ على أداء تلميع مستقر.
تقنيات تكييف منصات التلميع
حاليًا، تنقسم تقنيات التكييف التقليدية إلى فئتين: التكييف غير الذاتي والتكييف الذاتي.
تقنيات غير التكييف الذاتي
يشير عدم التكييف الذاتي إلى استخدام قوى خارجية لإزالة المواد الكاشطة البالية والحطام والشوائب الأخرى من سطح الوسادة، مما يعرض المواد الكاشطة الجديدة ويحافظ على قدرة القطع أثناء التلميع.
تكييف تسريحة الماس
تتكون خزانة الماس بشكل أساسي من مواد كاشطة ماسية ومادة رابطة وركيزة. يتم تثبيت المواد الكاشطة الماسية على الركيزة عن طريق الطلاء الكهربائي، أو اللحام بالنحاس، أو التلبيد، أو ترسيب البخار الكيميائي. يرتبط أداء التكييف بشكل وثيق بحالة سطح الوسادة وبالتالي يؤثر على جودة قطعة العمل. المبدأ هو أن الماسات ذات القطر الكبير الموجودة على الخزانة تعمل على إزاحة جزيئات الماس الباهتة من الغلاف بالقوة وإزالة الطبقة الزجاجية والحطام، مما يكشف حواف القطع الجديدة على الوسادة.
تكييف الماء النفاث عالي الضغط
تستخدم هذه التقنية قوة القص لنفث الماء لغسل الجزيئات الكاشطة السائبة أو الضعيفة الترابط وكذلك كسر الطبقة الزجاجية وإزالة الشوائب وتحسين أداء الوسادة.
تقنيات التكييف الذاتي
يشير التكييف الذاتي إلى الأساليب التي تسمح للطبقة السطحية للبطانة بالتآكل بمعدل مناسب بحيث تتعرض المواد الكاشطة الموجودة في الطبقة السفلية للسطح بشكل مستمر أثناء المعالجة، مما يحافظ على قدرة القطع المستدامة. لقد أدى ظهور التكييف الذاتي إلى تقديم أساليب جديدة لتكييف الوسادة.
يعمل التكييف الذاتي على التخلص من خطوة التكييف، ويتجنب تأثير تآكل الخزانة على الوسادة، ويطيل عمر الوسادة. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي إضافة قواعد عضوية، أو أملاح غير عضوية، أو مواد كيميائية أخرى إلى تعزيز التكييف الذاتي؛ يوفر استخدام البوليمرات المسبقة مع مجموعات كارهة للماء إجراء تنظيم ذاتي أثناء التلميع، مما يؤدي إلى استقرار العملية ومنع تورم الماء.