Wat is Silicon Wafer CMP-polijstslurry?

Siliciumwafel CMP-polijstslurry (Chemical Mechanical Planarization) is een cruciaal onderdeel in het productieproces van halfgeleiders. Het speelt een cruciale rol bij het garanderen dat siliciumwafels, die worden gebruikt om geïntegreerde schakelingen (IC's) en microchips te maken, worden gepolijst tot het exacte niveau van gladheid dat nodig is voor de volgende productiefasen. In dit artikel onderzoeken we de rol vanCMP-slurryin de verwerking van siliciumwafels, de samenstelling ervan, hoe het werkt en waarom het onmisbaar is voor de halfgeleiderindustrie.

Wat is CMP-polijsten?

Voordat we ingaan op de specifieke kenmerken van CMP-slurry, is het essentieel om het CMP-proces zelf te begrijpen. CMP is een combinatie van chemische en mechanische processen die worden gebruikt om het oppervlak van siliciumwafels vlak te maken (glad te maken). Dit proces is cruciaal om ervoor te zorgen dat de wafer vrij is van defecten en een uniform oppervlak heeft, wat nodig is voor de daaropvolgende afzetting van dunne films en andere processen die de lagen van geïntegreerde schakelingen opbouwen.

CMP-polijsten wordt doorgaans uitgevoerd op een roterende plaat, waarbij een siliciumwafel op zijn plaats wordt gehouden en tegen een roterend polijstkussen wordt gedrukt. De slurry wordt tijdens het proces op de wafel aangebracht om zowel de mechanische slijtage als de chemische reacties te vergemakkelijken die nodig zijn om materiaal van het wafeloppervlak te verwijderen.

CMP-polijstslurry is een suspensie van schurende deeltjes en chemische middelen die samenwerken om de gewenste oppervlaktekenmerken van de wafel te bereiken. De slurry wordt tijdens het CMP-proces op het polijstkussen aangebracht, waar het twee primaire functies vervult:

• Mechanische slijtage: De schurende deeltjes in de slurry slijpen fysiek alle onvolkomenheden of onregelmatigheden op het oppervlak van de wafel weg.
• Chemische reactie: De chemische stoffen in de slurry helpen het oppervlaktemateriaal te modificeren, waardoor het gemakkelijker te verwijderen is, waardoor de slijtage van het polijstkussen wordt verminderd en de algehele efficiëntie van het proces wordt verbeterd.

Belangrijkste componenten van Silicon Wafer CMP-slurry

De samenstelling van CMP-slurry is ontworpen om de perfecte balans tussen schurende werking en chemische interactie te bereiken. De belangrijkste componenten zijn onder meer:

1. Schurende deeltjes

De schurende deeltjes vormen het kernelement van de slurry en zijn verantwoordelijk voor het mechanische aspect van het polijstproces. Deze deeltjes zijn doorgaans gemaakt van materialen zoals aluminiumoxide (Al2O3), silica (SiO2) of ceriumoxide (CeO2). De grootte en het type schuurdeeltjes variëren afhankelijk van de toepassing en het type wafel dat wordt gepolijst. De deeltjesgrootte ligt gewoonlijk in het bereik van 50 nm tot enkele micrometers.

• Op aluminiumoxide gebaseerde slurriesworden vaak gebruikt voor grof polijsten, zoals tijdens de eerste planarisatiefasen.
• Op silica gebaseerde slurrieshebben de voorkeur voor fijn polijsten, vooral wanneer een zeer glad en defectvrij oppervlak vereist is.
• Slurries op basis van ceriumoxideworden soms gebruikt voor het polijsten van materialen zoals koper in geavanceerde halfgeleiderproductieprocessen.

2. Chemische middelen (reagentia)

Chemische middelen in de slurry vergemakkelijken het chemisch-mechanische polijstproces door het oppervlak van de wafel te modificeren. Deze middelen kunnen zuren, basen, oxidatiemiddelen of complexvormers zijn die helpen bij het verwijderen van ongewenste materialen of het wijzigen van de oppervlaktekenmerken van de wafel.

Bijvoorbeeld:

• Oxidatiemiddelen zoals waterstofperoxide (H2O2) helpen de metaallagen op de wafer te oxideren, waardoor ze gemakkelijker weg te polijsten zijn.
• Chelaatvormers kunnen zich binden aan metaalionen en ongewenste metaalverontreiniging helpen voorkomen.

De chemische samenstelling van de slurry wordt zorgvuldig gecontroleerd om de juiste balans tussen abrasiviteit en chemische reactiviteit te bereiken, afgestemd op de specifieke materialen en lagen die op de wafer worden gepolijst.

3. pH-regelaars

De pH van de slurry speelt een belangrijke rol in de chemische reacties die plaatsvinden tijdens CMP-polijsten. Een zeer zure of alkalische omgeving kan bijvoorbeeld het oplossen van bepaalde metalen of oxidelagen op de wafel bevorderen. pH-regelaars worden gebruikt om de zuurgraad of alkaliteit van de slurry nauwkeurig af te stemmen om de prestaties te optimaliseren.

4. Dispergeermiddelen en stabilisatoren

Om ervoor te zorgen dat de schurende deeltjes gelijkmatig door de slurry verdeeld blijven en niet agglomereren, worden dispergeermiddelen toegevoegd. Deze additieven helpen ook om de mest te stabiliseren en de houdbaarheid ervan te verbeteren. De consistentie van de slurry is cruciaal voor het bereiken van consistente polijstresultaten.

Hoe werkt CMP-polijstslurry?

Het CMP-proces werkt door mechanische en chemische acties te combineren om oppervlaktevlakking te bereiken. Wanneer de slurry op de wafel wordt aangebracht, schuren de schurende deeltjes het oppervlaktemateriaal weg, terwijl de chemische middelen met het oppervlak reageren om het zodanig te modificeren dat het gemakkelijker kan worden gepolijst. De mechanische werking van de schurende deeltjes werkt door lagen materiaal fysiek af te schrapen, terwijl de chemische reacties, zoals oxidatie of etsen, bepaalde materialen verzachten of oplossen, waardoor het gemakkelijker wordt om ze te verwijderen.

In de context van de verwerking van siliciumwafels wordt CMP-polijstslurry gebruikt om de volgende doelstellingen te bereiken:

• Vlakheid en gladheid: Ervoor zorgen dat de wafer een uniform, defectvrij oppervlak heeft, is van cruciaal belang voor volgende stappen in de chipfabricage, zoals fotolithografie en depositie.
• Materiaalverwijdering: De slurry helpt ongewenste films, oxiden of metaallagen van het wafeloppervlak te verwijderen.
• Minder oppervlaktedefecten: De juiste samenstelling van de slurry helpt krassen, putjes en andere defecten die de prestaties van de geïntegreerde schakelingen negatief kunnen beïnvloeden, tot een minimum te beperken.

Verschillende halfgeleidermaterialen vereisen verschillende CMP-slurries, omdat elk materiaal verschillende fysische en chemische eigenschappen heeft. Hier zijn enkele van de belangrijkste materialen die betrokken zijn bij de productie van halfgeleiders en de soorten slurries die doorgaans worden gebruikt voor het polijsten ervan:

1. Siliciumdioxide (SiO2)

Siliciumdioxide is een van de meest voorkomende materialen die worden gebruikt bij de productie van halfgeleiders. Op silica gebaseerde CMP-slurries worden doorgaans gebruikt voor het polijsten van siliciumdioxidelagen. Deze slurries zijn over het algemeen mild en ontworpen om een ​​glad oppervlak te produceren terwijl schade aan de onderliggende lagen tot een minimum wordt beperkt.

2. Koper

Koper wordt veel gebruikt in verbindingen en het CMP-proces is complexer vanwege het zachte en plakkerige karakter ervan. Koper-CMP-slurries zijn doorgaans op basis van ceriumoxide, aangezien ceriumoxide zeer effectief is bij het polijsten van koper en andere metalen. Deze slurries zijn ontworpen om kopermateriaal te verwijderen en tegelijkertijd overmatige slijtage of schade aan de omringende diëlektrische lagen te vermijden.

3. Wolfraam (W)

Wolfraam is een ander materiaal dat veel wordt gebruikt in halfgeleiderapparaten, vooral in contactvia's en via-vulling. Wolfraam CMP-slurries bevatten vaak schurende deeltjes zoals silica en specifieke chemische middelen die zijn ontworpen om wolfraam te verwijderen zonder de onderliggende lagen aan te tasten.

Waarom is CMP-polijstslurry belangrijk?

De CMP-slurry is essentieel om ervoor te zorgen dat het oppervlak van de siliciumwafel onberispelijk is, wat een directe invloed heeft op de functionaliteit en prestaties van de uiteindelijke halfgeleiderapparaten. Als de slurry niet zorgvuldig wordt geformuleerd of toegepast, kan dit leiden tot defecten, een slechte vlakheid van het oppervlak of vervuiling, wat allemaal de prestaties van de microchips in gevaar kan brengen en de productiekosten kan verhogen.

Enkele voordelen van het gebruik van hoogwaardige CMP-slurry zijn:

• Verbeterde wafelopbrengst: Een goede polijsting zorgt ervoor dat meer wafels aan de vereiste specificaties voldoen, waardoor het aantal defecten wordt verminderd en de algehele opbrengst wordt verbeterd.
• Verhoogde procesefficiëntie: De juiste slurry kan het polijstproces optimaliseren, waardoor de tijd en kosten die gepaard gaan met de voorbereiding van wafels worden verminderd.
• Verbeterde apparaatprestaties: Een glad en uniform waferoppervlak is van cruciaal belang voor de prestaties van geïntegreerde schakelingen en heeft invloed op alles, van verwerkingskracht tot energie-efficiëntie.