El pulido químico mecánico (CMP) es la única tecnología clave que puede lograr la planarización de la superficie de la oblea, capaz de reducir la rugosidad de la superficie al nivel subnanométrico. El principio básico de CMP es que la suspensión reacciona químicamente con la superficie de la oblea para formar una capa ablandada, que luego se elimina mediante fricción mecánica, eliminación de material y planarización de la superficie de la oblea.
Las características estructurales de la superficie (rugosidad, patrón de ranuras, etc.) y las propiedades del material (dureza, módulo elástico, etc.) de la almohadilla de pulido son factores importantes que afectan el CMP. La almohadilla de pulido influye directamente en los resultados del pulido de la oblea.
01 Características estructurales de la superficie de la almohadilla de pulido
● Microtopografía superficial de la almohadilla de pulido
Las almohadillas de pulido suelen estar llenas de microporos en la superficie, que pueden almacenar y transportar lodo y partículas abrasivas, resistir el ataque químico de lodo y eliminar rápidamente los subproductos del pulido, lo que afecta la eliminación del material.
Según las características estructurales, las almohadillas de pulido comerciales convencionales se clasifican en tres tipos: tipo de malla (tela amortiguadora), tipo de fibra (cuero sintético) y tipo microporoso (poliuretano). En comparación con las otras dos, la almohadilla de malla tiene mejor compresibilidad y capacidad de transporte de lodo, y su menor dureza hace que sea menos probable que cause rayones durante el pulido fino. Los tipos de fibra y poliuretano, debido a su dureza y estructura específicas, se utilizan principalmente para el pulido basto y el pulido de materiales no metálicos.
La geometría y distribución de los microporos afectan la resistencia de la superficie y la densidad de la almohadilla. Las características de porosidad y densidad se reflejan principalmente en el índice de Poisson (ν). La resistencia superficial disminuye al aumentar la porosidad. Los diámetros de poro más grandes mejoran la capacidad de transporte, pero los poros excesivamente grandes pueden reducir la densidad y resistencia de la almohadilla.
Los cambios en el tamaño y la estructura de los microporos también afectan el rendimiento del pulido. La optimización de la estructura de microporos puede mejorar el estado de contacto entre la almohadilla y la oblea. Explorar la relación sinérgica entre la carga mecánica en la interfaz y las reacciones químicas de la lechada puede controlar mejor la tasa de eliminación de material CMP.
● Texturas de ranuras superficiales de la almohadilla de pulido
El ranurado en la superficie de la plataforma tiene dos propósitos: por un lado, mejora la capacidad de la plataforma para almacenar y transportar lodo, mejorando el flujo de lodo; por otro lado, modifica el coeficiente de fricción y el esfuerzo cortante sobre la superficie de la pastilla. La siguiente tabla muestra las ranuras típicas de las almohadillas de la serie IC fabricadas por Rohm Haas, que se utilizan ampliamente en la industria de los semiconductores. Al comparar IC1010 con IC1000, IC1010 tiene ranuras más profundas y densas, lo que resulta en una acción mecánica más fuerte de las asperezas de la almohadilla y las partículas abrasivas, así como una acción química más fuerte, lo que lleva a una mayor capacidad de eliminación de material.
Los patrones de ranura comunes incluyen los tipos logarítmicos radiales, de rejilla, anulares y en espiral. En la figura siguiente, (a)‑(d) representan pads de patrón único, mientras que (e)‑(g) son pads de patrón compuesto. Las almohadillas compuestas generalmente funcionan mejor que las de patrón único, y las almohadillas logarítmicas en espiral negativas pueden mejorar significativamente la tasa de pulido.
● Asperezas de la almohadilla
Las protuberancias rugosas en la superficie de la almohadilla son elásticas para evitar causar excesivos rayones irreparables en la oblea. El perfil de altura de la superficie microscópica de la almohadilla suele seguir una distribución gaussiana o exponencial.
La altura promedio de las asperezas (Rpk) afecta fuertemente la tasa de eliminación de material (MRR). Sin acondicionamiento de la pastilla, el MRR disminuye con el tiempo de pulido; Si Rpk se restablece mediante acondicionamiento, MRR vuelve a cerca de su nivel original. El desgaste durante el pulido y el acondicionamiento posterior provocan cambios continuos en la rugosidad real de la pastilla. Las variaciones en la rugosidad, el diámetro de la aspereza y la distribución de la rugosidad afectan directamente el MRR.
02 Propiedades del material de la almohadilla de pulido
Las propiedades físicas y químicas del material de la almohadilla afectan el estado de contacto y la fuerza de contacto en la interfaz de pulido (wafer-slurry-pad), influyendo así en la tasa de eliminación de material y la rugosidad de la superficie de la oblea.
● Parámetros de propiedades mecánicas
La dureza y el módulo elástico son dos parámetros mecánicos importantes. Las almohadillas duras se utilizan en etapas de pulido rugoso donde se requieren altas tasas de eliminación, pero una dureza excesiva puede causar daños a la superficie y una eliminación no uniforme del material. Las almohadillas blandas se utilizan generalmente en etapas de pulido fino con requisitos de rugosidad bajos. Una almohadilla con una parte superior dura y una parte inferior blanda puede mejorar la uniformidad del MRR, pero tiende a tener una zona de exclusión de bordes más grande; por el contrario, una almohadilla con una parte superior blanda y una base dura puede reducir la zona de exclusión de bordes y lograr una mejor calidad de la superficie.
● Características químicas
La almohadilla debe tener buena estabilidad química e hidrofilicidad. El poliuretano exhibe un efecto de memoria de forma, y la tasa de recuperación de forma aumenta con la temperatura.
En la producción de almohadillas CMP, las reacciones químicas involucran principalmente polioles e isocianatos. Las principales materias primas incluyen prepolímeros, extensores/reticulantes de cadena, agentes espumantes, catalizadores y otros aditivos funcionales. Controlando las concentraciones y proporciones de reactivos, se pueden mejorar diversas propiedades del material de la almohadilla. Los grupos activos de la almohadilla, como los grupos hidroxilo y amida, también desempeñan un papel importante: mejoran la capa de redeposición de los materiales de pulido y mitigan los problemas de calidad de la superficie causados por el desgaste mecánico. Además, la modificación física y química del material de la pastilla puede mejorar su rendimiento.
Además, durante CMP, la superficie de la almohadilla sufre cargas y fuerzas de corte, lo que hace que las asperezas experimenten un flujo plástico y se planaricen, un fenómeno conocido como vidriado. El acondicionamiento de la almohadilla puede mejorar el vidriado y la porosidad de la superficie, manteniendo un rendimiento de pulido estable.
Tecnologías de acondicionamiento para almohadillas de pulido
Actualmente, las técnicas de condicionamiento convencionales se dividen en dos categorías: no autocondicionamiento y autocondicionamiento.
Tecnologías sin autocondicionamiento
El no autoacondicionamiento se refiere al uso de fuerzas externas para eliminar abrasivos desgastados, residuos y otras impurezas de la superficie de la almohadilla, exponiendo abrasivos nuevos y manteniendo la capacidad de corte durante el pulido.
Acondicionamiento del tocador de diamantes
Un rectificador de diamante se compone principalmente de abrasivos de diamante, un aglutinante y un sustrato. Los abrasivos de diamante se fijan al sustrato mediante galvanoplastia, soldadura fuerte, sinterización o deposición química de vapor. Su rendimiento de acondicionamiento está estrechamente relacionado con la condición de la superficie de la pastilla y, por lo tanto, afecta la calidad de la pieza de trabajo. El principio es que los diamantes de gran diámetro colocados en la rectificadora desalojan por la fuerza las partículas de diamante sin filo del aglutinante y eliminan la capa vidriada y los residuos, exponiendo nuevos bordes cortantes en la almohadilla.
Acondicionamiento por chorro de agua a alta presión
Esta técnica utiliza la fuerza de corte de un chorro de agua para eliminar las partículas abrasivas sueltas o mal adheridas y también rompe la capa vidriada, eliminando impurezas y mejorando el rendimiento de la almohadilla.
Tecnologías de autoacondicionamiento
El autoacondicionamiento se refiere a métodos que permiten que la capa superficial de la almohadilla se desgaste a un ritmo adecuado para que los abrasivos en la capa subsuperficial queden expuestos continuamente durante el procesamiento, manteniendo la capacidad de corte sostenida. La aparición del autocondicionamiento ha introducido nuevos enfoques para el acondicionamiento de las compresas.
El autoacondicionamiento elimina el paso de acondicionamiento, evita el impacto del desgaste del rectificador en la almohadilla y prolonga su vida útil. Por ejemplo, agregar bases orgánicas, sales inorgánicas u otras sustancias químicas puede mejorar el autoacondicionamiento; El uso de prepolímeros con grupos hidrofóbicos proporciona una acción autorreguladora durante el pulido, estabilizando el proceso y evitando la hinchazón del agua.