Le polissage mécano-chimique (CMP) est la seule technologie clé capable d'obtenir une planarisation de la surface des plaquettes, capable de réduire la rugosité de la surface à un niveau inférieur au nanomètre. Le principe de base du CMP est que la suspension réagit chimiquement avec la surface de la plaquette pour former une couche ramollie, qui est ensuite éliminée par friction mécanique, enlèvement de matière et planarisation de la surface de la plaquette.
Les caractéristiques structurelles de la surface (rugosité, motif des rainures, etc.) et les propriétés du matériau (dureté, module élastique, etc.) du tampon de polissage sont des facteurs importants affectant le CMP. Le tampon de polissage influence directement les résultats de polissage de la plaquette.
01 Caractéristiques structurelles de la surface du tampon de polissage
● Microtopographie de surface du tampon de polissage
Les tampons de polissage sont généralement remplis de micropores sur la surface, qui peuvent stocker et transporter la boue et les particules abrasives, résister aux attaques chimiques de la boue et éliminer rapidement les sous-produits de polissage, affectant ainsi l'enlèvement de matière.
En fonction de leurs caractéristiques structurelles, les tampons de polissage commerciaux courants sont classés en trois types : type à mailles (tissu amortisseur), type à fibres (cuir synthétique) et type microporeux (polyuréthane). Comparé aux deux autres, le tampon maillé a une meilleure compressibilité et une meilleure capacité de transport de boue, et sa dureté inférieure le rend moins susceptible de provoquer des rayures lors du polissage fin. Les types de fibres et de polyuréthane, en raison de leur dureté et de leur structure spécifiques, sont principalement utilisés pour le polissage grossier et le polissage de matériaux non métalliques.
La géométrie et la répartition des micropores affectent la résistance de la surface et la densité du tampon. Les caractéristiques de porosité et de densité sont principalement reflétées par le coefficient de Poisson (ν). La résistance de la surface diminue avec l'augmentation de la porosité. Des pores de plus grand diamètre améliorent la capacité de transport, mais des pores trop grands peuvent réduire la densité et la résistance du tampon.
Les changements dans la taille et la structure des micropores affectent également les performances de polissage. L'optimisation de la structure des micropores peut améliorer l'état de contact entre le tampon et la tranche. L'exploration de la relation synergique entre le chargement mécanique à l'interface et les réactions chimiques de la boue permet de mieux contrôler le taux d'enlèvement de matière CMP.
● Textures des rainures de surface du tampon de polissage
Les rainures sur la surface de la plateforme ont deux objectifs : d'une part, elles améliorent la capacité de la plateforme à stocker et à transporter le lisier, améliorant ainsi son écoulement ; d'autre part, il modifie le coefficient de frottement et la contrainte de cisaillement à la surface du patin. Le tableau ci-dessous présente les rainures typiques des plots de la série IC fabriqués par Rohm Haas, largement utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. En comparant IC1010 à IC1000, IC1010 présente des rainures plus profondes et plus denses, ce qui entraîne une action mécanique plus forte des aspérités du tampon et des particules abrasives, ainsi qu'une action chimique plus forte, conduisant à une capacité d'enlèvement de matière plus élevée.
Les modèles de rainures courants incluent les types logarithmiques radiaux, en grille, annulaires et en spirale. Dans la figure ci-dessous, (a)‑(d) représentent des pads à motif unique, tandis que (e)‑(g) sont des pads à motif composite. Les tampons composites fonctionnent généralement mieux que les tampons à motif unique, et les tampons logarithmiques en spirale négatifs peuvent améliorer considérablement le taux de polissage.
● Aspérités des tampons
Les saillies rugueuses sur la surface du tampon sont élastiques pour éviter de provoquer des rayures excessives et irréparables sur la plaquette. Le profil microscopique de la hauteur de la surface du tampon suit généralement une distribution gaussienne ou exponentielle.
La hauteur moyenne des aspérités (Rpk) affecte fortement le taux d'enlèvement de matière (MRR). Sans conditionnement des tampons, le MRR diminue avec le temps de polissage ; si Rpk est restauré par conditionnement, MRR revient proche de son niveau d'origine. L'usure pendant le polissage et le conditionnement ultérieur entraînent des changements continus dans la rugosité réelle du tampon. Les variations de rugosité, de diamètre d'aspérité et de répartition de la rugosité affectent directement le MRR.
02 Propriétés matérielles du tampon de polissage
Les propriétés physiques et chimiques du matériau du tampon affectent l'état de contact et la force de contact à l'interface de polissage (plaquette-boue-tampon), influençant ainsi le taux d'enlèvement de matière et la rugosité de la surface de la plaquette.
● Paramètres de propriétés mécaniques
La dureté et le module élastique sont deux paramètres mécaniques importants. Les tampons durs sont utilisés dans les étapes de polissage grossier où des taux d'enlèvement élevés sont requis, mais une dureté excessive peut endommager la surface et entraîner un enlèvement de matière non uniforme. Les tampons souples sont généralement utilisés dans les étapes de polissage fin avec de faibles exigences de rugosité. Un tampon avec un dessus rigide et un dessous souple peut améliorer l'uniformité du MRR, mais a tendance à avoir une zone d'exclusion de bord plus grande ; à l'inverse, un tampon avec un dessus souple et un dessous dur peut réduire la zone d'exclusion des bords et obtenir une meilleure qualité de surface.
● Caractéristiques chimiques
Le tampon doit avoir une bonne stabilité chimique et une bonne hydrophilie. Le polyuréthane présente un effet de mémoire de forme, le taux de récupération de forme augmentant avec la température.
Dans la production de tampons CMP, les réactions chimiques impliquent principalement des polyols et des isocyanates. Les principales matières premières comprennent des prépolymères, des allongeurs de chaîne/agents de réticulation, des agents moussants, des catalyseurs et d'autres additifs fonctionnels. En contrôlant les concentrations et les ratios de réactifs, diverses propriétés matérielles du tampon peuvent être améliorées. Les groupes actifs du tampon, tels que les groupes hydroxyle et amide, jouent également un rôle important : ils améliorent la couche de redéposition des matériaux de polissage et atténuent les problèmes de qualité de surface causés par l'usure mécanique. De plus, une modification physique et chimique du matériau du tampon peut améliorer ses performances.
De plus, pendant le CMP, la surface du patin subit des forces de charge et de cisaillement, provoquant un écoulement plastique et une planarisation des aspérités – un phénomène connu sous le nom de vitrage. Le conditionnement des tampons peut améliorer le vitrage et la porosité des surfaces, tout en maintenant des performances de polissage stables.
Technologies de conditionnement pour tampons de polissage
Actuellement, les techniques de conditionnement conventionnelles se répartissent en deux catégories : le non-autoconditionnement et l'autoconditionnement.
Technologies sans autoconditionnement
Le non-autoconditionnement fait référence à l'utilisation de forces externes pour éliminer les abrasifs usés, les débris et autres impuretés de la surface du tampon, exposant ainsi les abrasifs frais et maintenant la capacité de coupe pendant le polissage.
Conditionnement du dresseur de diamants
Un dresseur diamanté se compose principalement d’abrasifs diamantés, d’un liant et d’un substrat. Les abrasifs diamantés sont fixés sur le substrat par galvanoplastie, brasage, frittage ou dépôt chimique en phase vapeur. Ses performances de conditionnement sont étroitement liées à l’état de surface du tampon et affectent donc la qualité de la pièce. Le principe est que les diamants de grand diamètre sur le dresseur délogent de force les particules de diamant ternes du liant et éliminent la couche vitrée et les débris, exposant ainsi de nouvelles arêtes de coupe sur le tampon.
Conditionnement au jet d'eau haute pression
Cette technique utilise la force de cisaillement d'un jet d'eau pour éliminer les particules abrasives lâches ou mal liées et brise également la couche vitrée, éliminant ainsi les impuretés et améliorant les performances du tampon.
Technologies d'autoconditionnement
L'autoconditionnement fait référence aux méthodes qui permettent à la couche superficielle du tampon de s'user à un rythme approprié afin que les abrasifs présents dans la couche souterraine soient exposés en permanence pendant le traitement, maintenant ainsi une capacité de coupe soutenue. L’émergence de l’autoconditionnement a introduit de nouvelles approches du conditionnement des coussinets.
L'autoconditionnement élimine l'étape de conditionnement, évite l'impact de l'usure du tampon sur le tampon et prolonge sa durée de vie. Par exemple, l’ajout de bases organiques, de sels inorganiques ou d’autres produits chimiques peut améliorer l’autoconditionnement ; l'utilisation de prépolymères avec des groupes hydrophobes permet une action autorégulatrice pendant le polissage, stabilisant le processus et empêchant le gonflement de l'eau.