Welche Methoden gibt es zum Polieren von Wafern?

Von allen Prozessen, die bei der Herstellung eines Chips involviert sind, ist das endgültige Schicksal desWafersoll in einzelne Matrizen geschnitten und in kleinen, geschlossenen Kartons verpackt werden, wobei nur wenige Stifte freiliegen. Der Chip wird anhand seiner Schwellen-, Widerstands-, Strom- und Spannungswerte bewertet, aber niemand wird sein Aussehen berücksichtigen. Während des Herstellungsprozesses polieren wir den Wafer immer wieder, um die notwendige Planarisierung zu erreichen, insbesondere für jeden Fotolithographieschritt. DerWaferDie Oberfläche muss extrem flach sein, da die Linse des Fotolithographiegeräts mit der Schrumpfung des Chipherstellungsprozesses eine Auflösung im Nanometerbereich erreichen muss, indem die numerische Apertur (NA) der Linse erhöht wird. Allerdings verringert sich dadurch gleichzeitig die Tiefenschärfe (DoF). Die Schärfentiefe bezieht sich auf die Tiefe, innerhalb der das optische System den Fokus aufrechterhalten kann. Um sicherzustellen, dass das fotolithografische Bild klar und scharf bleibt, müssen die Oberflächenvariationen desWafermuss innerhalb der Tiefenschärfe liegen.

Vereinfacht ausgedrückt opfert das Fotolithografiegerät die Fähigkeit zur Fokussierung, um die Bildgenauigkeit zu verbessern. Beispielsweise verfügen die EUV-Fotolithografiegeräte der neuen Generation über eine numerische Apertur von 0,55, die vertikale Tiefenschärfe beträgt jedoch nur 45 Nanometer, wobei der optimale Abbildungsbereich bei der Fotolithografie noch kleiner ist. Wenn dieWaferWenn das Material nicht flach ist, eine ungleichmäßige Dicke aufweist oder die Oberfläche wellenförmig ist, kann es bei der Fotolithografie an den Hoch- und Tiefpunkten zu Problemen kommen.

Die Fotolithografie ist nicht der einzige Prozess, der eine glatte Oberfläche erfordertWaferOberfläche. Viele andere Chipherstellungsprozesse erfordern ebenfalls das Polieren der Wafer. Beispielsweise ist nach dem Nassätzen ein Polieren erforderlich, um die raue Oberfläche für die anschließende Beschichtung und Abscheidung zu glätten. Nach der flachen Grabenisolierung (STI) ist Polieren erforderlich, um das überschüssige Siliziumdioxid zu glätten und die Grabenfüllung abzuschließen. Nach der Metallabscheidung ist Polieren erforderlich, um überschüssige Metallschichten zu entfernen und Kurzschlüsse im Gerät zu verhindern.

Daher umfasst die Entstehung eines Chips zahlreiche Polierschritte, um die Rauheit und Oberflächenschwankungen des Wafers zu reduzieren und überschüssiges Material von der Oberfläche zu entfernen. Darüber hinaus werden Oberflächendefekte, die durch verschiedene Prozessprobleme auf dem Wafer verursacht werden, oft erst nach jedem Polierschritt sichtbar. Daher tragen die für das Polieren verantwortlichen Ingenieure eine erhebliche Verantwortung. Sie sind die zentralen Figuren im Chip-Herstellungsprozess und tragen in Produktionsbesprechungen oft die Schuld. Sie müssen sowohl das Nassätzen als auch die physikalische Ausgabe, die wichtigsten Poliertechniken bei der Chipherstellung, beherrschen.

Welche Wafer-Poliermethoden gibt es?

Polierprozesse können basierend auf den Wechselwirkungsprinzipien zwischen der Polierflüssigkeit und der Siliziumwaferoberfläche in drei Hauptkategorien eingeteilt werden:

1. Mechanische Poliermethode:
Durch mechanisches Polieren werden die Vorsprünge der polierten Oberfläche durch Schneiden und plastische Verformung entfernt, um eine glatte Oberfläche zu erzielen. Zu den gängigen Werkzeugen gehören Ölsteine, Wollräder und Schleifpapier, die hauptsächlich von Hand bedient werden. Für spezielle Teile, beispielsweise die Oberflächen rotierender Körper, können Drehteller und andere Hilfswerkzeuge verwendet werden. Für Oberflächen mit hohen Qualitätsanforderungen können Feinstpolierverfahren eingesetzt werden. Beim Superfeinpolieren werden speziell angefertigte Schleifwerkzeuge verwendet, die in einer schleifmittelhaltigen Polierflüssigkeit fest gegen die Oberfläche des Werkstücks gedrückt und mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden. Mit dieser Technik kann eine Oberflächenrauheit von Ra0,008 μm erreicht werden, die höchste aller Poliermethoden. Dieses Verfahren wird üblicherweise für Formen optischer Linsen verwendet.

2. Chemische Poliermethode:
Beim chemischen Polieren werden die Mikrovorsprünge auf der Materialoberfläche bevorzugt in einem chemischen Medium aufgelöst, was zu einer glatten Oberfläche führt. Die Hauptvorteile dieser Methode bestehen darin, dass keine komplexe Ausrüstung erforderlich ist, dass komplex geformte Werkstücke poliert werden können und dass viele Werkstücke gleichzeitig mit hoher Effizienz poliert werden können. Das Kernproblem beim chemischen Polieren ist die Formulierung der Polierflüssigkeit. Die durch chemisches Polieren erzielte Oberflächenrauheit beträgt typischerweise mehrere zehn Mikrometer.

3. Methode des chemisch-mechanischen Polierens (CMP):
Jede der ersten beiden Poliermethoden hat ihre einzigartigen Vorteile. Durch die Kombination dieser beiden Methoden können dabei komplementäre Effekte erzielt werden. Chemisch-mechanisches Polieren kombiniert mechanische Reibung und chemische Korrosionsprozesse. Beim CMP oxidieren die chemischen Reagenzien in der Polierflüssigkeit das polierte Substratmaterial und bilden eine weiche Oxidschicht. Diese Oxidschicht wird dann durch mechanische Reibung entfernt. Durch Wiederholen dieses Oxidations- und mechanischen Entfernungsprozesses wird ein effektives Polieren erreicht.

Aktuelle Herausforderungen und Probleme beim chemisch-mechanischen Polieren (CMP):

CMP steht vor mehreren Herausforderungen und Problemen in den Bereichen Technologie, Wirtschaft und ökologische Nachhaltigkeit:

1) Prozesskonsistenz: Das Erreichen einer hohen Konsistenz im CMP-Prozess bleibt eine Herausforderung. Selbst innerhalb derselben Produktionslinie können geringfügige Abweichungen der Prozessparameter zwischen verschiedenen Chargen oder Geräten die Konsistenz des Endprodukts beeinträchtigen.

2) Anpassungsfähigkeit an neue Materialien: Da weiterhin neue Materialien auftauchen, muss sich die CMP-Technologie an deren Eigenschaften anpassen. Einige fortschrittliche Materialien sind möglicherweise nicht mit herkömmlichen CMP-Prozessen kompatibel, sodass anpassungsfähigere Polierflüssigkeiten und Schleifmittel entwickelt werden müssen.

3) Größeneffekte: Da die Abmessungen von Halbleiterbauelementen immer weiter schrumpfen, gewinnen durch Größeneffekte verursachte Probleme an Bedeutung. Kleinere Abmessungen erfordern eine höhere Oberflächenebenheit und erfordern präzisere CMP-Prozesse.

4) Steuerung der Materialabtragsrate: In manchen Anwendungen ist eine präzise Steuerung der Materialabtragsrate für verschiedene Materialien entscheidend. Für die Herstellung von Hochleistungsgeräten ist es wichtig, beim CMP konsistente Abtragsraten über verschiedene Schichten hinweg sicherzustellen.

5) Umweltfreundlichkeit: Die bei CMP verwendeten Polierflüssigkeiten und Schleifmittel können umweltschädliche Bestandteile enthalten. Die Forschung und Entwicklung umweltfreundlicherer und nachhaltigerer CMP-Prozesse und -Materialien sind wichtige Herausforderungen.

6) Intelligenz und Automatisierung: Obwohl sich der Intelligenz- und Automatisierungsgrad von CMP-Systemen allmählich verbessert, müssen sie immer noch mit komplexen und variablen Produktionsumgebungen zurechtkommen. Das Erreichen eines höheren Automatisierungsgrads und einer intelligenten Überwachung zur Verbesserung der Produktionseffizienz ist eine Herausforderung, die angegangen werden muss.

7) Kostenkontrolle: CMP ist mit hohen Ausrüstungs- und Materialkosten verbunden. Um die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt aufrechtzuerhalten, müssen Hersteller die Prozessleistung verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten senken.