Kemiallinen mekaaninen kiillotus (CMP) on ainoa avainteknologia, jolla voidaan saavuttaa kiekon pinnan tasoitus, joka pystyy vähentämään pinnan karheutta nanometrin alapuolelle. CMP:n perusperiaate on, että liete reagoi kemiallisesti kiekon pinnan kanssa muodostaen pehmennetyn kerroksen, joka sitten poistetaan mekaanisella kitkalla, materiaalinpoistolla ja kiekon pinnan tasoituksella.
Kiillotustyynyn pinnan rakenteelliset ominaisuudet (karheus, urakuvio jne.) ja materiaaliominaisuudet (kovuus, kimmomoduuli jne.) ovat tärkeitä CMP:hen vaikuttavia tekijöitä. Kiillotustyyny vaikuttaa suoraan kiekon kiillotustulokseen.
01 Kiillotustyynyn pintarakenteen ominaisuudet
● Kiillotustyynyn pinnan mikrotopografia
Kiillotustyynyt ovat yleensä täynnä pinnalla olevia mikrohuokosia, jotka voivat varastoida ja kuljettaa lietettä ja hankaavia hiukkasia, vastustaa lietteen kemiallista vaikutusta ja poistaa nopeasti kiillotuksen sivutuotteet, mikä vaikuttaa materiaalin poistoon.
Rakenteellisten ominaisuuksien perusteella yleiset kaupalliset kiillotustyynyt luokitellaan kolmeen tyyppiin: verkkotyyppi (kosmennuskangas), kuitutyyppi (synteettinen nahka) ja mikrohuokoinen tyyppi (polyuretaani). Verrattuna kahteen muuhun verkkotyynyllä on parempi kokoonpuristuvuus ja lietteen siirtokyky, ja sen alhaisempi kovuus tekee siitä vähemmän todennäköisen naarmuuntumisen hienokiillotuksen aikana. Kuitu- ja polyuretaanityyppejä käytetään ominaiskovuuden ja rakenteensa vuoksi enimmäkseen ei-metallisten materiaalien karkeakiillotukseen ja kiillotukseen.
Mikrohuokosten geometria ja jakautuminen vaikuttavat tyynyn pintalujuuteen ja tiheyteen. Huokoisuus- ja tiheysominaisuudet heijastavat pääasiassa Poissonin suhdelukua (ν). Pinnan lujuus heikkenee huokoisuuden kasvaessa. Suuremmat huokoshalkaisijat parantavat kuljetuskapasiteettia, mutta liian suuret huokoset voivat vähentää tyynyn tiheyttä ja lujuutta.
Muutokset mikrohuokosten koossa ja rakenteessa vaikuttavat myös kiillotuskykyyn. Mikrohuokosrakenteen optimointi voi parantaa tyynyn ja kiekon välistä kosketustilaa. Rajapinnan mekaanisen kuormituksen ja lietteen kemiallisten reaktioiden välisen synergistisen suhteen tutkiminen voi paremmin hallita CMP-materiaalin poistonopeutta.
● Kiillotustyynyn pinnan urakuviointi
Tyynyn pinnan urittaminen palvelee kahta tarkoitusta: toisaalta se parantaa tyynyn kykyä varastoida ja kuljettaa lietettä, mikä parantaa lietteen virtausta; toisaalta se muuttaa kitkakerrointa ja leikkausjännitystä tyynyn pinnalla. Alla olevassa taulukossa on esitetty puolijohdeteollisuudessa laajalti käytettyjen Rohm Haasin valmistamien IC-sarjan tyynyjen tyypilliset urat. Verrattaessa IC1010:tä IC1000:een, IC1010:ssä on syvemmät ja tiheämmät urat, mikä johtaa vahvempaan mekaaniseen vaikutukseen tyynyn epäpuhtauksien ja hankaavien hiukkasten vuoksi sekä voimakkaampaan kemialliseen toimintaan, mikä parantaa materiaalinpoistokykyä.
Yleisiä urakuvioita ovat säteittäiset, ristikko-, rengas- ja spiraalilogaritmiset tyypit. Alla olevassa kuvassa (a)–(d) edustavat yksikuvioisia tyynyjä, kun taas (e)–(g) ovat yhdistelmäkuviotyynyjä. Komposiittityynyt toimivat yleensä paremmin kuin yksikuvioiset tyynyt, ja negatiiviset spiraalilogaritmiset tyynyt voivat parantaa merkittävästi kiillotusnopeutta.
● Pad Asperities
Pehmusteen pinnan karkeat ulkonemat ovat joustavia, jotta ne eivät aiheuta liiallisia korjaamattomia naarmuja kiekkoon. Tyynyn mikroskooppinen pinnan korkeusprofiili noudattaa tyypillisesti Gaussin tai eksponentiaalista jakaumaa.
Asperiteettien keskikorkeus (Rpk) vaikuttaa voimakkaasti materiaalinpoistonopeuteen (MRR). Ilman tyynyn käsittelyä MRR pienenee kiillotusajan myötä; jos Rpk palautetaan ehdoin, MRR palaa lähelle alkuperäistä tasoaan. Kuluminen kiillotuksen ja sitä seuraavan käsittelyn aikana aiheuttaa jatkuvia muutoksia todellisessa tyynyn karheudessa. Epätasaisuuden, karheuden halkaisijan ja karheuden jakauman vaihtelut vaikuttavat suoraan MRR:ään.
02 Kiillotustyynyn materiaaliominaisuudet
Tyynymateriaalin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet vaikuttavat kosketustilaan ja kosketusvoimaan kiillotusrajapinnassa (kiekko-liete-tyyny), mikä vaikuttaa materiaalin poistonopeuteen ja kiekon pinnan karheuteen.
● Mekaaniset ominaisuudet
Kovuus ja kimmomoduuli ovat kaksi tärkeää mekaanista parametria. Kovia tyynyjä käytetään karkeissa kiillotusvaiheissa, joissa vaaditaan suuria poistonopeuksia, mutta liiallinen kovuus voi aiheuttaa pintavaurioita ja epätasaista materiaalin poistoa. Pehmeitä tyynyjä käytetään yleensä hienokiillotusvaiheissa, joissa karheusvaatimukset ovat alhaiset. Pehmuste, jossa on kova yläosa ja pehmeä pohja, voi parantaa MRR-tasaisuutta, mutta sillä on yleensä suurempi reuna-alue; päinvastoin pehmuste, jossa on pehmeä yläosa ja kova pohja, voi pienentää reuna-aluetta ja saavuttaa paremman pinnan laadun.
● Kemialliset ominaisuudet
Pehmusteella tulee olla hyvä kemiallinen stabiilisuus ja hydrofiilisyys. Polyuretaanilla on muotomuistivaikutus, ja muodon palautumisnopeus kasvaa lämpötilan myötä.
CMP-tyynytuotannossa kemialliset reaktiot sisältävät pääasiassa polyoleja ja isosyanaatteja. Pääraaka-aineita ovat esipolymeerit, ketjunjatkajat/silloittimet, vaahdotusaineet, katalyytit ja muut toiminnalliset lisäaineet. Säätämällä reagenssien pitoisuuksia ja suhteita voidaan parantaa tyynyn erilaisia materiaaliominaisuuksia. Myös tyynyn aktiivisilla ryhmillä, kuten hydroksyyli- ja amidiryhmillä, on tärkeä rooli – ne tehostavat kiillotusmateriaalien uudelleensaostumista ja vähentävät mekaanisen kulumisen aiheuttamia pinnanlaatuongelmia. Lisäksi tyynyn materiaalin fyysinen ja kemiallinen modifiointi voi parantaa sen suorituskykyä.
Lisäksi CMP:n aikana tyynyn pintaan kohdistuu kuormitus- ja leikkausvoimia, mikä aiheuttaa sen, että epäpuhtaudet läpikäyvät plastisen virtauksen ja tasoittuvat – ilmiö tunnetaan nimellä lasitus. Pehmustehoito voi parantaa pinnan lasitusta ja huokoisuutta säilyttäen vakaan kiillotuskyvyn.
Kiillotustyynyjen hoitotekniikat
Tällä hetkellä perinteiset hoitotekniikat jakautuvat kahteen luokkaan: ei-itsehoitoon ja itsehoitoon.
Ei-itsehoitotekniikat
Ei-itsekäsittely tarkoittaa ulkoisten voimien käyttöä kuluneiden hankausaineiden, roskien ja muiden epäpuhtauksien poistamiseksi tyynyn pinnalta, paljastaen tuoreet hioma-aineet ja säilyttäen leikkauskyvyn kiillotuksen aikana.
Diamond lipaston ilmastointi
Timanttikaappi koostuu pääasiassa timanttihioma-aineista, sideaineesta ja alustasta. Timanttihioma-aineet kiinnitetään alustalle galvanoimalla, juottamalla, sintraamalla tai kemiallisella höyrypinnoituksella. Sen käsittelykyky liittyy läheisesti tyynyn pinnan tilaan ja vaikuttaa siten työkappaleen laatuun. Periaatteena on, että lipaston halkaisijaltaan suuret timantit irrottavat väkisin himmeitä timanttihiukkasia sideaineesta ja poistavat lasitetun kerroksen ja roskat paljastaen tyynyn uudet leikkuureunat.
Korkeapaineinen vesisuihkukäsittely
Tämä tekniikka käyttää vesisuihkun leikkausvoimaa pesemään pois irtonaiset tai huonosti sitoutuneet hankaavat hiukkaset ja rikkoo myös lasikerroksen poistaen epäpuhtaudet ja parantaen tyynyn suorituskykyä.
Itsehoitotekniikat
Itsekäsittely viittaa menetelmiin, jotka sallivat tyynyn pintakerroksen kulumisen sopivalla nopeudella, jotta pinnan alla olevan kerroksen hankausaineet ovat jatkuvasti esillä käsittelyn aikana, mikä ylläpitää jatkuvaa leikkauskykyä. Itsehoitojen ilmaantuminen on tuonut uusia lähestymistapoja tyynyn hoitoon.
Itsehoito poistaa hoitovaiheen, välttää lipaston kulumisen vaikutuksen pehmusteeseen ja pidentää tyynyn käyttöikää. Esimerkiksi orgaanisten emästen, epäorgaanisten suolojen tai muiden kemikaalien lisääminen voi parantaa itsehoitoa; hydrofobisia ryhmiä sisältävien esipolymeerien käyttö antaa itsesäätelyn kiillotuksen aikana, stabiloi prosessia ja estää veden turpoamisen.