Поверхностная революция“ в производстве полупроводников: Техническая сущность и фундаментальная ценность полировки кремниевых пластин

В прецизионной производственной цепочке полупроводниковой промышленности создание каждого высокопроизводительного чипа зависит от сотен технологических этапов - от очистки кремния до упаковки чипа. Среди них полировка кремниевых пластин - важнейший процесс, соединяющий резку и шлифовку пластин с последующей литографией и осаждением тонких пленок, - можно назвать “искусством отделки поверхности” в полупроводниковом производстве. Он формирует поверхность пластины с нанометрической точностью, напрямую определяя производительность, надежность и выход чипа. Как компания, глубоко укоренившаяся в сфере электроники, Gizhi Electronics полностью понимает основную ценность этого процесса. В этой статье мы рассмотрим техническую суть полировки кремниевых пластин.

Почему полировка кремниевых пластин является “обязательной задачей” в производстве полупроводников?

После таких процессов, как резка и шлифовка, на поверхности пластины остаются слои повреждений микронного уровня, царапины, неровные шероховатые структуры, а также могут присутствовать частицы примесей. Если не принять своевременных мер, эти дефекты могут привести к искажению рисунков литографии, неравномерному осаждению тонких пленок и даже к таким фатальным проблемам, как утечка или выход из строя устройства. Поэтому основная цель полировки кремниевых пластин - не просто “сделать их гладкими”, а достичь трех ключевых целей с помощью точного контроля:

• Устраняет повреждения поверхности и восстанавливает ровность микроуровня: Полностью удаляют слои повреждений кристаллической решетки и механические царапины, образовавшиеся в ходе предыдущих процессов, снижая шероховатость поверхности пластин до нанометрового или даже субнанометрового уровня, обеспечивая высокооднородную микротопографию поверхности.

• Обеспечьте точность размеров и добейтесь глобальной согласованности: Строгий контроль отклонения толщины и плоскостности подложки для удовлетворения строгих требований процессов литографии к “опорной плоскости”, что позволяет избежать ошибок экспонирования, вызванных локальными отклонениями толщины.

• Очистите поверхностную среду и повысьте надежность устройства: Благодаря физическому трению и химическим реакциям во время полировки с поверхности удаляются адсорбированные ионы примесей и микрочастицы, что позволяет уменьшить количество дефектов при изготовлении устройства, а также увеличить срок службы и стабильность микросхем из источника.

Технология Mainstream: “Синергетическая магия” химико-механической полировки (CMP)

В настоящее время более 90% полировки кремниевых пластин в полупроводниковом производстве выполняется с помощью технологии химико-механической полировки (CMP). Основное преимущество этой технологии заключается в максимальном использовании синергетического эффекта “химической коррозии” и “механической шлифовки”. Она позволяет избежать повреждений поверхности, вызванных чисто механической шлифовкой, и в то же время решить проблему контроля плоскостности с помощью чисто химической коррозии. Основную логику процесса можно свести к точному сочетанию трех ключевых элементов:

1. Основные расходные материалы: “Золотое партнерство” полировальной жидкости и полировального круга
   Полировальная суспензия - это “химическая основа” CMP, обычно состоящая из абразивных частиц (например, диоксида кремния, оксида алюминия), химических протравителей (например, гидроксида калия, пероксида водорода), стабилизаторов и других компонентов. Абразивные частицы обеспечивают “режущую силу” при механическом шлифовании, а химические травители окисляют атомы кремния на поверхности пластины в удаляемый оксидный слой. Их сочетание обеспечивает эффективное и малоповреждающее удаление материала. Полировальная подушка, являясь “несущим носителем”, не только передает давление при шлифовании, но и отводит отходы и тепло, образующиеся в процессе полировки, благодаря своей пористой структуре, поддерживая стабильность полировальной среды. Применение технологии адсорбционных подушечек еще больше повышает эффективность и производительность полировки пластин.

2. Управление технологическими процессами: “Точная игра” с давлением, скоростью и временем
   Во время CMP пластина помещается под полировальную головку и прижимается к вращающейся полировальной площадке с определенной скоростью, а полировальная суспензия непрерывно и равномерно распыляется на границе раздела. Давление полировки напрямую определяет скорость удаления материала, соотношение скоростей влияет на равномерность полировки, а время полировки точно контролирует конечную толщину пластины. Для крупногабаритных 12-дюймовых пластин точность контроля этих параметров должна достигать миллисекунд и микрометров, поскольку любое незначительное отклонение может привести в негодность всю партию пластин.

3. Обеспечение постпроцесса: “Двойная проверка” очистки и инспекции
   После полировки на поверхности пластин остаются остаточные частицы и химические примеси из полировальной суспензии, которые должны быть полностью удалены с помощью многоступенчатых процессов очистки (например, ультразвуковой). Затем очищенные пластины проходят строгий контроль качества: шероховатость поверхности измеряется с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), плоскостность оценивается с помощью лазерной интерферометрии, а загрязнения поверхности проверяются с помощью счетчиков частиц. Только пластины, отвечающие всем стандартам полупроводникового класса, могут быть использованы для последующих процессов литографии.

Технологическая эволюция: “Гонка точности” в ногу с прогрессом в области производства чипов

По мере продвижения технологических процессов производства микросхем с микрометрового уровня до 7, 5 и даже более современных узлов, технические требования к полировке кремниевых пластин продолжают выходить на новый уровень. Например, пластины, используемые в 3D NAND флеш-памяти, требуют не только повышенной плоскостности поверхности, но и “глобальной планаризации” для адаптации к многослойным структурам укладки. Для толстых пластин, используемых в силовых полупроводниках, полировка должна обеспечивать баланс между равномерностью толщины и механической прочностью. Для решения этих задач технология полировки развивается в направлении “кастомизации расходных материалов” и “интеллекта процесса”, используя алгоритмы искусственного интеллекта для настройки параметров полировки в режиме реального времени и комбинируя индивидуальные составы полировальных растворов для удовлетворения индивидуальных потребностей различных сценариев использования чипов.