In-situ-Metrologie zur Überwachung der Poliertuch-Oberfläche bei der CMP
David erwarb seinen Bachelor an der Polytechnischen Universität von Katalonien (UPC), wo er als Forschungsassistent in der Abteilung für Physik tätig war. Nach Abschluss seines Masterstudiums an der Universität Barcelona (UB) stieg er bei Sensofar in die Welt der optischen Messtechnik ein. Als Vertriebsspezialist vermittelt er das Wissen, das Sensofar über optische Messtechnik verfügt und schult unsere Kunden, damit sie das volle Potenzial unserer Systeme ausschöpfen können. Sollten Sie einmal bei uns vorbeischauen, finden Sie ihn sicherlich in Demo-Raum, wo er Proben misst oder Live-Demonstrationen durchführt.
Dank S mart 2 wurde klar gezeigt, dass CMP-Pads weitgehend untergenutzt werden und oft entsorgt werden, obwohl mehr als die Hälfte der nutzbaren Lebensdauer noch übrig ist.
Chemisch-mechanisches Planarisieren (CMP) ist ein entscheidender Prozess in der Halbleiter-, Festplatten- und LED-Wafer-Herstellungsindustrie, der eine erforderliche Planarität des Substratwafers erreicht. Die Planarisierung ist entscheidend, um die Funktionalität der mehrstufigen Verbindungen innerhalb der Strukturen sicherzustellen und die Waferdicke bei gleichbleibender Gleichmäßigkeit zu reduzieren.
CMP wird in Zukunft eine immer wichtigere Rolle in der Entwicklung von Mikroelektronikgeräten spielen, da die Strukturgrößen weiter schrumpfen und die Integrationsniveaus weiter zunehmen. Durch präzise Kontrolle der Oberflächentopografie und Materialeigenschaften kann CMP neuartige Gerätearchitekturen ermöglichen, wie z.B. 3D-Stacking, finFETs, Nanodrähte und Quantenpunkte. Darüber hinaus kann die chemisch-mechanische Planarisierung auch die Integration neuer Materialien erleichtern, wie z.B. hoch-k-Dielektrika, niedrig-k-Dielektrika, Kupfer, Kobalt, Graphen und Kohlenstoffnanoröhren, indem sie die Einschränkungen konventioneller Ätztechniken überwindet.
Wie funktioniert CMP?
CMP kombiniert chemische und mechanische Kräfte, um überschüssiges Material zu entfernen und eine glatte, ebene Oberfläche auf einem Halbleiterwafer zu erzeugen. Es handelt sich um eine wichtige Technik zur Herstellung hochwertiger und leistungsfähiger Mikroelektronikgeräte. CMP wird in der Industrie für verschiedene Anwendungen weit verbreitet eingesetzt, wie zum Beispiel:
- Planarisierung von Zwischenschicht-Dielektrika (ILDs) und Metallschichten in integrierten Schaltungen (ICs), um parasitäre Kapazitäten zu reduzieren, die Zuverlässigkeit zu verbessern und mehrstufige Verbindungen zu ermöglichen.
- Planarisierung von flachen Grabenisolationsstrukturen (STI), um aktive Bauelemente zu isolieren und Leckströme zu verhindern.
- Planarisierung von Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substraten zur Verbesserung der Geräteleistung und Reduzierung des Energieverbrauchs.
- Planarisierung von Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), um Funktionalität und Integration mit ICs zu verbessern.
- Planarisierung von magnetischen Platten und Lese-/Schreibköpfen für Computerfestplatten, um die Speicherdichte und die Datenübertragungsrate zu erhöhen.
Während des CMP-Prozesses wird der Wafer auf einer rotierenden Vorrichtung gehalten und gegen eine rotierende Polierscheibe gedrückt. Gleichzeitig wird eine abrasive chemische Flüssigkeit (Slurry) zwischen dem Wafer und der Scheibe verteilt. Das chemische Slurry schwächt die Oberfläche des Wafers, wodurch Material durch die Erhebungen der Scheibe entfernt werden kann. Dieser Prozess wird wiederholt, bis das gewünschte Maß an Planarität erreicht ist.
CMP ist ein komplexer und anspruchsvoller Prozess, der viele Parameter umfasst, wie z.B. Slurry-Zusammensetzung, Scheibenmaterial, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und Erkennung des Endpunkts. Insbesondere die Oberflächeneigenschaften der Polierscheibe spielen eine wichtige Rolle für die Qualität des CMP-Prozesses, da sie die Menge des von der Waferoberfläche entfernten Materials beeinflussen können. Da sich die Polierscheibe während des Polierprozesses abnutzt, muss sie ständig konditioniert werden. Dies erfolgt in der Regel durch einen abrasiven Prozess auf der Scheibenoberfläche unter Verwendung einer rotierenden abrasiven oder konditionierenden Scheibe aus Edelstahl oder elektroplattiertem Diamant.
Oberflächenmetrologie für CMP
Der Bedarf nach der Vermessung der Oberfläche liegt im Rahmen des CMP-Verfahrens auf der Hand, immerhin ist die mechanische Interaktion zwischen den Oberflächen bei allen Prozessschritten eine kritische Größe. Die Schleifscheiben-, Wafer- und Poliertuchoberfläche muss entlang des gesamten Verfahrens regelmäßig charakterisiert werden.
In der Massenproduktion ist eine zerstörungsfreie In-situ-Charakterisierung der Poliertücher erforderlich. Diese erfolgt idealerweise während des Austausches des zu planarisierenden Wafers. Auf diese Weise lassen sich Abweichungen bei den Schlüsselparametern des Poliertuchs feststellen, was zur Prozessvalidierung beiträgt. Ziel ist in jedem Fall die Ausweitung der Verbrauchsmaterial-Lebensdauer zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit.
Zwei Hauptfaktoren beeinflussen die Abnutzung der Pad-Oberfläche und deren Lebenszyklus – die Verstopfung der Pad-Rillen und die Glättung des Pads.
Rillenverstopfung
Während des Polierens lagert sich das vom Wafer entfernte Material in den Pad-Rillen ab und führt zu einer Verstopfung. Dieses Phänomen verhindert eine gleichmäßige Verteilung der Polierpaste auf dem Wafer, was zu einer ungleichmäßigen Abtragung zwischen der Mitte und dem Rand des Wafers führt.
Um den Bedarf zur Reinigung der Pad-Rillen vorherzusehen und den besten Zeitpunkt dafür zu bestimmen, ist eine Überwachung der Rillenverstopfung notwendig. Reinigungsmaßnahmen können die Lebensdauer des Pads um bis zu 20% verlängern.
Pad-Glättung
Pad-Glättung ist ein komplexeres Phänomen, das auftritt, wenn die Polierfähigkeit des Pads aufgrund von Oberflächenabnutzung abnimmt. Dieses Phänomen erhöht den Verschleiß zwischen dem Wafer und dem Pad, steigert die Prozesstemperatur und führt zu materialselektivem Polieren.
Im Gegensatz zur Rillenverstopfung lässt sich die Pad-Glättung nicht leicht vorhersagen und erfordert eine ständige Überwachung, um die ideale Leistung des CMP-Prozesses sicherzustellen.
Eine Überwachung der Pad-Oberfläche in Echtzeit ist sowohl für Rillenverstopfung als auch für Pad-Glättung unerlässlich. Zu diesem Zweck muss der angewendete Messtechnikansatz unter nassen Bedingungen funktionieren können. Eintauch-Messtechnik ist der einzige Ansatz, der diese Anforderungen erfüllt.
Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass das Pad nicht zum Charakterisieren aus der Poliermaschine entfernt werden muss. Dies ermöglicht es, die Pad-Glättung und Rillenverstopfung in Echtzeit während verschiedener Phasen des Pad-Lebenszyklus zu überwachen. Es wurde gezeigt, dass die In-situ-Messtechnik die Lebensdauer des Pads verlängert und es den Bedienern ermöglicht, die Pads bis zum Ende ihrer Nutzungsdauer einzusetzen.
In-situ Tauch-Messtechniksystem
Sensofar arbeitete vor einigen Jahren mit Branchenexperten zusammen, um eine innovative Oberflächenmesstechniklösung für den CMP-Prozess zu entwickeln. Das Ziel war es, den Ausstoß pro Polierscheibe zu erhöhen und die Ausfallzeiten von Poliersystemen zu minimieren, indem Pad-Wechsel nur bei Bedarf ermöglicht werden. Die Lösung war das zerstörungsfreie, in-situ 3-in-1 Oberflächenmesstechniksystem namens S mart 2.
Mit S mart 2 können Sie den Zustand von Polierscheiben schnell bewerten, indem Sie einen tragbaren Ständer verwenden und den Sensor auf der Polierscheibe platzieren, während sie sich noch im Poliersystem befindet. Der neue Kopf ist leichter und kompakter gestaltet. Er verfügt über einen integrierten elektronischen Controller, der ihn zu einem Plug-and-Play-System macht, das nur zwei Kabel (Strom und Kommunikation) am Kopf benötigt.
Das S mart 2 System kann direkt von einem Laptop aus betrieben werden, was die Portabilität und Benutzerfreundlichkeit verbessert. Es kann auch als eigenständiges System oder als automatische Messtechniklösung in eine Produktionslinie integriert werden. Mit S mart 2 können Sie schnell Daten erfassen und analysieren, um wichtige Eigenschaften der Polierscheibe wie Glättung und Füllung der Rillen effektiv zu überwachen.
Die vorherige Version von S mart hat bereits gezeigt, dass CMP-Pads nicht ausreichend genutzt und oft verschwendet wurden, obwohl mehr als die Hälfte ihrer Lebensdauer noch übrig war. Mit der Einführung von S mart 2 ist es nun noch einfacher, den Zustand der Pads zu überwachen und ihre Lebensdauer erfolgreich zu verlängern.
S mart 2 zur Überwachung von CMP
S mart 2 ist mit der patentierten Technologie von Sensofar und einer hochintensiven blauen LED ausgestattet und kombiniert Konfokal-, Ai-Fokus-Variation- und Interferometrie-Technologien in einem einzigen Sensor [3]. Das SensoPRO Software-Plugin, das speziell für die CMP-Anwendung entwickelt wurde, bietet alle notwendigen Werkzeuge und Analysen für diese Anwendung innerhalb der S mart 2 Steuerschnittstelle.
Der S mart 2 Sensor bietet einen einzigartigen messtechnischen Ansatz, der in Kombination mit einem geeigneten Immersionsobjektiv eine genaue Messung von Pad-Rauigkeiten ermöglicht, selbst während sie sich noch auf der Poliermaschine befinden.
Überwachung von Rillenverstopfung
Durch die Nutzung von Konfokal- und Ai-Fokus-Variation-Technologien können Rillentiefe und -breite schnell erkannt und überwacht werden, was eine effiziente Identifikation und Verfolgung von Rillenverstopfungen ermöglicht. Für Produktionsumgebungen ist eine automatische Analyse durch ein SensoPRO Software-Plugin möglich, das unabhängig von der Ausrichtung Breite und Tiefe der Rille bestimmt.
Überwachung von Pad-Glättung
Smart 2 und seine Konfokaltechnik, die mit Wasserimmersionsbedingungen kompatibel ist, können die Pad-Rauigkeit nach den Konditionierungs- und Polierphasen effektiv charakterisieren. Die Überwachung des Pad-Zustandes kann den besten Zeitpunkt für die Konditionierung und die optimale Dauer, die benötigt wird, um die Pad-Oberfläche zu regenerieren, bestimmen. Diese Fähigkeiten helfen, die nutzbare Lebensdauer des Pads zu verlängern, den Bedarf an Kontrollwafern zu minimieren und den Gesamtprozess zu optimieren, wodurch das erneute Bearbeiten von fertigen Wafern vermieden wird.
Dieses Bild zeigt, wie sich die Höhe der Pad-Rauigkeit während des Polierens ändert. Wenn das Polieren über mehrere Stunden fortgesetzt wird, kann ein „Glätte-Peak“ in der Oberflächenverteilung beobachtet werden. Die Überwachung der Pad-Oberfläche in Abständen während des gesamten Prozesses ermöglicht es, einzugreifen und die Pad-Oberfläche in ihren ursprünglichen Zustand zurückzuführen. Nutzen Sie diese Informationen, um Ihren Polierprozess zu optimieren und konsistente Ergebnisse zu erzielen.
Automatische Analyse
Der S mart 2 Sensor ermöglicht eine präzise Kontrolle von Oberflächenparametern. Die Analyse der erfassten Daten kann automatisiert werden, sodass Bediener den Sensor über die Pad-Oberfläche platzieren, Messungen vornehmen und einen Bericht erhalten können. Sensofars SensoPRO Software zeigt automatisch den Zielparameterwert und den Bestehen/Nicht-Bestehen-Bericht für die spezifische Toleranz an, was den Prozess vereinfacht und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern reduziert.
SensoPRO ist ein leistungsstarkes Werkzeug für Qualitätskontrollmanager und ermöglicht den direkten Vergleich zwischen Datensätzen sowie die Festlegung automatischer Toleranzen für die CMP-Überwachung. Mit SensoPRO können Sie Daten schnell und einfach analysieren und vergleichen, wodurch eine gleichbleibende Qualität und Prozesskontrolle gewährleistet wird.
Schlussfolgerungen
CMP gewährleistet die Planarität und Funktionalität von Strukturen, die auf einem Wafer aufgebaut sind. Mit fortschreitender Technologie gewinnt CMP immer mehr an Bedeutung, was es zu einem kritischen Fokusgebiet für Forscher und Hersteller macht. In diesem Kontext ist eine In-situ-Oberflächenmessung unerlässlich, um den CMP-Prozess zu überwachen, Kosten zu reduzieren und Qualität zu gewährleisten. Sensofars neues S mart 2 bietet fortschrittliche Erfassungs- und Analysewerkzeuge, um CMP-Forschung und Qualitätskontrolle zu unterstützen. Durch Nutzung der erweiterten Fähigkeiten von S mart 2 können Forscher und Hersteller ihre CMP-Prozesse optimieren, überlegene Ergebnisse erzielen und in einer sich rasch entwickelnden Branche die Nase vorn behalten.
Referenzen
- J. McGrath, C. Davis. Polishing pad surface characterization in chemical mechanical planarization. Journal of material Prozessing technology, 153-154 (2014).
- T. Moore, N. Schwarz. NEOX Ex-Situ CMP Pad. NCCAVS, CMP Users Group Proceedings (2013).
- 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).
Zugehörige Produkte
