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CMP (Chemical Mechanical Polishing)

CMP è una tecnica di processo fisico-chimico, che serve a planarizzare perfettamente la superficie del wafer; tale planarizzazione avviene tramite l’asportazione di uno strato di materiale dalla superficie del wafer, attraverso un processo di abrasione (denominato polishing, in italiano lappatura); il processo consiste nel posizionare il wafer su dei dischi che lo lucidano meccanicamente; contemporaneamente all'azione meccanica, una pasta abrasiva (slurry) svolge un'azione chimica, indebolendo i legami strutturali del materiale da asportare.

Schema di una macchina per CMP

La macchina che realizza il processo di CMP è costituita da:

• strutture a disco che ruotano (polishing table);
• dischi di materiale che vengono installati sui dischi che ruotano (polishing pad);
• particelle che abradono la superficie e la attaccano chimicamente;
• un sistema che distribuisce le particelle su tutto il pad;
• un sistema che trasporta il wafer sul pad (carrier pad);

Il processo di CMP si svolge nel seguente modo:

1. Le particelle vengono distribuite su tutto il pad
2. Il polishing table ruota e la rotazione permette il trasporto delle particelle sotto il wafer e la rimozione del residuo di lavorazione
3. Contemporaneamente si procede con una pulitura del pad che serve a ripulirlo dai residui eventualmente rimasti intrappolati sulla superficie
4. Il carrier trasporta il wafer sul pad e viene premuto contro di esso
5. A questo punto le particelle abrasive rimuovono il materiale sulla superficie del wafer, le zone a più alta quota vengono erose prima ottenendo la planarizzazione

L’agente abrasivo (slurry) varia in base alla sostanza da abradere: se si deve fare il CMP di ossidi la sostanza più utilizzata è l’ossido di silicio, se invece si devono planarizzare dei metalli si utilizza l’ossido di alluminio. La slurry deve inoltre presentare una certa selettività per i materiali, infatti l’attacco abrasivo non è solo fisico, ma anche chimico. Nel CMP dell’ossido è molto importante il ruolo svolto dall’acqua. Le molecole d’acqua penetrano all’interno dell’ossido e reagiscono con l’ossido stesso dando dei prodotti altamente solubili che possono essere rimossi facilmente.

$\mathrm {(SiO_{2})_{x}} +\mathrm {2H_{2}O} \longrightarrow \mathrm {(SiO_{2})_{x-1}} +\mathrm {Si(OH)_{4}} \;$

I fattori più importanti nei processi di CMP sono:

• diametro delle particelle della slurry
• pressione esercitata sul wafer

Si noti che, utilizzando una slurry con elevata densità di particelle, nel caso di slurry con particelle di grosso diametro la superficie di contatto tra particelle e wafer sarà minore rispetto al caso di particelle di diametro contenuto. Dunque il CMP sarà più efficace utilizzando particelle di piccole dimensioni. Se invece la densità delle particelle nello slurry è bassa, allora la dimensione delle particelle stesse è poco influente.

Altri parametri che influenzano la buona riuscita del CMP sono il condizionamento del panno utilizzato (all'aumentare dei wafer processati il tasso di rimozione peggiora) e, nel caso di CMP di ossidi, la concentrazione di droganti nell'ossido stesso (gli ossidi più drogati presentano un polish rate maggiore rispetto agli ossidi meno drogati o non drogati affatto).

Sistemi di end point

Il CMP di un materiale dovrà fermarsi quando la superficie è stata planarizzata. Esistono diverse tecniche di end point, le più utilizzate sono l' Optical endpoint ed il Friction endpoint. Questi due metodi sono utili quando si deve abradere un certo materiale fino a scoprire un diverso materiale che si trova negli strati sottostanti del circuito. L'optical endpoint opera attraverso l'utilizzo di un laser. Si misura l'intensità della luce riflessa dal wafer; la riflettività dipenderà dal tipo di materiale esposto in superficie, quando viene raggiunto uno strato sottostante, composto da un materiale diverso da quello che si vuole planarizzare, l'intensità della luce riflessa cambia ed il processo di CMP viene interrotto. Il friction endpoint misura l'attrito esercitato dal wafer sul pad attraverso la misura della corrente necessaria a mantenere una velocità di rotazione costante. Al variare del materiale varia la forza d'attrito, quindi la corrente richiesta, ed il CMP si arresta. I due metodi visti sopra non sono idonei nel caso in cui il processo di CMP inizia e termina all'interno di uno stesso materiale, ad esempio quando si deve planarizzare la superficie di un ossido BPSG che, per la sua natura fluida, presenta un profilo molto ondulato subito dopo la deposizione. In questo caso, per decidere il punto di arresto, si utilizzano i risultati dei Test time to planarity. Il test fornisce, sotto forma di grafico, il grado di planarizzazione raggiunto da un certo materiale al trascorrere del tempo. Una volta deciso il grado di lisciatura richiesto si legge sul grafico il tempo di processo necessario al raggiungimento dell'obbiettivo.