化學(xué)機(jī)械平面化（CMP）是半導(dǎo)體、硬盤和LED晶片制造行業(yè)的關(guān)鍵過程，用于實(shí)現(xiàn)基板晶片所需的平整度。平面化對(duì)于確保結(jié)構(gòu)內(nèi)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。

       隨著特征尺寸繼續(xù)縮小和集成級(jí)別繼續(xù)提高，CMP預(yù)計(jì)在未來微電子設(shè)備的發(fā)展中將扮演越來越重要的角色。通過精確控制表面地形和材料屬性，CMP可以實(shí)現(xiàn)新型的設(shè)備架構(gòu)，如3D堆疊、finFETs、納米線和量子點(diǎn)。此外，化學(xué)機(jī)械平面化還可以通過克服傳統(tǒng)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。

圖1. CMP過程示意圖

CMP是如何工作的？

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

在集成電路（ICs）中對(duì)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(xiàn)多級(jí)互連。 對(duì)淺溝槽隔離（STI）結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面化，以隔離活性設(shè)備并防止漏電流。 對(duì)絕緣體上的硅（SOI）基板進(jìn)行平面化，增強(qiáng)設(shè)備性能并減少功耗。 對(duì)微電機(jī)電子系統(tǒng)（MEMS）進(jìn)行平面化，以提高功能性并與ICs集成。 對(duì)計(jì)算機(jī)硬盤的磁盤和讀/寫頭進(jìn)行平面化，以增加存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸率。 在CMP過程中，晶片被固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)夾具上，并被壓在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的拋光墊上。同時(shí)，一種磨料化學(xué)液體（稱為漿料）在晶片和墊之間分布。化學(xué)漿料弱化了晶片的表面，允許墊的粗糙度去除材料。此過程重復(fù)，直到達(dá)到所需的平面度。

      MP是一個(gè)復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的過程，涉及許多參數(shù)，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過程的質(zhì)量中起到了重要作用，因?yàn)樗?們會(huì)影響從晶片上去除的材料量。由于拋光墊在拋光過程中退化，需要不斷進(jìn)行再調(diào)整。這通常是通過在墊表面上的一種磨料過程來完成的，使用由不銹鋼或電鍍金剛石制成的旋轉(zhuǎn)磨料或調(diào)整磁盤。

圖2. CMP前后在金屬線上的內(nèi)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(jì)量學(xué)

       在化學(xué)機(jī)械平面化（CMP）過程中，表面計(jì)量學(xué)是關(guān)鍵，因?yàn)楸砻嬷g的機(jī)械相互作用是所有過程階段的一個(gè)重要變量。在CMP過程中需要定期表征的表面包括調(diào)節(jié)盤面、晶圓表面和墊表面。

       在高產(chǎn)量生產(chǎn)環(huán)境中，在拋光過程的自然暫停期間（例如更換晶片時(shí)）進(jìn)行無損的實(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(shù)的漂移，并協(xié)助驗(yàn)證過程更改。最終的目標(biāo)是延長消耗品的使用壽命并提高整個(gè)過程的產(chǎn)量，這對(duì)于任何成功的制造操作都是至關(guān)重要的。

圖4. 調(diào)節(jié)盤面的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

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

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

墊光澤

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

與槽阻塞不同，墊光澤不能容易預(yù)測，并需要持續(xù)監(jiān)測以確保CMP過程的理想性能。

       對(duì)于槽阻塞和墊光澤，實(shí)時(shí)墊面監(jiān)測是至關(guān)重要的。為此，所使用的計(jì)量學(xué)方法必須能夠在濕潤條件下工作。浸沒計(jì)量學(xué)是*一能滿足這些要求的方法。

       這種方法的主要好處是，墊不需要從拋光機(jī)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(jiān)測墊光澤和槽阻塞。實(shí)地計(jì)量學(xué)已被證明可以延長墊的使用壽命，允許操作員使用墊，直到它們的有用壽命結(jié)束。

圖5. 浸沒目標(biāo)

實(shí)地浸沒計(jì)量系統(tǒng)

       幾年前，Sensofar與行業(yè)專家合作開發(fā)了一種用于CMP過程的創(chuàng)新表面計(jì)量解決方案。目標(biāo)是通過只在必要時(shí)更換墊片，提高每個(gè)墊片的產(chǎn)量并最小化拋光系統(tǒng)的停機(jī)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(jì)量系統(tǒng)，稱為S mart 2。

       使用S mart 2，您可以使用便攜式支架快速評(píng)估拋光墊的狀態(tài)，并在墊片仍在拋光系統(tǒng)內(nèi)時(shí)將傳感器放置在墊片上。新的頭部設(shè)計(jì)得更輕、更緊湊。它具有內(nèi)置的電子控制器，使其成為一個(gè)即插即用的系統(tǒng)，只需要兩個(gè)從頭部退出的電纜（電源和通信）。

       S mart 2系統(tǒng)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(dú)立系統(tǒng)使用，或作為自動(dòng)計(jì)量解決方案集成到生產(chǎn)線中。使用S mart 2，您可以迅速獲取和分析數(shù)據(jù)，有效監(jiān)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S mart 2的推出，監(jiān)控墊片條件并成功延長其使用壽命變得更加容易。

S mart 2用于CMP監(jiān)測

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

       S mart 2傳感器提供了一種獨(dú)*的計(jì)量方法，與適當(dāng)?shù)慕]目標(biāo)配合時(shí)，即使仍在拋光機(jī)上也能準(zhǔn)確測量墊片的粗糙度。

       監(jiān)測槽阻塞 通過利用共焦和Ai焦點(diǎn)變化技術(shù)，可以迅速檢測和監(jiān)測槽的深度和寬度，從而有效地識(shí)別和跟蹤槽阻塞。對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境，通過SensoPRO軟件插件可以進(jìn)行自動(dòng)分析，該插件獨(dú)立地確定槽的寬度和深度，而不考慮其方向。

圖7. 新墊槽的3D測量

墊光澤監(jiān)測

       Smart 2及其與水浸沒條件兼容的共焦技術(shù)可以在調(diào)節(jié)和拋光階段后有效地表征墊面的粗糙度。監(jiān)測墊的狀態(tài)可以確定調(diào)節(jié)的最佳時(shí)間和需要再生墊面的最佳持續(xù)時(shí)間。這些功能有助于延長墊的可用壽命，最小化對(duì)控制晶片的需求，并優(yōu)化整個(gè)過程，從而避免對(duì)完成的晶片進(jìn)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(dāng)拋光持續(xù)數(shù)小時(shí)時(shí)，可以在表面分布中觀察到一個(gè)“光澤峰"。在整個(gè)過程中定期監(jiān)測墊面使得可以干預(yù)并調(diào)節(jié)墊面，使其恢復(fù)到其初始狀態(tài)。使用此信息優(yōu)化您的拋光過程并獲得一致的結(jié)果。

圖8. 圖像顯示了在拋光過程中墊面粗糙度高度的變化。經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)的拋光后，表面分布中出現(xiàn)了一個(gè)“光澤峰"。通過在拋光過程中定期監(jiān)測墊面，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整墊面（干預(yù)），以將表面狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖9. 圖像顯示了干預(yù)前的墊子（黑色）與干預(yù)后的墊子（紅色）的比較。左側(cè)的圖像是經(jīng)過6小時(shí)拋光過程后的表面，而右側(cè)的圖像是經(jīng)過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(duì)表面參數(shù)的精確控制變得容易。所獲得的數(shù)據(jù)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(bào)告。Sensofar的SensoPRO軟件自動(dòng)顯示目標(biāo)參數(shù)值以及特定容差的通過/失敗報(bào)告，簡化了流程并減少了出錯(cuò)的可能性。

       SensoPRO是質(zhì)量控制經(jīng)理的強(qiáng)大工具，允許直接比較數(shù)據(jù)集并為CMP監(jiān)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(shù)據(jù)，確保持續(xù)的質(zhì)量和流程控制。

圖11. 軟件截圖示例

圖12. 地形示例

結(jié)論

       CMP確保在晶片上構(gòu)建的結(jié)構(gòu)的平整性和功能性。隨著技術(shù)的進(jìn)步，CMP變得越來越重要，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(xiàn)場表面測量對(duì)于監(jiān)控CMP過程、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支持CMP研究和質(zhì)量控制。通過利用S mart 2的高級(jí)功能，研究人員和制造商可以優(yōu)化他們的CMP過程，獲得卓*的結(jié)果，并在一個(gè)迅速發(fā)展的行業(yè)中保持領(lǐng)*地位。