就地計量學(xué)用于CMP中的墊面監測

感謝S mart 2，明確地證明了CMP墊很大程度上都未充分利用，并且在它們有用的壽命還有一半以上時(shí)經(jīng)常被丟棄

化學(xué)機械平面化（CMP）是半導體、硬盤(pán)和LED晶片制造行業(yè)的關(guān)鍵過(guò)程，用于實(shí)現基板晶片所需的平整度。平面化對于確保結構內多層互連的功能性以及在保持均勻性的同時(shí)減少晶片厚度至關(guān)重要。

隨著(zhù)特征尺寸繼續縮小和集成級別繼續提高，CMP預計在未來(lái)微電子設備的發(fā)展中將扮演越來(lái)越重要的角色。通過(guò)精確控制表面地形和材料屬性，CMP可以實(shí)現新型的設備架構，如3D堆疊、finFETs、納米線(xiàn)和量子點(diǎn)。此外，化學(xué)機械平面化還可以通過(guò)克服傳統蝕刻技術(shù)的限制，促進(jìn)新材料的集成，如高k電介質(zhì)、低k電介質(zhì)、銅、鈷、石墨烯和碳納米管。

CMP是如何工作的？

CMP結合化學(xué)和機械力量去除多余的材料，并在半導體晶片上創(chuàng )建一個(gè)光滑、平坦的表面。它是實(shí)現高質(zhì)量和高性能微電子設備的重要技術(shù)。CMP廣泛用于各種應用，例如：

在集成電路（ICs）中對間層電介質(zhì)（ILDs）和金屬層進(jìn)行平面化，以減少寄生電容、提高可靠性并實(shí)現多級互連。 對淺溝槽隔離（STI）結構進(jìn)行平面化，以隔離活性設備并防止漏電流。 對絕緣體上的硅（SOI）基板進(jìn)行平面化，增強設備性能并減少功耗。 對微電機電子系統（MEMS）進(jìn)行平面化，以提高功能性并與ICs集成。 對計算機硬盤(pán)的磁盤(pán)和讀/寫(xiě)頭進(jìn)行平面化，以增加存儲密度和數據傳輸率。 在CMP過(guò)程中，晶片被固定在一個(gè)旋轉夾具上，并被壓在一個(gè)旋轉的拋光墊上。同時(shí)，一種磨料化學(xué)液體（稱(chēng)為漿料）在晶片和墊之間分布?；瘜W(xué)漿料弱化了晶片的表面，允許墊的粗糙度去除材料。此過(guò)程重復，直到達到所需的平面度。

CMP是一個(gè)復雜且具有挑戰性的過(guò)程，涉及許多參數，如漿料成分、墊材料、壓力、速度、溫度和終點(diǎn)檢測。特別是，拋光墊的表面性質(zhì)在CMP過(guò)程的質(zhì)量中起到了重要作用，因為它們會(huì )影響從晶片上去除的材料量。由于拋光墊在拋光過(guò)程中退化，需要不斷進(jìn)行再調整。這通常是通過(guò)在墊表面上的一種磨料過(guò)程來(lái)完成的，使用由不銹鋼或電鍍金剛石制成的旋轉磨料或調整磁盤(pán)。

                                                              圖2. CMP前后在金屬線(xiàn)上的內部電介質(zhì)橫截面圖

圖3. 晶圓制造 (a) 未使用CMP 和 (b) 使用CMP

CMP的表面計量學(xué)

在化學(xué)機械平面化（CMP）過(guò)程中，表面計量學(xué)是關(guān)鍵，因為表面之間的機械相互作用是所有過(guò)程階段的一個(gè)重要變量。在CMP過(guò)程中需要定期表征的表面包括調節盤(pán)面、晶圓表面和墊表面。

在高產(chǎn)量生產(chǎn)環(huán)境中，在拋光過(guò)程的自然暫停期間（例如更換晶片時(shí)）進(jìn)行無(wú)損的實(shí)時(shí)墊片表征是非常重要的。這使得可以檢測墊片關(guān)鍵參數的漂移，并協(xié)助驗證過(guò)程更改。最終的目標是延長(cháng)消耗品的使用壽命并提高整個(gè)過(guò)程的產(chǎn)量，這對于任何成功的制造操作都是至關(guān)重要的。

圖4. 調節盤(pán)面的3D地形圖

影響墊面退化和生命周期的兩個(gè)主要因素是墊槽阻塞和墊光澤。

槽阻塞

在拋光過(guò)程中，從晶片上去除的材料會(huì )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。

為了預測清潔墊槽的需要并確定其最佳時(shí)間，需要監測槽的阻塞。清潔操作可以將墊的使用壽命延長(cháng)高達20%。

墊光澤

墊光澤是一個(gè)更復雜的現象，當墊的拋光能力因表面退化而降低時(shí)會(huì )發(fā)生。這一現象增強了晶片和墊之間的磨損，提高了工藝溫度，并在拋光過(guò)程中產(chǎn)生材料選擇性。

與槽阻塞不同，墊光澤不能容易預測，并需要持續監測以確保CMP過(guò)程的理想性能。

對于槽阻塞和墊光澤，實(shí)時(shí)墊面監測是至關(guān)重要的。為此，所使用的計量學(xué)方法必須能夠在濕潤條件下工作。浸沒(méi)計量學(xué)是**能滿(mǎn)足這些要求的方法。

這種方法的主要好處是，墊不需要從拋光機上移除以進(jìn)行表征。這使得可以在墊的生命周期的各個(gè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監測墊光澤和槽阻塞。實(shí)地計量學(xué)已被證明可以延長(cháng)墊的使用壽命，允許操作員使用墊，直到它們的有用壽命結束。

實(shí)地浸沒(méi)計量系統

幾年前，Sensofar與行業(yè)專(zhuān)家合作開(kāi)發(fā)了一種用于CMP過(guò)程的創(chuàng )新表面計量解決方案。目標是通過(guò)只在必要時(shí)更換墊片，提高每個(gè)墊片的產(chǎn)量并最小化拋光系統的停機時(shí)間。解決方案是一種非破壞性的、實(shí)地的3合1表面計量系統，稱(chēng)為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(tài)，并在墊片仍在拋光系統內時(shí)將傳感器放置在墊片上。新的頭部設計得更輕、更緊湊。它具有內置的電子控制器，使其成為一個(gè)即插即用的系統，只需要兩個(gè)從頭部退出的電纜（電源和通信）。

S mart 2系統可以直接從筆記本電腦操作，提高了便攜性和方便性。它還可以作為獨立系統使用，或作為自動(dòng)計量解決方案集成到生產(chǎn)線(xiàn)中。使用S mart 2，您可以迅速獲取和分析數據，有效監控關(guān)鍵的墊片特性，如光澤和槽阻塞。

S mart的前一版本已經(jīng)證明CMP墊片被低估使用，并且經(jīng)常被丟棄，其壽命的一半以上仍然剩余。隨著(zhù)S mart 2的推出，監控墊片條件并成功延長(cháng)其使用壽命變得更加容易。

S mart 2用于CMP監測

S mart 2配備了Sensofar的**技術(shù)和高強度藍色LED，將共焦、Ai焦點(diǎn)變化和干涉測量技術(shù)結合在一個(gè)傳感器中[3]。為CMP應用構建的SensoPRO軟件插件在S mart 2控制界面內為此應用提供了所有必要的工具和分析。

S mart 2傳感器提供了一種**的計量方法，與適當的浸沒(méi)目標配合時(shí)，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(guò)利用共焦和Ai焦點(diǎn)變化技術(shù)，可以迅速檢測和監測槽的深度和寬度，從而有效地識別和跟蹤槽阻塞。對于生產(chǎn)環(huán)境，通過(guò)SensoPRO軟件插件可以進(jìn)行自動(dòng)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及其與水浸沒(méi)條件兼容的共焦技術(shù)可以在調節和拋光階段后有效地表征墊面的粗糙度。監測墊的狀態(tài)可以確定調節的最佳時(shí)間和需要再生墊面的最佳持續時(shí)間。這些功能有助于延長(cháng)墊的可用壽命，最小化對控制晶片的需求，并優(yōu)化整個(gè)過(guò)程，從而避免對完成的晶片進(jìn)行重新處理。

此圖像顯示了在拋光過(guò)程中墊的粗糙度高度如何變化。當拋光持續數小時(shí)時(shí)，可以在表面分布中觀(guān)察到一個(gè)“光澤峰"。在整個(gè)過(guò)程中定期監測墊面使得可以干預并調節墊面，使其恢復到其初始狀態(tài)。使用此信息優(yōu)化您的拋光過(guò)程并獲得一致的結果。

圖8. 圖像顯示了在拋光過(guò)程中墊面粗糙度高度的變化。經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的拋光后，表面分布中出現了一個(gè)“光澤峰"。通過(guò)在拋光過(guò)程中定期監測墊面，可以適當地調整墊面（干預），以將表面狀態(tài)恢復到初始狀態(tài)。

圖9. 圖像顯示了干預前的墊子（黑色）與干預后的墊子（紅色）的比較。左側的圖像是經(jīng)過(guò)6小時(shí)拋光過(guò)程后的表面，而右側的圖像是經(jīng)過(guò)12小時(shí)后的。

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

自動(dòng)分析

S mart 2傳感器使得對表面參數的精確控制變得容易。所獲得的數據的分析可以被自動(dòng)化，允許操作員將傳感器放置在墊面上，獲取測量值并獲得報告。Sensofar的SensoPRO軟件自動(dòng)顯示目標參數值以及特定容差的通過(guò)/失敗報告，簡(jiǎn)化了流程并減少了出錯的可能性。

SensoPRO是質(zhì)量控制經(jīng)理的強大工具，允許直接比較數據集并為CMP監測建立自動(dòng)容差。有了SensoPRO，您可以快速且輕松地分析和比較數據，確保持續的質(zhì)量和流程控制。

結論

CMP確保在晶片上構建的結構的平整性和功能性。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，CMP變得越來(lái)越重要，使其成為研究人員和制造商的關(guān)鍵關(guān)注領(lǐng)域。在這個(gè)背景下，現場(chǎng)表面測量對于監控CMP過(guò)程、降低成本和確保質(zhì)量至關(guān)重要。Sensofar的新款S mart 2提供先進(jìn)的采集和分析工具來(lái)支持CMP研究和質(zhì)量控制。通過(guò)利用S mart 2的高級功能，研究人員和制造商可以?xún)?yōu)化他們的CMP過(guò)程，獲得**的結果，并在一個(gè)迅速發(fā)展的行業(yè)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).