Кондиционеры CMP Pad и процесс кондиционирования
Глубокий технический справочник по кондиционерам алмазных накладок - конструкция дисков, выбор зернистости, режимы кондиционирования, оптимизация параметров, стоимость владения и то, как решения по кондиционированию определяют срок службы накладок и стабильность MRR в крупносерийном производстве CMP.
1. Почему кондиционер для подушечек необходим
Полировальные площадки CMP не сохраняют постоянное состояние поверхности во время обработки пластин. Начиная с первой пластины, механическая и химическая среда полировки постепенно изменяет поверхность накладок. Частицы абразива и побочные продукты реакции попадают в поры накладок. Полимерная поверхность накладок уплотняется и разглаживается под воздействием повторяющихся контактных напряжений. Остатки шлама и фрагменты полимера скапливаются на поверхностных аспериментах. Совокупный результат этих эффектов таков остекление площадок - постепенное сглаживание и уплотнение поверхности накладки, что уменьшает реальную площадь контакта между накладкой и пластиной и приводит к неуклонному снижению скорости съема материала (MRR) в течение всего цикла полировки.
Без кондиционирования MRR на жесткой площадке CMP может снизиться на 40-60% за 20-30 проходов пластины от начального состояния. Такая скорость снижения MRR совершенно несовместима с производственными требованиями, где MRR от пробега к пробегу должен удерживаться в пределах ±5% от целевого значения. Кондиционер это процесс, который предотвращает это разрушение путем постоянного или периодического обновления поверхности накладок - механического удаления глазурованного поверхностного слоя и повторного обнажения свежего материала накладок с активными асперитами и открытыми порами.
2. Механизм кондиционирования: как алмаз восстанавливает текстуру накладки
Алмазное кондиционирование накладок осуществляется с помощью твердой абразивной алмазной поверхности для микрошлифовки поверхности полиуретановых накладок, удаления глазурованного внешнего слоя и создания свежего микрорельефа, состоящего из абрисов, открытых пор и микроканалов. Процесс аналогичен правке шлифовального круга - удаление затупившейся поверхности для обнажения свежего режущего материала.
Алмазный плющильный диск прижимается к вращающейся поверхности подушечки с контролируемой прижимной силой (обычно 5-60 Н для диска диаметром 100 мм), в то время как плющилка и пластина вращаются. Сметающее движение плющилки по радиусу площадки в сочетании с относительным вращением плющилки и пластины обеспечивает кондиционирование каждой зоны поверхности площадки с равным суммарным воздействием - требование для радиально равномерного MRR по всей пластине.
Материал, удаляемый с площадки кондиционером, намного меньше материала, удаляемого с пластины в процессе полировки - обычно 1-5 мкм материала площадки в час полировки против 100-600 нм/мин удаления пленки с пластины. Тем не менее, эта небольшая, но непрерывная эрозия накладок является основным механизмом, ограничивающим срок службы накладок для CMP в производстве, и параметры кондиционирования должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить адекватное восстановление текстуры без ускорения износа накладок сверх естественных технологических требований.
3. Виды кондиционеров
Металлический диск с алмазным напылением (стандарт)
- Наиболее распространенный тип кондиционера в полупроводниковой CMP
- Синтетические алмазные частицы, внедренные в никелевую гальваническую пластину или паяную металлическую матрицу
- Поставляются с различными размерами зерен (обычно средний размер алмаза 50-200 мкм)
- Диаметр диска: обычно 100-114 мм для 300-миллиметровых пластин
- Срок службы: 500-3 000 часов кондиционирования в зависимости от зернистости и области применения
Диск с алмазным покрытием CVD
- Алмазная пленка, нанесенная методом химического осаждения из паровой фазы на подложку из WC или Si
- Более равномерная алмазная поверхность по сравнению с гальваническими дисками
- Лучшее уменьшение царапин на подушечках благодаря контролируемой высоте выступов
- Более высокая первоначальная стоимость, но зачастую более длительный срок службы и более стабильная производительность
- Предпочтительны для применения при сверхнизком уровне дефектов (буферная обработка меди, подготовка связующего слоя)
Кондиционер для кистей
- Жесткая полимерная или металлическая щетка вместо алмазного диска
- Бережное восстановление текстуры - минимальное удаление материала прокладки
- Используется для мягких накладок типа Politex, когда алмазная обработка слишком агрессивна.
- В первую очередь удаляет остатки шлама, а не срезает абрисы.
- Более низкая стоимость; более короткое время работы инструмента по сравнению с алмазным диском
Струя воды высокого давления
- Струя воды DI под давлением 100-400 бар, направленная на поверхность площадки
- Очищает остатки шлама и открывает закупоренные поры без алмазного абразива
- Используется как дополнительная техника кондиционирования наряду с алмазным кондиционированием
- Не восстанавливает высоту асперитов поверхности - необходимо комбинировать с алмазным диском
- Особенно эффективен для поддержания чистоты площадки для суспензий Cu
4. Дизайн диска с алмазным кондиционером
Конструкция алмазного кондиционирующего диска определяет, насколько агрессивно он восстанавливает текстуру подкладки, насколько равномерно он обрабатывает по радиусу подкладки, как долго он служит и представляет ли он риск высвобождения алмазных частиц, которые могут поцарапать подложку. Ключевыми параметрами конструкции являются:
| Параметр конструкции | Типовая спецификация | Влияние на процесс |
|---|---|---|
| Размер алмазной крошки | 50-80 мкм (мелкий); 100-150 мкм (средний); 150-200 мкм (крупный) | Крупное зерно = более агрессивное кондиционирование, более быстрое восстановление MRR, более быстрый износ колодок; более мелкое зерно = более мягкое, более низкий износ колодок, предпочтительно для мягких колодок |
| Концентрация (плотность) алмазов | 40-120 бриллиантов/см² | Более высокая плотность = более равномерное распределение нагрузки на кондиционер; более низкое напряжение на алмаз; более длительный срок службы кондиционера |
| Высота алмазного выступа | 20-60% среднего диаметра алмаза | Большее выступание = более агрессивная резка; CVD-покрытия обеспечивают лучшую равномерность выступания по сравнению с гальваническими дисками |
| Материал матрицы | Никелевая гальваническая пластина; пайка Cu/Ni; CVD-алмаз; PTFE-связь | Определяет прочность удержания алмаза; гальваническая пластина обеспечивает хорошее удержание по сравнению со стоимостью; пайка обеспечивает более высокое удержание для агрессивного использования |
| Диаметр диска | 100-114 мм (инструменты 300 мм); 50-75 мм (инструменты 200 мм) | Должен соответствовать диапазону вылета рукоятки инструмента; диск большего размера обеспечивает большую площадь обработки за вылет |
| Рисунок поверхности (расположение зон) | Равномерные; кольцевые зоны; секторные зоны | Зональная компоновка позволяет регулировать агрессивность кондиционера в радиальном направлении, чтобы компенсировать неравномерность радиального износа колодок |
5. Кондиционирование на месте против кондиционирования вне места
Кондиционирование колодок может выполняться в двух принципиально разных режимах, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Выбор между ними - или решение сочетать оба - зависит от конкретного применения, требуемой стабильности MRR и стоимости владения.
Кондиционирование на месте (одновременное)
- Диск с кондиционером подметает поверхность подкладки одновременно с полировкой пластины
- Непрерывно восстанавливает текстуру подушечек в режиме реального времени
- Достижение наиболее стабильного показателя MRR между циклами и в пределах цикла
- Отраслевой стандарт для применения на твердых поверхностях / оксидах и W CMP
- Более высокая скорость износа колодок - кондиционер активен 100% времени полировки
- Вылет плеча кондиционера должен быть настроен таким образом, чтобы избежать загрязнения пластин мусором
Кондиционирование на месте
- Кондиционирование выполняется между прогонами пластин - не во время полировки
- Более низкая интенсивность износа колодок (рабочий цикл кондиционирования <100%)
- Позволяет более точно контролировать дозу кондиционирования за один прогон
- MRR может дрейфовать в пределах одного цикла, если интервал слишком велик для данного приложения
- Используется для мягких прокладок, сверхнизких к, а также для связующего слоя CMP
- Можно комбинировать с кондиционированием in-situ для гибридных протоколов
Протоколы гибридного кондиционирования
Во многих технологических процессах с усовершенствованными узлами используется гибридный подход: кондиционирование на месте при пониженной прижимной силе (для поддержания стабильности MRR) в сочетании с периодическим интенсивным кондиционированием на месте (для решения проблемы кумулятивной нагрузки на колодки, которую не может устранить только кондиционирование на месте). Эта гибридная стратегия может снизить общую интенсивность износа накладок на 15-25% по сравнению с полным кондиционированием на месте, сохраняя при этом эквивалентную стабильность MRR, что является значимым преимуществом в масштабе.
6. Основные параметры процесса кондиционирования
| Параметр | Типичный диапазон | Влияние на MRR | Влияние на износ колодок |
|---|---|---|---|
| Прижимная сила кондиционера (Н) | 5-60 N | ↑ прижимная сила → ↑ скорость восстановления MRR | ↑ прижимная сила → ↑ скорость износа колодок (линейная зависимость) |
| Скорость вращения кондиционера (об/мин) | 10-100 ОБ/МИН | ↑ Число оборотов → ↑ Покрытие кондиционера за один взмах | Умеренное влияние; взаимодействует с прижимной силой |
| Скорость размаха руки (мм/с) | 5-50 мм/с | ↓ скорость развертки → больше времени пребывания в зоне → ↑ локальный MRR | Более медленная зачистка = большее количество материала накладок за проход |
| Скорость вращения пластины (об/мин) | 30-120 ОБ/МИН | Более высокое число оборотов планшайбы → больше контактов для кондиционирования за один проход | Небольшой эффект при фиксированной прижимной силе кондиционера |
| Расход DI воды во время кондиционирования (мл/мин) | 200-500 мл/мин | Вода смазывает кондиционер; слишком мало → агрессивный кондиционер | Больше воды → меньше износа колодок за цикл кондиционирования |
| Время выдержки / рабочий цикл (%) | 25-100% времени полировки | Более высокий рабочий цикл → более стабильный MRR | Более высокий рабочий цикл → пропорционально больший износ колодок |
7. Оптимизация системы кондиционирования: Достижение стабильного MRR без чрезмерного износа колодок
Основная проблема разработки процесса кондиционирования заключается в поиске минимальной дозы кондиционирования - комбинации прижимной силы, рабочего цикла и зернистости кондиционера, - которая позволяет поддерживать MRR в пределах спецификации и при этом минимизировать расход материала подушечек на пластину. При чрезмерном кондиционировании расходуется материал накладок, сокращается срок их службы, повышается риск алмазного осыпания и дефектов, связанных с кондиционированием. Недостаточное кондиционирование приводит к смещению MRR и, в конечном счете, к нестабильности процесса, влияющей на выход продукции.
Постройте базовую кривую зависимости MRR от количества пластин без кондиционирования: Проведите серию пластин с отключенным кондиционированием. Постройте график зависимости MRR от количества пластин, чтобы определить естественную скорость остекловывания подкладок для конкретной комбинации подкладок и суспензии. Эта кривая определяет максимально допустимый интервал между кондиционированием.
Определите минимальную эффективную дозу кондиционирования: Систематически изменяйте силу кондиционирования и рабочий цикл при измерении MRR в фиксированной контрольной точке (например, пластина 10 в партии из 25 пластин). Определите наименьшую дозу кондиционирования, которая поддерживает MRR в пределах ±5% от целевого значения в контрольной точке.
Определите скорость износа колодок при оптимизированной дозе кондиционирования: Измерьте толщину накладок до и после обработки фиксированной партии пластин при оптимизированных параметрах кондиционирования. Рассчитайте скорость удаления накладок с каждой пластины. Используйте это для прогнозирования срока службы накладок и установки триггера подсчета сменных пластин.
Проверьте WIWNU на протяжении всей жизни подушечки: Убедитесь, что однородность внутри подложки остается в пределах спецификации в течение всего прогнозируемого срока службы подложки при оптимизированном рецепте кондиционирования. WIWNU часто деградирует до того, как MRR достигнет своего предела, а однородность краев часто является первым параметром, который деградирует.
Внедрите адаптивное кондиционирование (если позволяют возможности инструмента): Передовые инструменты CMP поддерживают рецепты, которые изменяют параметры кондиционирования на основе обратной связи с процессом - увеличивают прижимную силу, когда ток трения указывает на начало остекления, и уменьшают ее, когда MRR остается стабильным. Адаптивное кондиционирование может увеличить срок службы накладок на 20-30% по сравнению с подходами, основанными на фиксированных рецептах.
8. Состояние и стоимость владения
Решения по кондиционированию оказывают каскадное влияние на общую структуру затрат на производстве CMP. Ключевыми факторами затрат, которые необходимо оценить количественно, являются:
- Скорость расходования подложки (мкм/проход подложки): Напрямую зависит от агрессивности кондиционера. Каждое снижение прижимной силы кондиционера на 10% обычно уменьшает интенсивность износа колодок на 8-12%, что напрямую приводит к экономии средств на колодки.
- Срок службы диска кондиционера (часы или проходы пластин): Алмазные плющилки подлежат замене, если они больше не могут восстанавливать текстуру колодки в течение указанного времени кондиционирования. Срок службы диска измеряется в часах кондиционирования и отслеживается с помощью измерений шероховатости опорных колодок после стандартной последовательности кондиционирования.
- Риск урожайности при ошибках кондиционирования: Изношенный плющитель, выбрасывающий частицы алмаза в поток суспензии, создает глубокие царапины, которые могут привести к браку всей партии пластин. Стоимость выхода продукции при одном таком событии значительно превышает стоимость замены плющилки. Это самый веский аргумент в пользу консервативного управления сроком службы плющилки.
- Влияние использования инструмента: Слишком агрессивное кондиционирование на месте увеличивает эффективное время цикла полировки, поскольку манипулятор кондиционера должен завершить последовательность разверток перед загрузкой следующей пластины. Минимизация времени развертки кондиционера при сохранении стабильности MRR максимально увеличивает производительность инструмента.
9. Режимы и обнаружение неисправностей кондиционера
| Режим отказа | Симптом | Метод обнаружения | Корректирующие действия |
|---|---|---|---|
| Осыпание алмазов | Глубокие изолированные царапины на подложке; внезапное увеличение количества царапин при осмотре | Проверка дефектов после полировки (KLA/Hitachi); визуальный осмотр поверхности накладок на предмет глубоких выщербин | Немедленно замените кондиционер; проверьте и очистите линии подачи шлама; запустите макетные пластины перед возобновлением производства |
| Износ матрицы / вытягивание алмазов | Постепенное снижение MRR, не поддающееся корректировке рецептуры; уменьшение шероховатости накладок после кондиционирования | Измерение Pad Ra после стандартной последовательности кондиционирования; сравнение с исходным уровнем | Замена кондиционера по истечении запланированного срока службы; проактивная замена до снижения производительности |
| Загрузка диска (обломки прокладки) | Снижение эффективности кондиционирования; неравномерный MRR по радиусу пластины | Визуальный осмотр поверхности диска под оптическим микроскопом; тест на промывку водой DI | Очистите диск с помощью щетки с водой DI; если загрузка не прекращается, замените диск |
| Неравномерность размаха плеча | Радиальный градиент MRR по всей пластине; краевая деградация WIWNU | Картирование магнитно-резонансной томографии подложки; профилометрия подложки, показывающая изменение радиальной толщины | Повторная калибровка профиля развертки рычага; проверка износа подшипников рычага; обновление рецепта развертки |
| Наклон/колебания кондиционера | Неравномерное кондиционирование колодок; круговые следы износа на поверхности колодок | Измерение плоскостности кондиционера; оптический контроль поверхности колодок | Проверьте и замените карданный узел кондиционера; проверьте момент затяжки крепления кондиционера |
10. Усовершенствованные стратегии кондиционирования для узлов с длиной волны менее 7 нм
По мере перехода к процессам CMP с нормами менее 7 нм и применениям 3D-IC требования к кондиционированию становятся все более жесткими. Для соответствия ужесточенным требованиям этих процессов на передовых заводах применяются следующие передовые стратегии.
Ультранизкая сила кондиционирования для мягких подушечек
Для мягких накладок типа Politex, используемых в CMP для медных буферов и связующих слоев, обычное алмазное кондиционирование при стандартной силе прижима (20-40 Н) является слишком агрессивным. Сверхнизкое усилие кондиционирования (5-10 Н) с использованием мелкозернистых CVD-алмазных дисков обеспечивает достаточное обновление текстуры для поддержания удержания суспензии и MRR без быстрого расходования материала мягкой подкладки. Такой подход приобретает все большее значение для усовершенствованной упаковочной CMP, где использование мягких накладок постоянно растет.
Электрохимическое кондиционирование (ECC)
Электрохимическое кондиционирование использует смещенный электрод, встроенный в блок кондиционера, для избирательного растворения или повторного осаждения материала поверхности колодки. Эта методика, пока еще находящаяся в основном в стадии исследований и разработок, предлагает потенциал для более тонкого контроля MRR и меньшего износа колодок по сравнению с чисто механическим алмазным кондиционированием. Она представляет особый интерес для CMP с диэлектриками с ультранизким К, где механическая сила должна быть сведена к минимуму.
Метрология поверхности планшета в реальном времени
Передовые инструменты CMP начинают включать в себя метрологию поверхности колодок in-situ - с использованием лазерной спекл-метрии, интерферометрии белого света или датчиков акустической эмиссии - для измерения шероховатости колодок и высоты асперитов в режиме реального времени во время кондиционирования. Эти данные замыкают контур управления процессом кондиционирования, позволяя рецептуре адаптироваться к фактическому состоянию поверхности накладки, а не работать по фиксированной программе, основанной на времени. Метрология в реальном времени продемонстрировала увеличение срока службы накладок на 25-40% в первых внедрениях.
О специфических проблемах, связанных с материалами для CMP на передовых узлах, в том числе о том, как меняются требования к кондиционированию для кобальта, рутения и гибридных процессов связывания, читайте в нашем руководстве Материалы для CMP для современных узлов (менее 14 нм).
11. ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ
Как узнать, когда нужно заменить алмазный диск для кондиционера?
Первичным толчком к замене является измеримое снижение эффективности кондиционирования - обычно это количественное выражение шероховатости накладки (Ra), достигнутой после стандартной последовательности кондиционирования на эталонном образце накладки, по сравнению с базовым значением для нового диска. Снижение достижимого Ra на 20-30% указывает на то, что алмазная режущая поверхность износилась ниже порога эффективности. Большинство фабрик также вводят ограничение на максимальный срок службы кондиционера (например, 1 000 часов кондиционирования) в качестве превентивной меры, независимо от данных о производительности, чтобы минимизировать риск осыпания алмазов.
Какова правильная прижимная сила кондиционера для моих условий эксплуатации?
Минимальное значение прижимной силы кондиционера должно обеспечивать поддержание MRR в пределах ±5% от целевого значения в течение всего срока службы накладок. Оптимальное значение определяется экспериментально путем проведения экспериментов по стабильности MRR при нескольких уровнях прижимной силы и выявления наименьшей силы, которая предотвращает снижение MRR до предельного значения по спецификации в течение интервала между циклами кондиционирования. Типичные значения находятся в диапазоне 10-25 Н для оксидного и W CMP с жесткими подкладками и 5-15 Н для мягких подкладок в приложениях с медным буфером.
Можно ли продлить срок службы диска кондиционера, очистив его?
В ограниченном объеме. Очистка щеткой с водой DI может удалить вкрапления полимерных остатков накладки и частично восстановить эффективность резки, если диск нагружен, но еще не изношен механически. Однако очистка не может восстановить изношенные алмазные режущие кромки или заново установить отслоившиеся алмазы. Если диск деградировал до такой степени, что после очистки он не может соответствовать спецификации пада Ra, требуется его замена. Никогда не используйте химические чистящие средства, которые могут разрушить никелевую матрицу или алмазные связки.
Почему MRR варьируется по радиусу пластины, несмотря на кондиционирование на месте?
Неоднородность радиального MRR при кондиционировании на месте чаще всего возникает из-за неравномерной интенсивности кондиционирования по радиусу площадки. Центр пластины имеет более низкую тангенциальную скорость, чем край, что означает, что плющилка проводит больше времени (на единицу оборота пластины) во внутренних зонах площадки, создавая более высокую интенсивность плющения в центре. Большинство инструментов CMP решают эту проблему, применяя нелинейный профиль развертки манипулятора - тратя пропорционально больше времени на больших радиусах - для достижения равномерного охвата кондиционированием. Если WIWNU деградирует с ускоренной по центру или по краям сигнатурой, в качестве первого корректирующего шага пересмотрите и оптимизируйте профиль развертки плющилки.
Проконсультируйтесь с экспертом по кондиционированию JEEZ CMP
Оптимизация кондиционирования - одна из наиболее эффективных возможностей снижения затрат на CMP. Наши инженеры по применению могут проанализировать текущую рецептуру кондиционирования и данные о сроке службы колодок, чтобы определить возможности улучшения - без каких-либо обязательств.
Поговорите с экспертом по кондиционерам ← Полное руководство по материалам CMP
