半導(dǎo)體微課堂 | 化學(xué)機(jī)械拋光應(yīng)用

本期應(yīng)用專題重點(diǎn)介紹化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝流程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題?；瘜W(xué)機(jī)械拋光，又稱化學(xué)機(jī)械平坦化，是半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵制程工藝之一。晶圓的每一個(gè)層級(jí)都需經(jīng)過(guò)多次CMP拋光處理，其目的在于去除表面的材料殘余，或?yàn)樘砑酉乱粚与娐方Y(jié)構(gòu)創(chuàng)設(shè)一個(gè)平整的基底。

 

拋光墊和拋光液（拋光液是一種具有磨蝕性和腐蝕性的化學(xué)混合物，通常含有膠體二氧化硅），是實(shí)現(xiàn)晶圓平坦化（即通過(guò)拋光使晶圓表面實(shí)現(xiàn)平整）不可或缺的工具。使用不斷旋轉(zhuǎn)拋光頭，將拋光墊和晶圓擠壓在一起，再通過(guò)保持環(huán)將其固定。此時(shí)，拋光頭圍繞不同的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)(非同心)，而拋光液中的磨蝕性粒子不斷研磨樣本表面，使殘余材料松動(dòng)。最終，拋光液中的化學(xué)成分會(huì)將脫落的殘余材料溶解。

 

CMP工藝可使整個(gè)晶圓表面達(dá)到光刻系統(tǒng)的聚焦深度（DOF）范圍。然而，CMP工藝所涉及的尺寸極小——以最新的22納米制程為例，聚焦深度甚至可達(dá)數(shù)埃（angstrom）級(jí)別——因此，絕對(duì)精度才是判斷拋光成功與否的關(guān)鍵。此外，CMP拋光過(guò)程通常需在60秒內(nèi)完成，包括退出CMP系統(tǒng)前的拋光后清潔步驟（清洗、沖洗和干燥）。

 

 

 

潛在問(wèn)題

 

CMP工藝可能會(huì)對(duì)芯片產(chǎn)品的質(zhì)量和性能帶來(lái)正面和負(fù)面的影響。拋光后，晶圓的聚焦深度取決于表面平整度，而聚焦深度又會(huì)顯著影響晶圓上層制程的光刻質(zhì)量。換言之，在最壞的情況下，嚴(yán)重的CMP缺陷可能產(chǎn)出不合格的芯片。

問(wèn)題的關(guān)鍵在于，傳統(tǒng)的CMP壓力監(jiān)測(cè)方案時(shí)常發(fā)生阻力損失，對(duì)工藝的準(zhǔn)確性造成不良影響。半導(dǎo)體制造商必須準(zhǔn)確判斷工件在拋光環(huán)境下受到的實(shí)際下壓力，才能實(shí)現(xiàn)精確控制，從而避免下游質(zhì)量問(wèn)題。

 

實(shí)際情況中，CMP工藝涉及兩個(gè)力向量（如下圖藍(lán)色箭頭所示）：一個(gè)是晶圓和拋光墊之間的作用力，另一個(gè)則是修整拋光墊表面產(chǎn)生的作用力。只有使用高分辨率的傳感器，才能檢測(cè)拋光墊/晶圓接面上產(chǎn)生的極微小力，從而妥善測(cè)量上述力分量；理想情況下，傳感器還應(yīng)提供實(shí)時(shí)反饋，便于制造商監(jiān)控和控制拋光過(guò)程。

解決方案

 

基于動(dòng)態(tài)力測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的先進(jìn)解決方案具有極高的分辨率，能夠檢測(cè)極小力的變化（小于1克）。奇石樂(lè)的動(dòng)態(tài)力測(cè)量解決方案能夠?yàn)榭蛻籼峁┚_的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，其卓越性能源自核心組件——壓電式（PE）傳感器獨(dú)特的物理性質(zhì)：

 

分辨率高、測(cè)量范圍寬，可測(cè)量較小的力而不會(huì)損壞傳感器

 

剛度極佳——抗磨損，使用壽命長(zhǎng)，性能和重復(fù)精度穩(wěn)定

 

緊湊型設(shè)計(jì)

 

能夠捕捉極微小的力值（應(yīng)力計(jì)等測(cè)量技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)該功能）

 

適用于超高測(cè)試頻率下的高速測(cè)量

 

 

 

實(shí)用示例

 

奇石樂(lè)的高度精確的CMP監(jiān)控解決方案清晰地展現(xiàn)了上述優(yōu)勢(shì)。

 

在該解決方案中，一個(gè)安裝在載物頭中，載物頭將晶片固定在拋光墊上。另一個(gè)則安裝在研磨液輸送系統(tǒng)上，用于測(cè)量研磨液在拋光過(guò)程中施加的力。

 

 

 

結(jié)果

 

精準(zhǔn)監(jiān)控晶圓的初始接觸力和實(shí)際施加的下壓力，實(shí)時(shí)反饋監(jiān)控和控制情況。針對(duì)性能更高的設(shè)備，還可利用各個(gè)力傳感器提供的反饋校準(zhǔn)主軸。

 

整體優(yōu)勢(shì)

 

控制精度更高

 

質(zhì)量更高

行業(yè)專家提供的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)支持

 

奇石樂(lè)通過(guò)提供本地及全球售后支持服務(wù)，為半導(dǎo)體行業(yè)客戶的生產(chǎn)工作提供全方位支持。奇石樂(lè)售后支持服務(wù)全面覆蓋系統(tǒng)生命周期的四個(gè)階段：

 

設(shè)備研發(fā)：提供可行性和產(chǎn)品選擇的應(yīng)用建議，提供研發(fā)支持和傳感器安裝服務(wù)；

 

測(cè)試和調(diào)試：測(cè)試設(shè)備集成、調(diào)試和培訓(xùn)；

 

運(yùn)行和優(yōu)化：測(cè)量結(jié)果分析、工廠優(yōu)化、傳感器定期校準(zhǔn)；

 

改造：設(shè)備分析、定制化建議、測(cè)量鏈的安裝和調(diào)試。

 

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