Silicon Wafer CMP Polishing Slurry คืออะไร

สารละลายขัดเงา CMP (Chemical Mechanical Planarization) ของซิลิคอนเวเฟอร์เป็นองค์ประกอบสำคัญในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยมีบทบาทสำคัญในการรับประกันว่าเวเฟอร์ซิลิคอนที่ใช้ในการสร้างวงจรรวม (IC) และไมโครชิป ได้รับการขัดเกลาจนถึงระดับความเรียบเนียนที่แน่นอนซึ่งจำเป็นสำหรับขั้นตอนการผลิตขั้นต่อไป ในบทความนี้เราจะสำรวจบทบาทของสารละลายซีเอ็มพีในการประมวลผลแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน องค์ประกอบ วิธีการทำงาน และเหตุใดจึงขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

การขัด CMP คืออะไร?

ก่อนที่เราจะเจาะลึกถึงข้อมูลเฉพาะของสารละลาย CMP จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจกระบวนการของ CMP ก่อน CMP คือการผสมผสานระหว่างกระบวนการทางเคมีและทางกลที่ใช้ในการวางแผน (ปรับให้เรียบ) พื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอน กระบวนการนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการรับรองว่าแผ่นเวเฟอร์ปราศจากข้อบกพร่องและมีพื้นผิวที่สม่ำเสมอ ซึ่งจำเป็นสำหรับการสะสมของฟิล์มบางและกระบวนการอื่น ๆ ที่สร้างชั้นของวงจรรวมในภายหลัง

โดยทั่วไปการขัด CMP จะดำเนินการบนแท่นหมุน โดยจะมีการวางแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนไว้และกดลงบนแผ่นขัดที่หมุนได้ สารละลายถูกนำไปใช้กับแผ่นเวเฟอร์ในระหว่างกระบวนการเพื่ออำนวยความสะดวกทั้งการเสียดสีทางกลและปฏิกิริยาทางเคมีที่จำเป็นในการเอาวัสดุออกจากพื้นผิวแผ่นเวเฟอร์

สารละลายขัดเงา CMP เป็นสารแขวนลอยของอนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและสารเคมีที่ทำงานร่วมกันเพื่อให้ได้ลักษณะพื้นผิวเวเฟอร์ที่ต้องการ สารละลายถูกนำไปใช้กับแผ่นขัดในระหว่างกระบวนการ CMP ซึ่งทำหน้าที่หลักสองประการ:

• การสึกกร่อนทางกล: อนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนในสารละลายจะบดบังความไม่สมบูรณ์หรือความผิดปกติใดๆ บนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ออกไป
• ปฏิกิริยาเคมี: สารเคมีในสารละลายช่วยปรับเปลี่ยนวัสดุพื้นผิว ทำให้ง่ายต่อการขจัดออก ลดการสึกหรอบนแผ่นขัดเงา และปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของกระบวนการ

ส่วนประกอบสำคัญของสารละลาย CMP ของซิลิคอนเวเฟอร์

องค์ประกอบของสารละลาย CMP ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้เกิดความสมดุลที่สมบูรณ์แบบของการเสียดสีและปฏิกิริยาทางเคมี ส่วนประกอบที่สำคัญได้แก่:

1. อนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

อนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเป็นองค์ประกอบหลักของสารละลายซึ่งรับผิดชอบด้านกลไกของกระบวนการขัดเงา โดยทั่วไปอนุภาคเหล่านี้ทำจากวัสดุ เช่น อลูมินา (Al2O3) ซิลิกา (SiO2) หรือซีเรีย (CeO2) ขนาดและประเภทของอนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการใช้งานและประเภทของแผ่นเวเฟอร์ที่จะขัดเงา ขนาดอนุภาคมักจะอยู่ในช่วง 50 นาโนเมตรถึงหลายไมโครเมตร

• สารละลายที่มีอลูมินาเป็นหลักมักใช้สำหรับการขัดหยาบ เช่น ในระหว่างขั้นตอนการทำระนาบเบื้องต้น
• สารละลายที่มีซิลิกาเป็นหลักเป็นที่นิยมสำหรับการขัดเงาแบบละเอียด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการพื้นผิวที่เรียบและไม่มีข้อบกพร่อง
• สารละลายที่มีซีเรียมเป็นหลักบางครั้งใช้สำหรับขัดวัสดุเช่นทองแดงในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง

2. สารเคมี (รีเอเจนต์)

สารเคมีในสารละลายช่วยอำนวยความสะดวกในกระบวนการขัดเงาทางเคมีและเชิงกลโดยการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ สารเหล่านี้อาจรวมถึงกรด เบส ออกซิไดเซอร์ หรือสารก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนที่ช่วยขจัดวัสดุที่ไม่ต้องการออก หรือปรับเปลี่ยนคุณลักษณะพื้นผิวของเวเฟอร์

ตัวอย่างเช่น:

• สารออกซิไดเซอร์ เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) ช่วยออกซิไดซ์ชั้นโลหะบนแผ่นเวเฟอร์ ทำให้ขัดออกได้ง่ายขึ้น
• สารคีเลตสามารถจับกับไอออนของโลหะและช่วยป้องกันการปนเปื้อนของโลหะที่ไม่พึงประสงค์

องค์ประกอบทางเคมีของสารละลายได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้สมดุลที่เหมาะสมของการเสียดสีและปฏิกิริยาเคมี ซึ่งปรับให้เหมาะกับวัสดุและชั้นเฉพาะที่ถูกขัดบนแผ่นเวเฟอร์

3. สารปรับ pH

ค่า pH ของสารละลายมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างการขัด CMP ตัวอย่างเช่น สภาพแวดล้อมที่เป็นกรดหรือด่างสูงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการละลายของโลหะบางชนิดหรือชั้นออกไซด์บนแผ่นเวเฟอร์ได้ ตัวปรับ pH ใช้เพื่อปรับความเป็นกรดหรือความเป็นด่างของสารละลายอย่างละเอียดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน

4. สารช่วยกระจายตัวและความคงตัว

เพื่อให้แน่ใจว่าอนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนยังคงกระจายสม่ำเสมอทั่วทั้งสารละลายและไม่จับตัวเป็นก้อน จึงเติมสารช่วยกระจายตัว สารเติมแต่งเหล่านี้ยังช่วยรักษาเสถียรภาพของสารละลายและปรับปรุงอายุการเก็บรักษา ความสม่ำเสมอของสารละลายเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการบรรลุผลการขัดเงาที่สม่ำเสมอ

CMP Polishing Slurry ทำงานอย่างไร

กระบวนการ CMP ทำงานโดยการรวมการกระทำทางกลและทางเคมีเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ระนาบพื้นผิว เมื่อสารละลายถูกนำไปใช้กับแผ่นเวเฟอร์ อนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนจะบดวัสดุพื้นผิวออกไป ในขณะที่สารเคมีจะทำปฏิกิริยากับพื้นผิวเพื่อปรับเปลี่ยนในลักษณะที่สามารถขัดเงาได้ง่ายขึ้น การกระทำทางกลของอนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนทำงานโดยการขูดชั้นของวัสดุออกทางกายภาพ ในขณะที่ปฏิกิริยาทางเคมี เช่น ออกซิเดชันหรือการกัดจะทำให้วัสดุบางชนิดอ่อนตัวลงหรือละลาย ทำให้ง่ายต่อการกำจัดออก

ในบริบทของการประมวลผลเวเฟอร์ซิลิคอน สารละลายขัด CMP ถูกนำมาใช้เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ดังต่อไปนี้:

• ความเรียบและความเรียบ: การตรวจสอบให้แน่ใจว่าแผ่นเวเฟอร์มีพื้นผิวที่สม่ำเสมอและปราศจากข้อบกพร่องถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับขั้นตอนต่อไปในการผลิตชิป เช่น การพิมพ์หินด้วยแสงและการสะสมตัว
• การกำจัดวัสดุ: สารละลายช่วยขจัดฟิล์ม ออกไซด์ หรือชั้นโลหะที่ไม่ต้องการออกจากพื้นผิวเวเฟอร์
• ลดข้อบกพร่องที่พื้นผิว: องค์ประกอบของสารละลายที่เหมาะสมจะช่วยลดรอยขีดข่วน รูพรุน และข้อบกพร่องอื่นๆ ที่อาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของวงจรรวม

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันต้องใช้สารละลาย CMP ที่แตกต่างกัน เนื่องจากวัสดุแต่ละชนิดมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่แตกต่างกัน ต่อไปนี้เป็นวัสดุหลักบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และประเภทของสารละลายที่มักใช้ในการขัดเงา:

1. ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2)

ซิลิคอนไดออกไซด์เป็นหนึ่งในวัสดุทั่วไปที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยทั่วไปแล้วสารละลาย CMP ที่ใช้ซิลิกาจะใช้สำหรับการขัดชั้นซิลิคอนไดออกไซด์ สารละลายเหล่านี้โดยทั่วไปไม่รุนแรงและได้รับการออกแบบมาเพื่อให้พื้นผิวเรียบในขณะที่ลดความเสียหายให้กับชั้นที่อยู่ด้านล่าง

2. ทองแดง

ทองแดงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเชื่อมต่อระหว่างกัน และกระบวนการ CMP มีความซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากมีลักษณะที่อ่อนนุ่มและเหนียว โดยทั่วไปแล้วสารละลายทองแดง CMP นั้นมีพื้นฐานจากซีเรีย เนื่องจากซีเรียมีประสิทธิภาพในการขัดเงาทองแดงและโลหะอื่นๆ เป็นอย่างมาก สารละลายเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อขจัดวัสดุทองแดงในขณะที่หลีกเลี่ยงการสึกหรอหรือความเสียหายต่อชั้นอิเล็กทริกโดยรอบมากเกินไป

3. ทังสเตน (W)

ทังสเตนเป็นวัสดุอีกชนิดหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนติดต่อและผ่านการเติม สารละลายทังสเตน CMP มักจะมีอนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น ซิลิกาและสารเคมีเฉพาะที่ออกแบบมาเพื่อขจัดทังสเตนโดยไม่ส่งผลกระทบต่อชั้นที่อยู่ด้านล่าง

เหตุใด CMP Polishing Slurry จึงมีความสำคัญ

สารละลาย CMP เป็นส่วนสำคัญในการรับประกันว่าพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอนนั้นบริสุทธิ์ ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อการทำงานและประสิทธิภาพของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสุดท้าย หากไม่ได้กำหนดสูตรหรือใช้สารละลายอย่างระมัดระวัง อาจนำไปสู่ข้อบกพร่อง ความเรียบของพื้นผิวที่ไม่ดี หรือการปนเปื้อน ซึ่งทั้งหมดนี้อาจทำให้ประสิทธิภาพของไมโครชิปลดลง และเพิ่มต้นทุนการผลิตได้

ประโยชน์บางประการของการใช้สารละลาย CMP คุณภาพสูง ได้แก่:

• ผลผลิตเวเฟอร์ที่ได้รับการปรับปรุง: การขัดเงาที่เหมาะสมช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีเวเฟอร์จำนวนมากขึ้นที่ตรงตามข้อกำหนดที่กำหนด ลดจำนวนข้อบกพร่อง และเพิ่มผลผลิตโดยรวม
• เพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ: สารละลายที่เหมาะสมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการขัดเงา ลดเวลาและต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับการเตรียมแผ่นเวเฟอร์
• ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ได้รับการปรับปรุง: พื้นผิวเวเฟอร์ที่เรียบและสม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสิทธิภาพของวงจรรวม ซึ่งส่งผลกระทบต่อทุกอย่างตั้งแต่พลังการประมวลผลไปจนถึงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน