El poliment mecànic químic (CMP) és l'única tecnologia clau que pot aconseguir la planarització de la superfície de les hòsties, capaç de reduir la rugositat de la superfície al nivell subnanomètric. El principi bàsic de CMP és que el purín reacciona químicament amb la superfície de l'hòstia per formar una capa suavitzada, que després s'elimina mitjançant la fricció mecànica, l'eliminació de material i la planarització de la superfície de l'hòstia.
Les característiques estructurals de la superfície (rugositat, patró de solcs, etc.) i les propietats del material (duresa, mòdul elàstic, etc.) del coixinet de poliment són factors importants que afecten al CMP. El coixinet de poliment influeix directament en els resultats de poliment de l'hòstia.
01 Característiques estructurals de la superfície de la pastilla de poliment
● Micro-topografia superficial de la pastilla de poliment
Els coixinets de poliment solen estar plens de microporus a la superfície, que poden emmagatzemar i transportar purins i partícules abrasives, resistir l'atac químic del purí i eliminar ràpidament els subproductes de poliment, afectant així l'eliminació del material.
Segons les característiques estructurals, els coixinets de poliment comercials principals es classifiquen en tres tipus: tipus de malla (tela amortidor), tipus de fibra (cuir sintètica) i tipus microporós (poliuretà). En comparació amb els altres dos, el coixinet de malla té una millor compressibilitat i capacitat de transport de purins, i la seva duresa més baixa fa que sigui menys probable que provoqui rascades durant el poliment fi. Els tipus de fibra i poliuretà, a causa de la seva duresa i estructura específiques, s'utilitzen principalment per al poliment en brut i el poliment de materials no metàl·lics.
La geometria i la distribució dels microporus afecten la resistència superficial i la densitat del coixinet. Les característiques de porositat i densitat es reflecteixen principalment per la relació de Poisson (ν). La resistència superficial disminueix amb l'augment de la porositat. Els diàmetres de porus més grans milloren la capacitat de transport, però els porus excessivament grans poden reduir la densitat i la força dels coixinets.
Els canvis en la mida i l'estructura dels microporus també afecten el rendiment del polit. L'optimització de l'estructura del micropor pot millorar l'estat de contacte entre el coixinet i l'hòstia. L'exploració de la relació sinèrgica entre la càrrega mecànica a la interfície i les reaccions químiques del purí pot controlar millor la taxa d'eliminació de material CMP.
● Textures de solc superficial de la pastilla de poliment
El ranurat a la superfície del coixinet té dos propòsits: d'una banda, millora la capacitat del coixinet per emmagatzemar i transportar purins, millorant el flux de purins; d'altra banda, modifica el coeficient de fricció i l'esforç de cisalla a la superfície de la pastilla. La taula següent mostra les ranures típiques de les pastilles de la sèrie IC fabricades per Rohm Haas, que s'utilitzen àmpliament a la indústria dels semiconductors. Comparant l'IC1010 amb l'IC1000, l'IC1010 té solcs més profunds i densos, el que resulta en una acció mecànica més forta de les asperitats del coixinet i les partícules abrasives, així com una acció química més forta, que condueix a una major capacitat d'eliminació de material.
Els patrons de solcs comuns inclouen els tipus logarítmics radials, de quadrícula, anulars i espirals. A la figura següent, (a)-(d) representen coixinets d'un sol patró, mentre que (e)-(g) són coixinets de patró compost. Els coixinets compostos en general funcionen millor que els coixinets d'un sol patró, i els coixinets logarítmics en espiral negatius poden millorar significativament la taxa de poliment.
● Asperitats del coixinet
Les protuberàncies rugoses de la superfície del coixinet són elàstiques per evitar que es produeixin rascades excessives irreparables a l'hòstia. El perfil d'alçada de la superfície microscòpica del coixinet normalment segueix una distribució gaussiana o exponencial.
L'alçada mitjana de les asperitats (Rpk) afecta fortament la taxa d'eliminació de material (MRR). Sense condicionament de coixinets, l'MRR disminueix amb el temps de poliment; si Rpk es restaura mitjançant el condicionament, MRR torna al seu nivell original. El desgast durant el poliment i el condicionament posterior provoquen canvis continus en la rugositat real del coixinet. Les variacions en la rugositat, el diàmetre de l'asperitat i la distribució de la rugositat afecten directament la MRR.
02 Propietats del material de la pastilla de poliment
Les propietats físiques i químiques del material del coixinet afecten l'estat de contacte i la força de contacte a la interfície de polit (coixinet-slurry-hòstia), influint així la velocitat d'eliminació del material i la rugositat de la superfície de l'hòstia.
● Paràmetres de propietats mecàniques
La duresa i el mòdul elàstic són dos paràmetres mecànics importants. Els coixinets durs s'utilitzen en etapes de poliment en brut on es requereixen altes taxes d'eliminació, però una duresa excessiva pot causar danys a la superfície i l'eliminació de material no uniforme. Els coixinets suaus s'utilitzen generalment en etapes de poliment fi amb requisits de rugositat baixos. Un coixinet amb una part superior dura i una part inferior suau pot millorar la uniformitat MRR, però tendeix a tenir una zona d'exclusió de vora més gran; per contra, un coixinet amb una part superior suau i una part inferior dura pot reduir la zona d'exclusió de la vora i aconseguir una millor qualitat de superfície.
● Característiques químiques
El coixinet ha de tenir una bona estabilitat química i hidrofilicitat. El poliuretà presenta un efecte de memòria de forma, amb la taxa de recuperació de la forma augmentant amb la temperatura.
En la producció de pastilles CMP, les reaccions químiques impliquen principalment poliols i isocianats. Les principals matèries primeres inclouen prepolímers, extensors/reticulants de cadena, agents espumants, catalitzadors i altres additius funcionals. Mitjançant el control de les concentracions i les proporcions dels reactius, es poden millorar diverses propietats del material del coixinet. Els grups actius del coixinet, com els grups hidroxil i amida, també tenen un paper important: milloren la capa de redeposició dels materials de poliment i mitiguen els problemes de qualitat de la superfície causats pel desgast mecànic. A més, la modificació física i química del material del coixinet pot millorar el seu rendiment.
A més, durant el CMP, la superfície del coixinet experimenta forces de càrrega i cisalla, fent que les asperitats pateixin un flux plàstic i es planaritzin, un fenomen conegut com a vidre. El condicionament del coixinet pot millorar l'envidrament i la porositat de la superfície, mantenint un rendiment de polit estable.
Tecnologies de condicionament per a pastilles de poliment
Actualment, les tècniques de condicionament convencionals es divideixen en dues categories: no autocondicionades i autocondicionades.
Tecnologies no autocondicionades
L'autocondicionament es refereix a l'ús de forces externes per eliminar abrasius desgastats, restes i altres impureses de la superfície de la pastilla, exposant abrasius frescos i mantenint la capacitat de tall durant el poliment.
Condicionament de tocador de diamants
Un aparador de diamants consisteix principalment en abrasius de diamant, un aglutinant i un substrat. Els abrasius de diamant es fixen al substrat mitjançant galvanoplastia, soldadura forta, sinterització o deposició de vapor químic. El seu rendiment de condicionament està estretament relacionat amb l'estat de la superfície del coixinet i, per tant, afecta la qualitat de la peça. El principi és que els diamants de gran diàmetre de l'aparador allunyin a la força les partícules de diamant avorrits de l'enquadernador i eliminen la capa de vidre i els residus, exposant noves vores de tall a la pastilla.
Condicionament amb raig d'aigua a alta pressió
Aquesta tècnica utilitza la força de cisalla d'un raig d'aigua per eliminar les partícules abrasives soltes o mal adherides i també trenca la capa de vidre, eliminant les impureses i millorant el rendiment del coixinet.
Tecnologies d'autocondicionament
L'autocondicionament es refereix a mètodes que permeten que la capa superficial del coixinet es desgasti a un ritme adequat de manera que els abrasius de la capa subsuperficial quedin exposats contínuament durant el processament, mantenint la capacitat de tall sostinguda. L'aparició de l'autocondicionament ha introduït nous enfocaments al condicionament dels coixinets.
L'autocondicionament elimina el pas de condicionament, evita l'impacte del desgast de l'aparador sobre el coixinet i allarga la vida del coixinet. Per exemple, afegir bases orgàniques, sals inorgàniques o altres productes químics pot millorar l'autocondicionament; l'ús de prepolímers amb grups hidròfobs proporciona una acció autorreguladora durant el polit, estabilitzant el procés i evitant la inflor de l'aigua.