Cheminė mechaninė planarizacija(CMP) yra pagrindinis pažangios puslaidininkių gamybos procesas. Jis užtikrina atominio lygio plokštumą per plokštelių paviršius, įgalindamas daugiasluoksnes architektūras, glaudesnį įrenginių supakavimą ir patikimesnį našumą. CMP integruoja vienalaikius cheminius ir mechaninius veiksmus – naudodamas besisukantį padą ir specializuotą poliravimo suspensiją – kad pašalintų perteklines plėveles ir išlygintų paviršiaus nelygumus, kurie yra labai svarbūs elementų formavimui ir lygiavimui integriniuose grandynuose.
Plokštelių kokybė po CMP labai priklauso nuo kruopštaus poliravimo suspensijos sudėties ir savybių valdymo. Suspensijoje yra abrazyvinių dalelių, tokių kaip cerio oksidas (CeO₂), suspenduotų cheminių medžiagų kokteilyje, skirtame optimizuoti tiek fizinį dilimą, tiek cheminės reakcijos greitį. Pavyzdžiui, cerio oksidas pasižymi optimaliu silicio pagrindo plėvelių kietumu ir paviršiaus chemine sudėtimi, todėl tai yra pasirinkta medžiaga daugelyje CMP pritaikymų. CMP efektyvumą lemia ne tik abrazyvinių dalelių savybės, bet ir tikslus suspensijos koncentracijos, pH ir tankio valdymas.
Cheminė mechaninė planarizacija
*
Poliravimo suspensijų puslaidininkių gamyboje pagrindai
Poliravimo suspensijos yra labai svarbios cheminio mechaninio plokštumos formavimo procese. Tai sudėtingi mišiniai, sukurti taip, kad būtų pasiektas mechaninis dilimas ir cheminė paviršiaus modifikacija plokštelių paviršiuose. Svarbiausi CMP suspensijų vaidmenys yra efektyvus medžiagų pašalinimas, plokštumos kontrolė, vienodumas dideliuose plokštelių plotuose ir defektų mažinimas.
Poliravimo suspensijų vaidmenys ir sudėtis
Įprastoje CMP suspensijoje abrazyvinės dalelės yra suspenduotos skystoje matricoje, papildytos cheminiais priedais ir stabilizatoriais. Kiekvienas komponentas atlieka skirtingą vaidmenį:
- Abrazyvai:Šios smulkios kietos dalelės – daugiausia silicio dioksidas (SiO₂) arba cerio oksidas (CeO₂) puslaidininkių įrenginiuose – atlieka mechaninę medžiagos šalinimo dalį. Jų koncentracija ir dalelių dydžio pasiskirstymas kontroliuoja tiek šalinimo greitį, tiek paviršiaus kokybę. Abrazyvinių medžiagų kiekis paprastai svyruoja nuo 1 % iki 5 % masės, o dalelių skersmuo – nuo 20 nm iki 300 nm, kas yra griežtai apibrėžta, siekiant išvengti per didelio plokštelių įbrėžimo.
- Cheminiai priedai:Šie agentai sukuria cheminę aplinką efektyviai planarizacijai. Oksidatoriai (pvz., vandenilio peroksidas) palengvina lengviau šlifuojamų paviršiaus sluoksnių susidarymą. Kompleksus arba chelatus sudarančios medžiagos (pvz., amonio persulfatas arba citrinų rūgštis) suriša metalo jonus, pagerindamos pašalinimą ir slopindamos defektų susidarymą. Inhibitoriai įvedami siekiant išvengti nepageidaujamo gretimų arba po ja esančių plokštelių sluoksnių ėsdinimo, pagerinant selektyvumą.
- Stabilizatoriai:Paviršinio aktyvumo medžiagos ir pH buferiai palaiko suspensijos stabilumą ir vienodą dispersiją. Paviršinio aktyvumo medžiagos apsaugo nuo abrazyvinių dalelių aglomeracijos, užtikrindamos vienodą šalinimo greitį. pH buferiai leidžia išlaikyti pastovų cheminės reakcijos greitį ir sumažina dalelių sulipimo ar korozijos tikimybę.
Kiekvieno komponento formulė ir koncentracija yra pritaikytos konkrečiai plokštelės medžiagai, įrenginio struktūrai ir cheminio mechaninio planarizacijos proceso etapui.
Įprastos suspensijos: silicio dioksidas (SiO₂) ir cerio oksidas (CeO₂)
Silicio dioksido (SiO₂) poliravimo suspensijosdominuoja oksidų planarizacijos etapai, tokie kaip tarpsluoksnio dielektrinis (ILD) ir seklaus tranšėjos izoliavimo (STI) poliravimas. Juose kaip abrazyvas naudojamas koloidinis arba dūminis silicio dioksidas, dažnai šarminėje (pH ~10) aplinkoje, o kartais papildomai pridedama nedidelio kiekio paviršinio aktyvumo medžiagų ir korozijos inhibitorių, siekiant apriboti įbrėžimų defektus ir optimizuoti šalinimo greitį. Silicio dioksido dalelės vertinamos dėl vienodo dydžio ir mažo kietumo, užtikrinančio švelnų, tolygų medžiagos šalinimą, tinkantį subtiliems sluoksniams.
Cerio oksido (CeO₂) poliravimo suspensijosyra parenkami sudėtingoms reikmėms, kurioms reikalingas didelis selektyvumas ir tikslumas, pavyzdžiui, galutiniam stiklo padėklo poliravimui, sudėtingam padėklo planarizavimui ir tam tikriems oksido sluoksniams puslaidininkiniuose įrenginiuose. CeO₂ abrazyvai pasižymi unikaliu reaktyvumu, ypač su silicio dioksido paviršiais, todėl galima naudoti tiek cheminius, tiek mechaninius pašalinimo mechanizmus. Šis dvejopas veikimas užtikrina didesnį planarizacijos greitį esant mažesniam defektų lygiui, todėl CeO₂ suspensijos yra tinkamesnės stiklui, kietųjų diskų padėklams arba pažangiems loginių įrenginių mazgams.
Abrazyvų, priedų ir stabilizatorių funkcinė paskirtis
- Abrazyvai: Atlikite mechaninį šlifavimą. Jų dydis, forma ir koncentracija lemia šalinimo greitį ir paviršiaus apdailą. Pavyzdžiui, vienodi 50 nm silicio dioksido abrazyvai užtikrina švelnų ir tolygų oksido sluoksnių plokštumos formavimą.
- Cheminiai priedai: Užtikrina selektyvų pašalinimą, palengvinant paviršiaus oksidaciją ir tirpimą. Vario CMP glicinas (kaip kompleksodaris) ir vandenilio peroksidas (kaip oksidatorius) veikia sinergiškai, o BTA veikia kaip inhibitorius, apsaugantis vario savybes.
- StabilizatoriaiLaikui bėgant, išlaikykite vienodą suspensijos sudėtį. Paviršinio aktyvumo medžiagos neleidžia susidaryti nuosėdoms ir aglomeracijai, užtikrindamos, kad abrazyvinės dalelės būtų tolygiai disperguotos ir prieinamos procesui.
Unikalios savybės ir naudojimo scenarijai: CeO₂ ir SiO₂ suspensijos
CeO₂ poliravimo suspensijaDėl būdingo cheminio reaktyvumo pasižymi padidintu selektyvumu tarp stiklo ir silicio oksido. Jis ypač efektyvus kietų, trapių substratų arba kompozicinių oksidų sluoksnių planarizavimui, kur labai svarbus didelis medžiagų selektyvumas. Dėl to CeO₂ suspensijos tampa standartu pažangiame substratų paruošime, tikslioje stiklo apdailoje ir specifiniuose seklių tranšėjų izoliacijos (STI) CMP etapuose puslaidininkių pramonėje.
SiO₂ poliravimo suspensijaUžtikrina subalansuotą mechaninio ir cheminio šalinimo derinį. Jis plačiai naudojamas birių oksidų ir tarpsluoksnių dielektrinei plokštumai formuoti, kur reikalingas didelis našumas ir minimalus defektingumas. Vienodas, kontroliuojamas silicio dioksido dalelių dydis taip pat riboja įbrėžimų susidarymą ir užtikrina aukščiausią galutinę paviršiaus kokybę.
Dalelių dydžio ir dispersijos vienodumo svarba
Dalelių dydis ir dispersijos vienodumas yra labai svarbūs suspensijos veikimui. Vienodos, nanometrų dydžio abrazyvinės dalelės garantuoja pastovų medžiagos šalinimo greitį ir defektų neturintį plokštelės paviršių. Aglomeracija sukelia įbrėžimus arba nenuspėjamą poliravimą, o platus dalelių dydžio pasiskirstymas sukelia netolygų planarizavimą ir padidina defektų tankį.
Efektyvus suspensijos koncentracijos valdymas, stebimas tokiomis technologijomis kaip suspensijos tankio matuoklis arba ultragarsiniai suspensijos tankio matavimo prietaisai, užtikrina nuolatinį abrazyvinių medžiagų kiekį ir nuspėjamus proceso rezultatus, tiesiogiai veikiančius išeigą ir įrenginio veikimą. Tikslus tankio valdymas ir vienodas dispersijos užtikrinimas yra pagrindiniai cheminės mechaninės plokštumos formavimo įrangos įrengimo ir proceso optimizavimo reikalavimai.
Apibendrinant galima teigti, kad poliravimo suspensijų formulė, ypač abrazyvinio tipo, dalelių dydžio ir stabilizavimo mechanizmų pasirinkimas ir kontrolė, yra cheminės mechaninės plokštumos formavimo proceso patikimumo ir efektyvumo puslaidininkių pramonėje pagrindas.
Srutų tankio matavimo svarba CMP
Cheminio mechaninio planarizacijos procese tikslus suspensijos tankio matavimas ir valdymas tiesiogiai veikia plokštelių poliravimo efektyvumą ir kokybę. Suspensijos tankis – abrazyvinių dalelių koncentracija poliravimo suspensijoje – veikia kaip centrinė proceso svirtis, formuojanti poliravimo greitį, galutinę paviršiaus kokybę ir bendrą plokštelių išeigą.
Srutų tankio, poliravimo greičio, paviršiaus kokybės ir plokštelių išeigos ryšys
Abrazyvinių dalelių koncentracija CeO₂ poliravimo suspensijoje ar kitoje poliravimo suspensijos formulėje lemia, kaip greitai medžiaga pašalinama nuo plokštelės paviršiaus, tai paprastai vadinama pašalinimo greičiu arba medžiagos pašalinimo greičiu (MRR). Padidėjęs suspensijos tankis paprastai padidina abrazyvinių kontaktų skaičių ploto vienete, taip pagreitindamas poliravimo greitį. Pavyzdžiui, 2024 m. atliktame kontroliuojamame tyrime pranešta, kad padidinus silicio dioksido dalelių koncentraciją iki 5 % masės koloidinėje suspensijoje, 200 mm silicio plokštelių pašalinimo greitis buvo maksimalus. Tačiau šis ryšys nėra tiesinis – egzistuoja mažėjančios grąžos taškas. Esant didesniam suspensijos tankiui, dalelių aglomeracija sukelia plynaukštę arba net pašalinimo greičio sumažėjimą dėl sutrikusios masės pernašos ir padidėjusio klampumo.
Paviršiaus kokybė yra lygiai taip pat jautri ir suspensijos tankiui. Esant didesnei koncentracijai, dažesni tampa tokie defektai kaip įbrėžimai, įsisenėjusios dalelės ir įdubimai. Tame pačiame tyrime pastebėtas tiesinis paviršiaus šiurkštumo padidėjimas ir reikšmingas įbrėžimų tankis, kai suspensijos tankis padidėja virš 8–10 % (masės %). Ir atvirkščiai, tankio sumažinimas sumažina defektų riziką, tačiau gali sulėtinti šalinimą ir pakenkti plokštumai.
Plokštelių išeiga, t. y. plokštelių, atitinkančių proceso specifikacijas po poliravimo, dalis, priklauso nuo šių bendrų efektų. Didesnis defektų skaičius ir netolygus pašalinimas sumažina išeigą, o tai pabrėžia subtilią šiuolaikinės puslaidininkių gamybos našumo ir kokybės pusiausvyrą.
Nedidelių suspensijos koncentracijos pokyčių poveikis CMP procesui
Net ir minimalūs nukrypimai nuo optimalaus suspensijos tankio – vos kelios procento dalys – gali iš esmės paveikti proceso našumą. Jei abrazyvinė koncentracija viršija tikslinę vertę, gali susidaryti dalelių sankaupos, dėl kurių greitai susidėvi pagalvėlės ir kondicionavimo diskai, padidėja paviršiaus įbrėžimų dažnis ir gali užsikimšti ar erozuoti skysčio komponentai cheminės mechaninės plokštumos formavimo įrangoje. Dėl per mažo tankio gali likti liekamosios plėvelės ir nelygios paviršiaus topografijos, kurios apsunkina vėlesnius fotolitografijos etapus ir sumažina našumą.
Sluoksnio tankio skirtumai taip pat turi įtakos cheminėms-mechaninėms reakcijoms ant plokštelės, o tai turi įtakos defektams ir įrenginio veikimui. Pavyzdžiui, mažesnės arba netolygiai išsisklaidusios dalelės praskiestose suspensijose turi įtakos vietiniam pašalinimo greičiui, sukurdamos mikrotopografiją, kuri gali plisti kaip proceso klaidos didelio masto gamyboje. Šie subtilumai reikalauja griežtos suspensijos koncentracijos kontrolės ir patikimo stebėjimo, ypač pažangiuose mazguose.
Realaus laiko srutų tankio matavimas ir optimizavimas
Realaus laiko suspensijos tankio matavimas, įgalintas diegiant integruotus tankio matuoklius, tokius kaip „Lonnmeter“ gaminami ultragarsiniai suspensijos tankio matuokliai, dabar yra standartas pažangiausiose puslaidininkių pramonės srityse. Šie prietaisai leidžia nuolat stebėti suspensijos parametrus, teikiant tiesioginį grįžtamąjį ryšį apie tankio svyravimus, kai suspensija juda per CMP įrankių rinkinius ir paskirstymo sistemas.
Pagrindiniai realaus laiko srutų tankio matavimo privalumai:
- Momentinis neatitikimų specifikacijoms nustatymas, užkertantis kelią defektų plitimui per brangius tolesnius procesus
- Proceso optimizavimas – leidžia inžinieriams palaikyti optimalų suspensijos tankio langą, maksimaliai padidinant pašalinimo greitį ir sumažinant defektų skaičių.
- Pagerintas plokštelių ir partijų nuoseklumas, o tai reiškia didesnę bendrą gamybos išeigą
- Ilgalaikė įrangos būklė, nes per daug arba per mažai koncentruotos suspensijos gali pagreitinti poliravimo pagalvėlių, maišytuvų ir paskirstymo vandentiekio susidėvėjimą
CMP įrangos montavimo vietos paprastai nukreipia mėginių kilpas arba recirkuliacijos linijas per matavimo zoną, užtikrinant, kad tankio rodmenys atspindėtų faktinį srautą, tiekiamą į plokšteles.
Tikslus ir realiuoju laikusrutų tankio matavimassudaro tvirtų suspensijos tankio kontrolės metodų pagrindą, palaikantį tiek nusistovėjusias, tiek naujas poliravimo suspensijų formules, įskaitant sudėtingas cerio oksido (CeO₂) suspensijas, skirtas pažangiam tarpsluoksniui ir oksido CMP. Šio svarbaus parametro išlaikymas tiesiogiai susijęs su našumu, sąnaudų kontrole ir įrenginio patikimumu viso cheminio mechaninio planarizacijos proceso metu.
Srutų tankio matavimo principai ir technologijos
Poliravimo suspensijos tankis apibūdina kietųjų dalelių masę tūrio vienete, pavyzdžiui, cerio oksido (CeO₂) formulėse, naudojamose cheminio mechaninio planarizavimo (CMP) procese. Šis kintamasis lemia medžiagų pašalinimo greitį, išvesties vienodumą ir defektų lygį poliruotuose vafliniuose plokšteliuose. Efektyvus suspensijos tankio matavimas yra gyvybiškai svarbus pažangiai suspensijos koncentracijos kontrolei, tiesiogiai įtakojančiai išeigą ir defektų kiekį puslaidininkių pramonėje.
KMP operacijose naudojama įvairių tipų suspensijos tankio matuokliai, kurių kiekvienas taiko skirtingus matavimo principus. Gravimetriniai metodai remiasi nustatyto suspensijos tūrio surinkimu ir svėrimu, pasižymi dideliu tikslumu, tačiau trūksta realaus laiko galimybių ir yra nepraktiški nuolatiniam naudojimui KMP įrangos montavimo vietose. Elektromagnetiniai tankio matuokliai naudoja elektromagnetinius laukus tankiui nustatyti, remdamiesi laidumo ir dielektrinio skvarbos pokyčiais dėl suspenduotų abrazyvinių dalelių. Vibracijos matuokliai, tokie kaip vibruojančių vamzdelių densitometrai, matuoja suspensija užpildyto vamzdžio dažnio atsaką; tankio pokyčiai turi įtakos vibracijos dažniui, todėl galima nuolat stebėti. Šios technologijos palaiko tiesioginį stebėjimą, tačiau gali būti jautrios užsiteršimui ar cheminiams pokyčiams.
Ultragarsiniai suspensijos tankio matuokliai yra svarbi technologinė pažanga, skirta realiuoju laiku stebėti tankį cheminio-mechaninio planarizacijos metu. Šie prietaisai skleidžia ultragarso bangas per suspensiją ir matuoja garso sklidimo laiką arba greitį. Garso greitis terpėje priklauso nuo jos tankio ir kietųjų dalelių koncentracijos, todėl galima tiksliai nustatyti suspensijos savybes. Ultragarsinis mechanizmas labai tinka abrazyvinėms ir chemiškai agresyvioms aplinkoms, būdingoms CMP, nes jis nėra invazinis ir sumažina jutiklių užsiteršimą, palyginti su tiesioginio kontakto matuokliais. „Lonnmeter“ gamina integruotus ultragarsinius suspensijos tankio matuoklius, pritaikytus puslaidininkių pramonės CMP linijoms.
Ultragarsinių srutų tankio matuoklių privalumai:
- Neįsikišantis matavimas: jutikliai paprastai montuojami išorėje arba apeinamojo srauto elementuose, taip sumažinant srutos trikdymą ir išvengiant jutimo paviršių dilimo.
- Realaus laiko galimybės: Nuolatinis išėjimas leidžia nedelsiant koreguoti procesą, užtikrinant, kad suspensijos tankis išliktų nustatytuose parametruose, siekiant optimalios plokštelių poliravimo kokybės.
- Didelis tikslumas ir patikimumas: ultragarsiniai skaitytuvai užtikrina stabilius ir pakartojamus rodmenis, kuriems įtakos neturi svyruojanti srutų cheminė sudėtis ar kietųjų dalelių apkrova ilgalaikėse instaliacijose.
- Integracija su CMP įranga: Jų konstrukcija leidžia montuoti įrenginius recirkuliacinėse srutų linijose arba tiekimo kolektoriuose, taip supaprastinant proceso valdymą be ilgų prastovų.
Naujausi puslaidininkių gamybos atvejų tyrimai rodo, kad defektų skaičius sumažėja iki 30 %, kai ultragarsinis tankio stebėjimas papildo cheminio mechaninio planarizacijos įrangos įrengimą cerio oksido (CeO₂) poliravimo suspensijos procesams. Automatinis grįžtamasis ryšys iš ultragarsinių jutiklių leidžia griežčiau kontroliuoti poliravimo suspensijos formules, todėl pagerėja storio vienodumas ir sumažėja medžiagų atliekos. Ultragarsiniai tankio matuokliai, derinami su patikimais kalibravimo protokolais, išlaiko patikimą veikimą net ir esant suspensijos sudėties pokyčiams, kurie dažnai pasitaiko sudėtingose CMP operacijose.
Apibendrinant galima teigti, kad kietojo metalo vatos tankio matavimas realiuoju laiku, ypač naudojant ultragarso technologiją, tapo pagrindiniu tikslių kietojo metalo vatos tankio kontrolės metodų elementu CMP srityje. Šie pasiekimai tiesiogiai pagerina puslaidininkių pramonės išeigą, proceso efektyvumą ir plokštelių kokybę.
Įdiegimo vietos ir integravimas į CMP sistemas
Tinkamas suspensijos tankio matavimas yra gyvybiškai svarbus kontroliuojant suspensijos koncentraciją cheminio mechaninio planarizacijos procese. Efektyvių suspensijos tankio matuoklių įrengimo taškų pasirinkimas tiesiogiai veikia tikslumą, proceso stabilumą ir plokštelių kokybę.
Svarbiausi veiksniai renkantis montavimo taškus
KMP sistemose tankio matuokliai turėtų būti išdėstyti taip, kad būtų galima stebėti faktinį diskų, naudojamų plokštelių poliravimui, kiekį. Pagrindinės montavimo vietos apima:
- Recirkuliacinis bakas:Matuoklio pastatymas prie išleidimo angos leidžia įvertinti pagrindinės suspensijos būklę prieš paskirstymą. Tačiau šioje vietoje gali būti nepastebėti pokyčiai, vykstantys toliau pasroviui, pavyzdžiui, burbuliukų susidarymas ar vietiniai terminiai efektai.
- Pristatymo linijos:Įrengiant po maišymo įrenginių ir prieš įeinant į paskirstymo kolektorius, užtikrinama, kad tankio matavimas atspindėtų galutinę suspensijos formulę, įskaitant cerio oksido (CeO₂) poliravimo suspensiją ir kitus priedus. Ši padėtis leidžia greitai aptikti suspensijos koncentracijos pokyčius prieš pat apdorojant plokšteles.
- Naudojimo vietos stebėjimas:Optimali vieta yra tiesiai prieš naudojimo vietos vožtuvą arba įrankį. Tai fiksuoja realaus laiko suspensijos tankį ir įspėja operatorius apie proceso sąlygų nukrypimus, kurie gali atsirasti dėl linijos įkaitimo, segregacijos ar mikroburbulų susidarymo.
Renkantis įrengimo vietas, reikia atsižvelgti į papildomus veiksnius, tokius kaip srauto režimas, vamzdžių orientacija ir artumas prie siurblių ar vožtuvų:
- Palankumasvertikalus montavimassu aukštyn nukreiptu srautu, kad būtų sumažintas oro burbuliukų ir nuosėdų kaupimasis ant jutiklio elemento.
- Kad išvengtumėte rodmenų klaidų dėl srauto sutrikimų, tarp skaitiklio ir pagrindinių turbulencijos šaltinių (siurblių, vožtuvų) palaikykite kelis vamzdžių skersmenis.
- Naudojimassrauto kondicionavimas(tiesinimo arba raminimo sekcijos) tankio matavimui įvertinti pastovioje laminarinėje aplinkoje.
Dažniausi iššūkiai ir geriausia praktika patikimam jutiklių integravimui
CMP srutų sistemos kelia keletą integravimo iššūkių:
- Oro įtraukimas ir burbuliukai:Ultragarsiniai suspensijos tankio matuokliai gali neteisingai parodyti tankį, jei yra mikroburbuliukų. Venkite dėti jutiklius šalia oro patekimo vietų arba staigių srauto perėjimų, kurie dažnai pasitaiko šalia siurblių išleidimo angų arba maišymo bakų.
- Sedimentacija:Horizontaliose linijose jutikliai gali susidurti su nusėdusiomis kietosiomis dalelėmis, ypač naudojant CeO₂ poliravimo suspensiją. Siekiant tiksliai kontroliuoti suspensijos tankį, rekomenduojama montuoti vertikaliai arba pozicionuoti virš galimų nusėdimo zonų.
- Jutiklio užsiteršimas:CMP suspensijose yra abrazyvinių ir cheminių medžiagų, kurios gali užteršti jutiklį arba padengti jį danga. „Lonnmeter“ linijiniai prietaisai yra sukurti taip, kad tai būtų sumažinta, tačiau reguliari apžiūra ir valymas išlieka būtini patikimumui užtikrinti.
- Mechaninės vibracijos:Arti aktyvių mechaninių įtaisų esantis įrenginys gali sukelti triukšmą jutiklyje, o tai gali sumažinti matavimo tikslumą. Pasirinkite montavimo taškus, kuriuose vibracijos poveikis būtų minimalus.
Geriausiems integracijos rezultatams pasiekti:
- Montavimui naudokite laminarinio srauto sekcijas.
- Užtikrinkite vertikalų išdėstymą, kai tik įmanoma.
- Užtikrinkite lengvą prieigą periodinei techninei priežiūrai ir kalibravimui.
- Izoliuokite jutiklius nuo vibracijos ir srauto sutrikimų.
CMP
*
Srutų koncentracijos kontrolės strategijos
Efektyvus suspensijos koncentracijos valdymas cheminio mechaninio planarizacijos procese yra būtinas norint išlaikyti pastovų medžiagos šalinimo greitį, sumažinti plokštelių paviršiaus defektus ir užtikrinti vienodumą puslaidininkinėse plokštelėse. Šiam tikslumui pasiekti naudojami keli metodai ir technologijos, užtikrinančios tiek supaprastintas operacijas, tiek didelį įrenginio našumą.
Optimalios srutų koncentracijos palaikymo metodai ir priemonės
Suspensijos koncentracijos kontrolė prasideda nuo abrazyvinių dalelių ir cheminių medžiagų stebėjimo poliravimo suspensijoje realiuoju laiku. Cerio oksido (CeO₂) poliravimo suspensijai ir kitoms CMP formulėms esminiai yra tiesioginiai metodai, tokie kaip integruotas suspensijos tankio matavimas. Ultragarsiniai suspensijos tankio matuokliai, pavyzdžiui, „Lonnmeter“ gaminami, užtikrina nuolatinius suspensijos tankio matavimus, kurie stipriai koreliuoja su bendru kietųjų dalelių kiekiu ir vienodumu.
Papildomi metodai apima drumstumo analizę, kai optiniai jutikliai aptinka sklaidą nuo suspenduotų abrazyvinių dalelių, ir spektroskopinius metodus, tokius kaip UV-Vis arba artimojo infraraudonojo spektro (NIR) spektroskopija, siekiant kiekybiškai įvertinti pagrindinius reagentus suspensijos sraute. Šie matavimai sudaro CMP proceso valdymo sistemų pagrindą, leidžiantį atlikti tiesioginius koregavimus, siekiant išlaikyti tikslinius koncentracijos langus ir sumažinti kintamumą tarp partijų.
Elektrocheminiai jutikliai naudojami formulėse, kuriose gausu metalo jonų, teikiant greito reagavimo informaciją apie konkrečias jonų koncentracijas ir palaikant tolesnį tikslinimą pažangiose puslaidininkių pramonės srityse.
Grįžtamojo ryšio kilpos ir automatizavimas uždaros kilpos valdymui
Šiuolaikinėse cheminio-mechaninio planarizacijos įrangos instaliacijose vis dažniau naudojamos uždaros kilpos valdymo sistemos, kurios sujungia linijinę metrologiją su automatinėmis dozavimo sistemomis. Duomenys iš suspensijos tankio matuoklių ir susijusių jutiklių tiekiami tiesiai į programuojamus loginius valdiklius (PLC) arba paskirstytas valdymo sistemas (DCS). Šios sistemos automatiškai įjungia vožtuvus, skirtus papildyti vandenį, dozuoti koncentruotą suspensiją ir net stabilizatoriaus įpurškimą, užtikrinant, kad procesas visada išliktų reikiamuose veikimo diapazonuose.
Ši grįžtamojo ryšio architektūra leidžia nuolat koreguoti bet kokius realaus laiko jutiklių aptiktus nuokrypius, vengiant per didelio skiedimo, išsaugant optimalią abrazyvų koncentraciją ir mažinant perteklinį cheminių medžiagų naudojimą. Pavyzdžiui, didelio našumo CMP įrankyje, skirtame pažangiems plokštelių mazgams, integruotas ultragarsinis suspensijos tankio matuoklis aptiks abrazyvų koncentracijos sumažėjimą ir nedelsdamas duos signalą dozavimo sistemai padidinti suspensijos įvedimą, kol tankis grįš į nustatytąją vertę. Ir atvirkščiai, jei išmatuotas tankis viršija specifikaciją, valdymo logika inicijuoja papildomo vandens įpylimą, kad būtų atkurtos teisingos koncentracijos.
Tankio matavimo vaidmuo reguliuojant papildymo vandens ir srutų įterpimo normas
Srutų tankio matavimas yra aktyvios koncentracijos kontrolės pagrindas. Tokių prietaisų kaip „Lonnmeter“ integruoti tankio matuokliai pateikiama tankio vertė tiesiogiai informuoja apie du svarbiausius veikimo parametrus: papildomo vandens kiekį ir koncentruotų srutų tiekimo greitį.
Įrengus tankio matuoklius strateginiuose taškuose, pavyzdžiui, prieš CMP įrankio įvestį arba po naudojimo vietos maišytuvo, realaus laiko duomenys leidžia automatizuotoms sistemoms reguliuoti papildomo vandens įpylimo greitį, taip praskiedžiant suspensiją iki norimų specifikacijų. Tuo pačiu metu sistema gali moduliuoti koncentruotos suspensijos tiekimo greitį, kad būtų tiksliai palaikomos abrazyvinių ir cheminių medžiagų koncentracijos, atsižvelgiant į įrankių naudojimą, senėjimo poveikį ir proceso sukeltus nuostolius.
Pavyzdžiui, atliekant ilgus 3D NAND struktūrų planarizacijos procesus, nuolatinis tankio stebėjimas aptinka suspensijos agregaciją arba nusėdimo tendencijas, todėl automatiškai padidėja papildomo vandens kiekis arba maišymas, jei to reikia proceso stabilumui užtikrinti. Ši griežtai reguliuojama valdymo grandinė yra esminė siekiant išlaikyti griežtus plokštelių tarpusavio ir plokštelėse esančių vienodumo tikslus, ypač siaurėjant įrenginio matmenims ir proceso langams.
Apibendrinant galima teigti, kad suspensijos koncentracijos valdymo strategijos CMP gamybos procese remiasi pažangių matavimų linijoje ir automatizuotų uždaros grandinės atsakų deriniu. Suspensijos tankio matuokliai, ypač ultragarsiniai įrenginiai, tokie kaip „Lonnmeter“, atlieka pagrindinį vaidmenį teikiant didelės skiriamosios gebos, savalaikius duomenis, reikalingus griežtam procesų valdymui svarbiausiuose puslaidininkių gamybos etapuose. Šios priemonės ir metodikos sumažina kintamumą, palaiko tvarumą optimizuodamos cheminių medžiagų naudojimą ir užtikrina tikslumą, reikalingą šiuolaikinėms mazgų technologijoms.
Puslaidininkių pramonės srutų tankio matuoklio parinkimo vadovas
Renkantis cheminio mechaninio planarizavimo (CMP) suspensijos tankio matuoklį puslaidininkių pramonėje, reikia atidžiai atsižvelgti į įvairius techninius reikalavimus. Pagrindiniai našumo ir taikymo kriterijai apima jautrumą, tikslumą, suderinamumą su agresyviomis suspensijos cheminėmis medžiagomis ir lengvą integravimą į CMP suspensijos tiekimo sistemas ir įrangos instaliacijas.
Jautrumo ir tikslumo reikalavimai
CMP proceso valdymas priklauso nuo nedidelių suspensijos sudėties pokyčių. Tankio matuoklis turi aptikti minimalius 0,001 g/cm³ ar didesnius pokyčius. Toks jautrumo lygis yra būtinas norint nustatyti net labai nedidelius abrazyvinių medžiagų kiekio pokyčius, tokius kaip CeO₂ poliravimo suspensijoje arba silicio dioksido pagrindu pagamintose suspensijose, nes jie turi įtakos medžiagos šalinimo greičiui, plokštelių plokštumai ir defektams. Tipinis priimtinas puslaidininkių suspensijos tankio matuoklių tikslumo diapazonas yra ±0,001–0,002 g/cm³.
Suderinamumas su agresyviomis srutomis
CMP naudojamose suspensijose gali būti abrazyvinių nanodalelių, tokių kaip cerio oksidas (CeO₂), aliuminio oksidas arba silicio dioksidas, suspenduotų chemiškai aktyvioje terpėje. Tankio matuoklis turi atlaikyti ilgalaikį fizinį dilimą ir korozinę aplinką, neiškrisdamas iš kalibravimo ribų ir neužsiteršdamas. Drėgnose dalyse naudojamos medžiagos turi būti inertiškos visoms dažniausiai naudojamoms suspensijų cheminėms medžiagoms.
Integracijos paprastumas
Integruoti srutų tankio matuokliai turi lengvai tilpti į esamą CMP įrangos instaliaciją. Svarstytini klausimai:
- Minimalus negyvas tūris ir mažas slėgio kritimas, kad nebūtų įtakos srutų tiekimui.
- Palaikymas standartinėms pramoninių procesų jungtims, užtikrinančioms greitą montavimą ir priežiūrą.
- Išvesties suderinamumas (pvz., analoginiai / skaitmeniniai signalai), skirtas integravimui realiuoju laiku su srutų koncentracijos valdymo sistemomis, tačiau pačių sistemų neužtikrinus.
Pirmaujančių jutiklių technologijų lyginamosios savybės
Poliravimo suspensijų tankis daugiausia kontroliuojamas dviejų tipų jutikliais: densitometrijos ir refraktometrijos pagrindu veikiančiais matuokliais. Kiekvienas iš jų turi privalumų, svarbių puslaidininkių pramonės taikymams.
Densitometrijos pagrindu veikiantys matuokliai (pvz., ultragarsinis srutų tankio matuoklis)
- Naudoja garso sklidimo greitį per suspensiją, tiesiogiai susijusį su tankiu.
- Užtikrina aukštą tankio matavimo tiesiškumą esant įvairioms suspensijos koncentracijoms ir abrazyvų tipams.
- Puikiai tinka agresyviems poliravimo mišiniams, įskaitant CeO₂ ir silicio dioksido formules, nes jutimo elementai gali būti fiziškai izoliuoti nuo cheminių medžiagų.
- Tipinis jautrumas ir tikslumas atitinka mažesnio nei 0,001 g/cm³ reikalavimą.
- Paprastai montuojama linijoje, todėl cheminės mechaninės plokštumos formavimo įrangos veikimo metu galima nuolat matuoti realiuoju laiku.
Refraktometrijos pagrindu veikiantys matuokliai
- Matuoja lūžio rodiklį, kad būtų galima nustatyti suspensijos tankį.
- Efektyviai aptinka nedidelius suspensijos sudėties pokyčius dėl didelio jautrumo koncentracijos pokyčiams; geba išskirti <0,1 % masės dalies pokyčius.
- Tačiau lūžio rodiklis yra jautrus aplinkos kintamiesiems, tokiems kaip temperatūra, todėl reikia kruopštaus kalibravimo ir temperatūros kompensacijos.
- Gali turėti ribotą cheminį suderinamumą, ypač labai agresyviuose arba neskaidriuose srutuose.
Dalelių dydžio metrologija kaip papildymas
- Tankio rodmenis gali iškreipti dalelių dydžio pasiskirstymo arba aglomeracijos pokyčiai.
- Geriausia pramonės praktika rekomenduoja integraciją su periodine dalelių dydžio analize (pvz., dinaminiu šviesos sklaidos metodu arba elektronine mikroskopija), užtikrinant, kad tariamojo tankio pokyčiai neatsirastų vien dėl dalelių aglomeracijos.
Svarstymai, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis linijinius tankio matuoklius „Lonnmeter“
- „Lonnmeter“ specializuojasi integruotų tankio ir klampumo matuoklių gamyboje, neteikdama pagalbinės programinės įrangos ar sistemų integracijų.
- Ilgio matuokliai gali būti atsparūs abrazyvinėms, chemiškai aktyvioms CMP suspensijoms ir yra skirti tiesioginiam montavimui puslaidininkių procesų įrangoje, tenkinant realaus laiko suspensijos tankio matavimo poreikius.
Peržiūrėdami galimybes, sutelkite dėmesį į pagrindinius taikymo kriterijus: įsitikinkite, kad tankio matuoklis pasiekia reikiamą jautrumą ir tikslumą, yra pagamintas iš medžiagų, suderinamų su jūsų suspensijos chemija, atlaiko nuolatinį veikimą ir sklandžiai integruojasi į poliravimo suspensijos tiekimo linijas CMP procese. Puslaidininkių pramonėje tikslus suspensijos tankio matavimas yra plokštelių vienodumo, išeigos ir gamybos našumo pagrindas.
Efektyvaus srutų tankio kontrolės poveikis CMP rezultatams
Tikslus suspensijos tankio valdymas yra labai svarbus cheminio mechaninio plokštumos formavimo procese. Kai tankis išlieka pastovus, poliravimo metu esančių abrazyvinių dalelių kiekis išlieka stabilus. Tai tiesiogiai veikia medžiagos pašalinimo greitį (MRR) ir plokštelės paviršiaus kokybę.
Plokštelių paviršiaus defektų sumažinimas ir patobulintas WIWNU
Įrodyta, kad optimalaus suspensijos tankio palaikymas sumažina plokštelių paviršiaus defektus, tokius kaip mikroįbrėžimai, įdubimai, erozija ir dalelių užterštumas. 2024 m. atlikti tyrimai rodo, kad kontroliuojamas tankio diapazonas, paprastai nuo 1 iki 5 masės % koloidinio silicio pagrindo formulėms, užtikrina geriausią pusiausvyrą tarp pašalinimo efektyvumo ir defektų mažinimo. Pernelyg didelis tankis padidina abrazyvinių susidūrimų skaičių, todėl defektų skaičius kvadratiniame centimetre padidėja du ar tris kartus, tai patvirtina atominės jėgos mikroskopijos ir elipsometrijos analizės. Griežtas tankio valdymas taip pat pagerina plokštelės vidinį nevienodumą (WIWNU), užtikrindamas, kad medžiaga būtų pašalinama tolygiai per visą plokštelę, o tai yra labai svarbu pažangiems mazginiams puslaidininkiniams įtaisams. Pastovus tankis padeda išvengti proceso nukrypimų, kurie galėtų pakenkti plėvelės storiui arba plokštumai.
Srutų naudojimo laiko pailginimas ir eksploatacinių medžiagų kainos sumažinimas
Suspensijos koncentracijos valdymo metodai, įskaitant stebėjimą realiuoju laiku ultragarsiniais suspensijos tankio matuokliais, pailgina CMP poliravimo suspensijos naudojimo laiką. Užkirsdama kelią perdozavimui ar per dideliam skiedimui, cheminio mechaninio planarizacijos įranga optimaliai sunaudoja eksploatacines medžiagas. Šis metodas sumažina suspensijos keitimo dažnumą ir leidžia taikyti perdirbimo strategijas, taip sumažinant bendras išlaidas. Pavyzdžiui, CeO₂ poliravimo suspensijos taikymuose kruopštus tankio palaikymas leidžia atnaujinti suspensijos partijas ir sumažinti atliekų kiekį neprarandant našumo. Efektyvus tankio valdymas leidžia procesų inžinieriams atgauti ir pakartotinai naudoti poliravimo suspensiją, kuri neviršija priimtinų našumo ribų, o tai dar labiau padidina išlaidų taupymą.
Patobulintas pakartojamumas ir procesų valdymas pažangiai mazgų gamybai
Šiuolaikinės puslaidininkių pramonės taikymai reikalauja didelio cheminio-mechaninio planarizacijos etapo pakartojamumo. Pažangioje mazgų gamyboje net ir nedideli suspensijos tankio svyravimai gali sukelti nepriimtinus plokštelių rezultatų skirtumus. Integruotų ultragarsinių suspensijos tankio matuoklių, tokių kaip „Lonnmeter“ gaminami, automatizavimas ir integravimas leidžia nuolat gauti grįžtamąjį ryšį realiuoju laiku proceso valdymui. Šie prietaisai atlieka tikslius matavimus atšiaurioje cheminėje aplinkoje, būdingoje CMP, palaikydami uždaros kilpos sistemas, kurios nedelsdamos reaguoja į nukrypimus. Patikimas tankio matavimas reiškia didesnį vienodumą nuo plokštelės iki plokštelės ir griežtesnę MRR kontrolę, o tai yra gyvybiškai svarbu gaminant puslaidininkius, kurių technologinis procesas yra mažesnis nei 7 nm. Tinkamas įrangos montavimas – teisingas padėtis suspensijos tiekimo linijoje – ir reguliari priežiūra yra būtini norint užtikrinti patikimą matuoklių veikimą ir pateikti duomenis, svarbius proceso stabilumui.
Tinkamo suspensijos tankio palaikymas yra esminis dalykas siekiant maksimaliai padidinti produkto išeigą, sumažinti defektus ir užtikrinti ekonomišką gamybą CMP procesuose.
Dažnai užduodami klausimai (DUK)
Kokia yra suspensijos tankio matuoklio funkcija cheminio mechaninio planarizacijos procese?
Šlapiasmulkių tankio matuoklis atlieka itin svarbų vaidmenį cheminio mechaninio planarizacijos procese, nuolat matuodamas poliravimo šlapiukų tankį ir koncentraciją. Pagrindinė jo funkcija – teikti realaus laiko duomenis apie abrazyvų ir cheminių medžiagų balansą šlapiukuose, užtikrinant, kad abu šie rodikliai neviršytų tikslių ribų, reikalingų optimaliam plokštelių planarizacijos procesui. Ši realiojo laiko kontrolė apsaugo nuo defektų, tokių kaip įbrėžimai ar netolygus medžiagos pašalinimas, kurie dažnai pasitaiko per daug arba nepakankamai praskiestų šlapiukų mišinių atveju. Nuolatinis šlapiukų tankis padeda išlaikyti atkuriamumą tarp gamybos etapų, sumažina plokštelių skirtumus ir padeda optimizuoti procesą, inicijuodamas korekcinius veiksmus, jei aptinkami nukrypimai. Pažangioje puslaidininkių gamyboje ir didelio patikimumo srityse nuolatinis stebėjimas taip pat sumažina atliekas ir palaiko griežtas kokybės užtikrinimo priemones.
Kodėl puslaidininkių pramonėje tam tikriems planarizacijos etapams pageidaujamas CeO₂ poliravimo skystis?
Cerio oksido (CeO₂) poliravimo suspensija parenkama specifiniams puslaidininkių planarizacijos etapams dėl išskirtinio selektyvumo ir cheminio afiniteto, ypač stiklo ir oksido plėvelėms. Jos vienodos abrazyvinės dalelės užtikrina aukštos kokybės planarizaciją su labai mažu defektų skaičiumi ir minimaliu paviršiaus įbrėžimu. CeO₂ cheminės savybės leidžia pasiekti stabilų ir pakartojamą pašalinimo greitį, kuris yra būtinas pažangioms reikmėms, tokioms kaip fotonika ir didelio tankio integriniai grandynai. Be to, CeO₂ suspensija yra atspari aglomeracijai, išlaikant pastovią suspensiją net ir ilgų CMP operacijų metu.
Kaip veikia ultragarsinis srutų tankio matuoklis, palyginti su kitais matavimo tipais?
Ultragarsinis suspensijos tankio matuoklis veikia perduodamas garso bangas per suspensiją ir matuodamas šių bangų greitį bei slopinimą. Suspensijos tankis tiesiogiai veikia bangų sklidimo greitį ir jų intensyvumo mažėjimo laipsnį. Šis matavimo metodas yra neinvazinis ir pateikia suspensijos koncentracijos duomenis realiuoju laiku, nereikalaujant izoliuoti ar fiziškai sutrikdyti proceso srauto. Ultragarsiniai metodai yra mažiau jautrūs tokiems kintamiesiems kaip srauto greitis ar dalelių dydis, palyginti su mechaninėmis (plūdės pagrindu) arba gravimetrinėmis tankio matavimo sistemomis. Cheminės-mechaninės planarizacijos atveju tai reiškia patikimus ir tikslius matavimus net ir didelio srauto, dalelių gausiose suspensijose.
Kur CMP sistemoje paprastai turėtų būti montuojami srutų tankio matuokliai?
Optimalios srutų tankio matuoklio įrengimo vietos cheminio mechaninio planarizacijos įrangoje:
- Recirkuliacinis bakas: skirtas nuolat stebėti bendrą srutų tankį prieš paskirstymą.
- Prieš tiekiant į naudojimo vietą poliravimo padui: siekiant užtikrinti, kad tiekiama suspensija atitiktų tikslinio tankio specifikacijas.
- Po suspensijos maišymo taškų: užtikrinimas, kad naujai paruoštos partijos atitiktų reikiamas formules prieš patenkant į proceso ciklą.
Šios strateginės pozicijos leidžia greitai aptikti ir ištaisyti bet kokį suspensijos koncentracijos nuokrypį, užkertant kelią plokštelių kokybės pablogėjimui ir proceso sutrikimams. Išdėstymą lemia suspensijos srauto dinamika, tipiškas maišymo elgesys ir būtinybė nedelsiant gauti grįžtamąjį ryšį šalia planarizacijos padėklo.
Kaip tikslus suspensijos koncentracijos valdymas pagerina CMP proceso našumą?
Tikslus suspensijos koncentracijos valdymas pagerina cheminio mechaninio planarizacijos procesą, užtikrindamas vienodą šalinimo greitį, sumažindamas lakšto varžos kitimą ir paviršiaus defektų dažnį. Stabilus suspensijos tankis pailgina poliravimo pagalvėlės ir plokštelės tarnavimo laiką, nes apsaugo nuo abrazyvo per didelio ar nepakankamo naudojimo. Tai taip pat sumažina proceso sąnaudas, optimizuojant suspensijos sunaudojimą, sumažinant pakartotinio apdorojimo poreikį ir palaikant didesnę puslaidininkinių įtaisų išeigą. Ypač pažangios gamybos ir kvantinių įtaisų gamyboje griežta suspensijos kontrolė padeda atkurti plokštumą, užtikrinti pastovų elektrinį našumą ir sumažinti nuotėkį įvairiose įrenginių architektūrose.
Įrašo laikas: 2025 m. gruodžio 9 d.
