半导体微课堂 化学机械抛光应用

本期应用专题重点介绍化学机械抛光(CMP)工艺流程中可能出现的问题。化学机械抛光,又称化学机械平坦化,是半导体制造的关键制程工艺之一。晶圆的每一个层级都需经过多次CMP抛光处理,其目的在于去除表面的材料残余,或为添加下一层电路结构创设一个平整的基底。

抛光垫和抛光液(抛光液是一种具有磨蚀性和腐蚀性的化学混合物,通常含有胶体二氧化硅),是实现晶圆平坦化(即通过抛光使晶圆表面实现平整)不可或缺的工具。使用不断旋转抛光头,将抛光垫和晶圆挤压在一起,再通过保持环将其固定。此时,抛光头围绕不同的旋转轴旋转(非同心),而抛光液中的磨蚀性粒子不断研磨样本表面,使残余材料松动。最终,抛光液中的化学成分会将脱落的残余材料溶解。

CMP工艺可使整个晶圆表面达到光刻系统的聚焦深度(DOF)范围。然而,CMP工艺所涉及的尺寸极小——以最新的22纳米制程为例,聚焦深度甚至可达数埃(angstrom)级别——因此,绝对精度才是判断抛光成功与否的关键。此外,CMP抛光过程通常需在60秒内完成,包括退出CMP系统前的抛光后清洁步骤(清洗、冲洗和干燥)。

潜在问题

CMP工艺可能会对芯片产品的质量和性能带来正面和负面的影响。抛光后,晶圆的聚焦深度取决于表面平整度,而聚焦深度又会显著影响晶圆上层制程的光刻质量。换言之,在最坏的情况下,严重的CMP缺陷可能产出不合格的芯片。问题的关键在于,传统的CMP压力监测方案时常发生阻力损失,对工艺的准确性造成不良影响。半导体制造商必须准确判断工件在抛光环境下受到的实际下压力,才能实现精确控制,从而避免下游质量问题。

实际情况中,CMP工艺涉及两个力向量(如下图蓝色箭头所示):一个是晶圆和抛光垫之间的作用力,另一个则是修整抛光垫表面产生的作用力。只有使用高分辨率的传感器,才能检测抛光垫/晶圆接面上产生的极微小力,从而妥善测量上述力分量;理想情况下,传感器还应提供实时反馈,便于制造商监控和控制抛光过程。

 

解决方案

基于动态力测量技术构建的先进解决方案具有极高的分辨率,能够检测极小力的变化(小于1克)。奇石乐的动态力测量解决方案能够为客户提供精确的监控数据,其卓越性能源自核心组件——压电式(PE)传感器独特的物理性质:

分辨率高、测量范围宽,可测量较小的力而不会损坏传感器

刚度极佳——抗磨损,使用寿命长,性能和重复精度稳定

紧凑型设计

能够捕捉极微小的力值(应力计等测量技术无法实现该功能)

适用于超高测试频率下的高速测量

实用示例

奇石乐的高度精确的CMP监控解决方案清晰地展现了上述优势。

在该解决方案中,一个安装在载物头中,载物头将晶片固定在抛光垫上。另一个则安装在研磨液输送系统上,用于测量研磨液在抛光过程中施加的力。

结果

精准监控晶圆的初始接触力和实际施加的下压力,实时反馈监控和控制情况。针对性能更高的设备,还可利用各个力传感器提供的反馈校准主轴。

整体优势

控制精度更高

质量更高

 

行业专家提供的专业知识和技术支持

奇石乐通过提供本地及全球售后支持服务,为半导体行业客户的生产工作提供全方位支持。奇石乐售后支持服务全面覆盖系统生命周期的四个阶段:

设备研发:提供可行性和产品选择的应用建议,提供研发支持和传感器安装服务;

测试和调试:测试设备集成、调试和培训;

运行和优化:测量结果分析、工厂优化、传感器定期校准;

改造:设备分析、定制化建议、测量链的安装和调试。

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