Kemijsko mehaničko poliranje (CMP) jedina je ključna tehnologija koja može postići planarizaciju površine pločice, sposobnu smanjiti hrapavost površine na sub-nanometarsku razinu. Osnovno načelo CMP-a je da kaša kemijski reagira s površinom pločice da bi se formirao omekšani sloj, koji se zatim uklanja mehaničkim trenjem, uklanjanjem materijala i planarizacijom površine pločice.
Strukturne karakteristike površine (hrapavost, uzorak utora itd.) i svojstva materijala (tvrdoća, modul elastičnosti itd.) jastučića za poliranje važni su čimbenici koji utječu na CMP. Jastučić za poliranje izravno utječe na rezultate poliranja pločice.
01 Površinske strukturne karakteristike jastučića za poliranje
● Površinska mikrotopografija jastučića za poliranje
Jastučići za poliranje obično su puni mikropora na površini, koje mogu pohraniti i transportirati mulj i abrazivne čestice, oduprijeti se kemijskom napadu mulja i odmah ukloniti nusproizvode poliranja, čime utječu na uklanjanje materijala.
Na temelju strukturnih značajki, uobičajeni komercijalni jastučići za poliranje klasificiraju se u tri vrste: mrežasti tip (krpa za prigušivanje), tip vlakana (umjetna koža) i mikroporozni tip (poliuretan). U usporedbi s druga dva, mrežasti jastučić ima bolju kompresivnost i sposobnost nošenja kaše, a njegova niža tvrdoća čini manju vjerojatnost da će uzrokovati ogrebotine tijekom finog poliranja. Vlaknaste i poliuretanske vrste se zbog svoje specifične tvrdoće i strukture najviše koriste za grubo poliranje i poliranje nemetalnih materijala.
Geometrija i raspodjela mikropora utječu na površinsku čvrstoću i gustoću jastučića. Karakteristike poroznosti i gustoće uglavnom se odražavaju Poissonovim omjerom (ν). Površinska čvrstoća opada s povećanjem poroznosti. Veći promjeri pora poboljšavaju transportni kapacitet, ali pretjerano velike pore mogu smanjiti gustoću i snagu jastučića.
Promjene u veličini i strukturi mikropora također utječu na učinak poliranja. Optimiziranje strukture mikropora može poboljšati stanje kontakta između jastučića i pločice. Istraživanje sinergijskog odnosa između mehaničkog opterećenja na granici i kemijskih reakcija kaše može bolje kontrolirati brzinu uklanjanja CMP materijala.
● Teksture površinskih utora jastučića za poliranje
Žljebovi na površini jastučića služe u dvije svrhe: s jedne strane, poboljšavaju sposobnost jastučića za skladištenje i transport gnojnice, poboljšavajući protok gnojnice; s druge strane, modificira koeficijent trenja i smično naprezanje na površini jastučića. Donja tablica prikazuje tipične utore pločica serije IC koje proizvodi Rohm Haas, a koje se široko koriste u industriji poluvodiča. Uspoređujući IC1010 s IC1000, IC1010 ima dublje i gušće utore, što rezultira snažnijim mehaničkim djelovanjem neravnina jastučića i abrazivnih čestica, kao i jačim kemijskim djelovanjem, što dovodi do veće sposobnosti uklanjanja materijala.
Uobičajeni uzorci utora uključuju radijalne, rešetkaste, prstenaste i spiralne logaritamske vrste. Na donjoj slici (a)–(d) predstavljaju jastučiće s jednim uzorkom, dok su (e)–(g) jastučiće s kompozitnim uzorkom. Kompozitni jastučići općenito rade bolje od jastučića s jednim uzorkom, a negativni spiralno-logaritamski jastučići mogu značajno poboljšati brzinu poliranja.
● Neravnine jastučića
Grube izbočine na površini jastučića su elastične kako bi se izbjeglo nanošenje prekomjernih nepopravljivih ogrebotina na pločici. Profil visine mikroskopske površine jastučića obično slijedi Gaussovu ili eksponencijalnu distribuciju.
Prosječna visina neravnina (Rpk) snažno utječe na brzinu skidanja materijala (MRR). Bez kondicioniranja jastučića, MRR se smanjuje s vremenom poliranja; ako se Rpk povrati kondicioniranjem, MRR se vraća približno svojoj izvornoj razini. Trošenje tijekom poliranja i naknadnog kondicioniranja uzrokuje stalne promjene u stvarnoj hrapavosti jastučića. Varijacije u hrapavosti, promjeru neravnina i distribuciji hrapavosti izravno utječu na MRR.
02 Svojstva materijala jastučića za poliranje
Fizikalna i kemijska svojstva materijala jastučića utječu na stanje kontakta i kontaktnu silu na sučelju za poliranje (vafer-mulj-jastučić), čime utječu na brzinu uklanjanja materijala i hrapavost površine pločice.
● Parametri mehaničkih svojstava
Tvrdoća i modul elastičnosti dva su važna mehanička parametra. Tvrdi jastučići se koriste u fazama grubog poliranja gdje su potrebne visoke stope skidanja, ali pretjerana tvrdoća može uzrokovati oštećenje površine i nejednoliko skidanje materijala. Mekani jastučići općenito se koriste u fazama finog poliranja s niskim zahtjevima za hrapavost. Jastučić s tvrdim vrhom i mekanim dnom može poboljšati jednolikost MRR-a, ali obično ima veću rubnu zonu isključenja; obrnuto, jastučić s mekim vrhom i tvrdim dnom može smanjiti rubnu zonu isključenja i postići bolju kvalitetu površine.
● Kemijske karakteristike
Jastučić mora imati dobru kemijsku stabilnost i hidrofilnost. Poliuretan pokazuje učinak pamćenja oblika, pri čemu se stopa oporavka oblika povećava s temperaturom.
U proizvodnji CMP jastučića kemijske reakcije uglavnom uključuju poliole i izocijanate. Glavne sirovine uključuju predpolimere, produživače/povezivače lanca, sredstva za stvaranje pjene, katalizatore i druge funkcionalne aditive. Kontroliranjem koncentracija i omjera reaktanata mogu se poboljšati različita svojstva materijala jastučića. Aktivne skupine u jastučiću, kao što su hidroksilne i amidne skupine, također igraju važnu ulogu – one poboljšavaju sloj ponovnog taloženja materijala za poliranje i ublažavaju probleme s kvalitetom površine uzrokovane mehaničkim trošenjem. Dodatno, fizičke i kemijske modifikacije materijala jastučića mogu poboljšati njegovu izvedbu.
Nadalje, tijekom CMP-a, površina jastučića podliježe opterećenju i silama smicanja, uzrokujući da neravnine prolaze kroz plastično strujanje i postaju planarizirane – fenomen poznat kao glaziranje. Kondicioniranje jastučića može poboljšati glazuru i poroznost površine, održavajući stabilnu učinkovitost poliranja.
Tehnologije kondicioniranja jastučića za poliranje
Trenutačno konvencionalne tehnike kondicioniranja spadaju u dvije kategorije: nesamostalne i samokondicionirajuće.
Tehnologije bez samokondicioniranja
Nesamokondicioniranje se odnosi na korištenje vanjskih sila za uklanjanje istrošenih abraziva, krhotina i drugih nečistoća s površine jastučića, izlažući svježe abrazive i održavajući sposobnost rezanja tijekom poliranja.
Uređaj dijamantne komode
Dijamantna obrada se uglavnom sastoji od dijamantnog abraziva, veziva i podloge. Dijamantni abrazivi fiksiraju se na podlogu galvaniziranjem, lemljenjem, sinteriranjem ili kemijskim taloženjem iz pare. Njegova izvedba kondicioniranja usko je povezana sa stanjem površine jastučića i stoga utječe na kvalitetu obratka. Načelo je da dijamanti velikog promjera na komodi silom izbacuju dosadne čestice dijamanta iz veziva i uklanjaju glazirani sloj i ostatke, otkrivajući nove rezne rubove na jastučiću.
Kondicioniranje vodenim mlazom pod visokim pritiskom
Ova tehnika koristi silu smicanja vodenog mlaza za ispiranje labavih ili slabo vezanih abrazivnih čestica i također razbija glazirani sloj, uklanjajući nečistoće i poboljšavajući učinak jastučića.
Tehnologije samokondicioniranja
Samokondicioniranje se odnosi na metode koje omogućuju habanje površinskog sloja jastučića odgovarajućom brzinom tako da su abrazivi u podpovršinskom sloju kontinuirano izloženi tijekom obrade, održavajući trajnu sposobnost rezanja. Pojava samokondicioniranja uvela je nove pristupe kondicioniranju jastučića.
Samokondicioniranje eliminira korak kondicioniranja, izbjegava utjecaj istrošenosti komode na podlogu i produljuje vijek trajanja podloge. Na primjer, dodavanje organskih baza, anorganskih soli ili drugih kemikalija može poboljšati samokondicioniranje; korištenje predpolimera s hidrofobnim skupinama osigurava samoregulirajuće djelovanje tijekom poliranja, stabilizira proces i sprječava bubrenje vode.