2022-12-07 11:34:21, 纽迈分析 苏州纽迈分析仪器股份有限公司
化学机械研磨/化学机械抛光技术(CMP ,Chemical Mechanical Planarization)是目前国际公认唯一可以提供全局平坦化的技术,是集成电路制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键工艺,是半导体技术中的重要应用突破。
其中CMP抛光垫(Chemical Mechanical Polishing Pad,CMP Pad)是抛光工艺中的重要耗材。通过表面化学作用和机械研磨的技术结合来实现晶圆表面微米/纳米级不同材料的去除,从而达到晶圆表面的高度(纳米级)平坦化效应,使半导体制作过程中下一步的光刻工艺得以进行。
CMP抛光垫的性质直接影响晶圆表面抛光质量,是CMP工艺的核心材料,同时具有较高技术要求、需要持续较大资金投入以及核心客户认证,技术进入壁垒高,研究CMP耗材时间成本较高,需要较长时间来试错摸索工艺指标、产品配方等对物理参数及性能的影响结果。目前高效准确的抛光垫材料检测方法成为了各大研究机构、企业的迫切需求。
低场核磁共振技术
低场核磁共振技术作为一项新晋的高新检测技术,在抛光垫材料检测方面具有明显优势:
快速(几十秒),实时反映产线产品质量;
无损,同一样品可进行反复老化测试;
变温模块,实现不同温度下硬段定量;
准确,测试灵敏度高;
绿色环保,无需任何化学试剂;
操作简便,无需专业技能。
一
CMP抛光垫的作用
CMP技术是使被抛光材料在化学和机械的共同作用下,材料表面达到所要求的平整度的一个工艺过程。抛光液中的化学成分与材料表面进行化学反应,形成易抛光的软化层,抛光垫和抛光液中的研磨颗粒对材料表面进行物理机械抛光将软化层除去。
在CMP制程中,抛光垫的主要作用有:
1、使抛光液有效均匀分布至整个加工区域,且可提供新补充的抛光液进行一个抛光液循环;
2、从工件抛光表面除去抛光过程产生的残留物(如抛光碎屑、抛光碎片等);
3、传递材料去除所需的机械载荷;
4、维持抛光过程所需的机械和化学环境。除抛光垫的力学性能以外,其表面组织特征,如微孔形状、孔隙率、沟槽形状等,可通过影响抛光液流动和分布,来决定抛光效率和平坦性指标。
抛光垫必须对抛光液具有良好的保持性,在加工时可以涵养足够的抛光液,使CMP中的机械和化学反应充分作用。为了保持抛光过程的稳定性、均匀性和可重复性,抛光垫材料的物理性质、化学性质以及表面形貌等特性,都需要保持稳定。
二
CMP抛光垫的种类
抛光垫种类可按材质结构主要有:聚合物抛光垫、无纺布抛光垫、带绒毛结构的无纺布抛光垫、复合型抛光垫。
聚合物抛光垫:聚合物抛光垫的主要成分是发泡体固化聚氨酯,聚氨酯抛光垫具有抗撕裂强度高、耐磨性强、耐酸碱腐蚀性优异的特点,是最常用的抛光垫材料之一。
无纺布抛光垫:无纺布又称不织布,由定向的或随机的纤维构成,微观组织对抛光垫性能产生重要影响。无纺布抛光垫的原材料聚合物棉絮类纤维渗水性能好,容纳抛光液的能力强,但是其硬度较低、对材料去除率低,因此会降低抛光片平坦化效率,常用在细抛工艺中。
带绒毛结构的无纺布抛光垫:带绒毛结构的无纺布抛光垫是以无纺布为基体,中间一层为聚合物,表层结构为多孔的绒毛结构,绒毛的长短和均匀性影响抛光效果。当抛光垫受压时,抛光液进入空洞中,压力释放时恢复原来的形状,将旧的抛光液和反应物排出,并补充新的抛光液。
复合型抛光垫:复合型抛光垫采用“上硬下软”的上下两层复合结构,兼顾平坦度和非均匀性要求。复合型抛光垫含有双重微孔结构,将目前抛光垫的回弹率大幅降低,减少了抛光垫的凹陷和提高了均匀性,解决了因抛光垫使用过程中易釉化的问题。
三
低场核磁共振在嵌段共聚物中的应用
半导体材料需要被抛光垫研磨,当进行研磨时,研磨物在和抛光垫相互摩擦的过程中产生热量,从而使得抛光垫受热,导致其软硬度发生变化,有可能使得抛光效果变差,甚至使被研磨物质受到损伤。使用核磁共振技术可快速检测抛光垫在不同温度下软硬段的占比变化情况,以便衡量温度对抛光垫物理力学性能的影响。
低场核磁共振应用原理:基于抛光垫中软硬段氢质子的不同,在低场核磁共振测试中各自氢的弛豫时间不同,可以区分软硬段,低场核磁共振弛豫谱图信号量又和氢质子量正相关;从而可以快速计算得到不同温度下抛光垫软硬段的占比。
取某样聚氨酯抛光垫分别在40℃和80℃条件下,进行低场核磁共振T2弛豫测试,反演得到软硬段的弛豫信息,并计算软段的信号占比,根据结果可以研究高温对该聚氨酯抛光垫软硬的影响,其测试结果如下:
样品
T2/ms(硬段)
T2/ms(软段)
硬段占比/%
样品1-40℃
0.057
0.441
81.5
样品1-80℃
0.066
0.773
50.2
使用设备
图:纽迈VTMR20-010V
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