就地計量學用於CMP中的墊麵監測

感謝S mart 2，明確地證明了CMP墊很大程度上都未充分利用，並且在它們(men) 有用的壽命還有一半以上時經常被丟(diu) 棄

化學機械平麵化（CMP）是半導體(ti) 、硬盤和LED晶片製造行業(ye) 的關(guan) 鍵過程，用於(yu) 實現基板晶片所需的平整度。平麵化對於(yu) 確保結構內(nei) 多層互連的功能性以及在保持均勻性的同時減少晶片厚度至關(guan) 重要。

隨著特征尺寸繼續縮小和集成級別繼續提高，CMP預計在未來微電子設備的發展中將扮演越來越重要的角色。通過精確控製表麵地形和材料屬性，CMP可以實現新型的設備架構，如3D堆疊、finFETs、納米線和量子點。此外，化學機械平麵化還可以通過克服傳(chuan) 統蝕刻技術的限製，促進新材料的集成，如高k電介質、低k電介質、銅、鈷、石墨烯和碳納米管。

CMP是如何工作的？

CMP結合化學和機械力量去除多餘(yu) 的材料，並在半導體(ti) 晶片上創建一個(ge) 光滑、平坦的表麵。它是實現高質量和高性能微電子設備的重要技術。CMP廣泛用於(yu) 各種應用，例如：

在集成電路（ICs）中對間層電介質（ILDs）和金屬層進行平麵化，以減少寄生電容、提高可靠性並實現多級互連。 對淺溝槽隔離（STI）結構進行平麵化，以隔離活性設備並防止漏電流。 對絕緣體(ti) 上的矽（SOI）基板進行平麵化，增強設備性能並減少功耗。 對微電機電子係統（MEMS）進行平麵化，以提高功能性並與(yu) ICs集成。 對計算機硬盤的磁盤和讀/寫(xie) 頭進行平麵化，以增加存儲(chu) 密度和數據傳(chuan) 輸率。 在CMP過程中，晶片被固定在一個(ge) 旋轉夾具上，並被壓在一個(ge) 旋轉的拋光墊上。同時，一種磨料化學液體(ti) （稱為(wei) 漿料）在晶片和墊之間分布。化學漿料弱化了晶片的表麵，允許墊的粗糙度去除材料。此過程重複，直到達到所需的平麵度。

CMP是一個(ge) 複雜且具有挑戰性的過程，涉及許多參數，如漿料成分、墊材料、壓力、速度、溫度和終點檢測。特別是，拋光墊的表麵性質在CMP過程的質量中起到了重要作用，因為(wei) 它們(men) 會(hui) 影響從(cong) 晶片上去除的材料量。由於(yu) 拋光墊在拋光過程中退化，需要不斷進行再調整。這通常是通過在墊表麵上的一種磨料過程來完成的，使用由不鏽鋼或電鍍金剛石製成的旋轉磨料或調整磁盤。

                                                              圖2. CMP前後在金屬線上的內(nei) 部電介質橫截麵圖

圖3. 晶圓製造 (a) 未使用CMP 和 (b) 使用CMP

CMP的表麵計量學

在化學機械平麵化（CMP）過程中，表麵計量學是關(guan) 鍵，因為(wei) 表麵之間的機械相互作用是所有過程階段的一個(ge) 重要變量。在CMP過程中需要定期表征的表麵包括調節盤麵、晶圓表麵和墊表麵。

在高產(chan) 量生產(chan) 環境中，在拋光過程的自然暫停期間（例如更換晶片時）進行無損的實時墊片表征是非常重要的。這使得可以檢測墊片關(guan) 鍵參數的漂移，並協助驗證過程更改。最終的目標是延長消耗品的使用壽命並提高整個(ge) 過程的產(chan) 量，這對於(yu) 任何成功的製造操作都是至關(guan) 重要的。

圖4. 調節盤麵的3D地形圖

影響墊麵退化和生命周期的兩(liang) 個(ge) 主要因素是墊槽阻塞和墊光澤。

槽阻塞

在拋光過程中，從(cong) 晶片上去除的材料會(hui) 沉積在墊槽中，導致阻塞。這一現象阻礙了晶片上均勻的漿料分布，導致晶片中心和邊緣的去除不均勻。

為(wei) 了預測清潔墊槽的需要並確定其最佳時間，需要監測槽的阻塞。清潔操作可以將墊的使用壽命延長高達20%。

墊光澤

墊光澤是一個(ge) 更複雜的現象，當墊的拋光能力因表麵退化而降低時會(hui) 發生。這一現象增強了晶片和墊之間的磨損，提高了工藝溫度，並在拋光過程中產(chan) 生材料選擇性。

與(yu) 槽阻塞不同，墊光澤不能容易預測，並需要持續監測以確保CMP過程的理想性能。

對於(yu) 槽阻塞和墊光澤，實時墊麵監測是至關(guan) 重要的。為(wei) 此，所使用的計量學方法必須能夠在濕潤條件下工作。浸沒計量學是**能滿足這些要求的方法。

這種方法的主要好處是，墊不需要從(cong) 拋光機上移除以進行表征。這使得可以在墊的生命周期的各個(ge) 點實時監測墊光澤和槽阻塞。實地計量學已被證明可以延長墊的使用壽命，允許操作員使用墊，直到它們(men) 的有用壽命結束。

實地浸沒計量係統

幾年前，Sensofar與(yu) 行業(ye) 專(zhuan) 家合作開發了一種用於(yu) CMP過程的創新表麵計量解決(jue) 方案。目標是通過隻在必要時更換墊片，提高每個(ge) 墊片的產(chan) 量並最小化拋光係統的停機時間。解決(jue) 方案是一種非破壞性的、實地的3合1表麵計量係統，稱為(wei) S mart 2。

使用S mart 2，您可以使用便攜式支架快速評估拋光墊的狀態，並在墊片仍在拋光係統內(nei) 時將傳(chuan) 感器放置在墊片上。新的頭部設計得更輕、更緊湊。它具有內(nei) 置的電子控製器，使其成為(wei) 一個(ge) 即插即用的係統，隻需要兩(liang) 個(ge) 從(cong) 頭部退出的電纜（電源和通信）。

S mart 2係統可以直接從(cong) 筆記本電腦操作，提高了便攜性和方便性。它還可以作為(wei) 獨立係統使用，或作為(wei) 自動計量解決(jue) 方案集成到生產(chan) 線中。使用S mart 2，您可以迅速獲取和分析數據，有效監控關(guan) 鍵的墊片特性，如光澤和槽阻塞。

S mart的前一版本已經證明CMP墊片被低估使用，並且經常被丟(diu) 棄，其壽命的一半以上仍然剩餘(yu) 。隨著S mart 2的推出，監控墊片條件並成功延長其使用壽命變得更加容易。

S mart 2用於(yu) CMP監測

S mart 2配備了Sensofar的**技術和高強度藍色LED，將共焦、Ai焦點變化和幹涉測量技術結合在一個(ge) 傳(chuan) 感器中[3]。為(wei) CMP應用構建的SensoPRO軟件插件在S mart 2控製界麵內(nei) 為(wei) 此應用提供了所有必要的工具和分析。

S mart 2傳(chuan) 感器提供了一種**的計量方法，與(yu) 適當的浸沒目標配合時，即使仍在拋光機上也能準確測量墊片的粗糙度。

監測槽阻塞 通過利用共焦和Ai焦點變化技術，可以迅速檢測和監測槽的深度和寬度，從(cong) 而有效地識別和跟蹤槽阻塞。對於(yu) 生產(chan) 環境，通過SensoPRO軟件插件可以進行自動分析，該插件獨立地確定槽的寬度和深度，而不考慮其方向。

墊光澤監測

Smart 2及其與(yu) 水浸沒條件兼容的共焦技術可以在調節和拋光階段後有效地表征墊麵的粗糙度。監測墊的狀態可以確定調節的最佳時間和需要再生墊麵的最佳持續時間。這些功能有助於(yu) 延長墊的可用壽命，最小化對控製晶片的需求，並優(you) 化整個(ge) 過程，從(cong) 而避免對完成的晶片進行重新處理。

此圖像顯示了在拋光過程中墊的粗糙度高度如何變化。當拋光持續數小時時，可以在表麵分布中觀察到一個(ge) “光澤峰"。在整個(ge) 過程中定期監測墊麵使得可以幹預並調節墊麵，使其恢複到其初始狀態。使用此信息優(you) 化您的拋光過程並獲得一致的結果。

圖8. 圖像顯示了在拋光過程中墊麵粗糙度高度的變化。經過幾個(ge) 小時的拋光後，表麵分布中出現了一個(ge) “光澤峰"。通過在拋光過程中定期監測墊麵，可以適當地調整墊麵（幹預），以將表麵狀態恢複到初始狀態。

圖9. 圖像顯示了幹預前的墊子（黑色）與(yu) 幹預後的墊子（紅色）的比較。左側(ce) 的圖像是經過6小時拋光過程後的表麵，而右側(ce) 的圖像是經過12小時後的。

圖10. (a) 新墊；(b) 使用10小時後的良好墊；(c) 使用3小時後的損壞墊。

自動分析

S mart 2傳(chuan) 感器使得對表麵參數的精確控製變得容易。所獲得的數據的分析可以被自動化，允許操作員將傳(chuan) 感器放置在墊麵上，獲取測量值並獲得報告。Sensofar的SensoPRO軟件自動顯示目標參數值以及特定容差的通過/失敗報告，簡化了流程並減少了出錯的可能性。

SensoPRO是質量控製經理的強大工具，允許直接比較數據集並為(wei) CMP監測建立自動容差。有了SensoPRO，您可以快速且輕鬆地分析和比較數據，確保持續的質量和流程控製。

結論

CMP確保在晶片上構建的結構的平整性和功能性。隨著技術的進步，CMP變得越來越重要，使其成為(wei) 研究人員和製造商的關(guan) 鍵關(guan) 注領域。在這個(ge) 背景下，現場表麵測量對於(yu) 監控CMP過程、降低成本和確保質量至關(guan) 重要。Sensofar的新款S mart 2提供先進的采集和分析工具來支持CMP研究和質量控製。通過利用S mart 2的高級功能，研究人員和製造商可以優(you) 化他們(men) 的CMP過程，獲得**的結果，並在一個(ge) 迅速發展的行業(ye) 中保持**地位。

參考文獻

1.  Mahadevaiyer Krishnan, Jakub W. Nalaskowsk, and Lee M. Cook, “Chemical Mechanical Planarization: Slurry Chemistry, Materials, and Mechanisms" Chem. Rev., 2010, vol. 110, pp 178–204.

2.  Zhengfeng, Wang, Yin Ling, Ng Sum Huan and Teo Phaik Luan. “Chemical Mechanical Planarization." (2001).

3. J. McGrath, C. Davis. Polishing pad surface characterization in chemical mechanical planarization. Journal of material processing technology, 153-154 (2014).

4. T. Moore, N. Schwarz. NEOX Ex-Situ CMP Pad. NCCAVS, CMP Users Group Proceedings (2013).

5. R. Artigas, F. Laguarta, C. Cadevall. Dual-technology optical sensor head for 3D surface shape measurements on the micro- and nanoscale. Optical Metrology in Production Engineering, Proc. SPIE 5457 (2004).