التلميع الكيميائي الميكانيكي
التلميع الكيميائي الميكانيكي ( CMP ) (ويُسمى أيضًا التسوية الكيميائية الميكانيكية ) هو عملية لتنعيم الأسطح باستخدام مزيج من القوى الكيميائية والميكانيكية. ويمكن اعتباره مزيجًا بين الحفر الكيميائي والتلميع الكاشط الحر . [ 1 ] يُستخدم في صناعة أشباه الموصلات لتلميع رقائق أشباه الموصلات كجزء من عملية تصنيع الدوائر المتكاملة. [ 2 ]
وصف
تستخدم عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي عادةً ثاني أكسيد السيريوم كمادة كاشطة. [ 3 ]
تستخدم هذه العملية معجونًا كيميائيًا كاشطًا ومُؤكِلًا (عادةً ما يكون غروانيًا ) مع وسادة تلميع وحلقة تثبيت ، عادةً ما يكون قطرها أكبر من قطر الرقاقة. يتم ضغط الوسادة والرقاقة معًا بواسطة رأس تلميع ديناميكي، وتُثبّت في مكانها بواسطة حلقة تثبيت بلاستيكية. يدور رأس التلميع الديناميكي حول محاور دوران مختلفة (أي ليست متحدة المركز ). يؤدي ذلك إلى إزالة المادة وتسوية أي تضاريس غير منتظمة ، مما يجعل الرقاقة مسطحة. قد يكون هذا ضروريًا لتجهيز الرقاقة لتشكيل عناصر دوائر إضافية. على سبيل المثال، يمكن لعملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) جعل السطح بأكمله ضمن عمق مجال نظام الطباعة الضوئية ، أو إزالة المادة بشكل انتقائي بناءً على موضعها. تصل متطلبات عمق المجال عادةً إلى مستويات أنغستروم لأحدث تقنيات 22 نانومتر.
مبادئ العمل
الحركة البدنية
تتكون أدوات التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) النموذجية، مثل تلك الموضحة على اليمين، من صفيحة مسطحة للغاية مغطاة بوسادة دوارة. تُثبّت الرقاقة المراد تلميعها رأسًا على عقب في حامل/مغزل على غشاء داعم. تحافظ حلقة التثبيت (الشكل 1) على الرقاقة في الوضع الأفقي الصحيح. أثناء عملية تحميل وتفريغ الرقاقة على الأداة، يُثبّت الحامل الرقاقة بواسطة فراغ لمنع تراكم الجزيئات غير المرغوب فيها على سطحها. تقوم آلية إدخال المعجون بترسيب المعجون على الوسادة، ممثلة بمصدر المعجون في الشكل 1. ثم تُدار كل من الصفيحة والحامل مع استمرار تذبذب الحامل؛ ويمكن رؤية ذلك بشكل أفضل في المنظر العلوي للشكل 2. يُطبّق ضغط/قوة سفلية على الحامل، دافعًا إياه باتجاه الوسادة؛ عادةً ما تكون هذه القوة متوسطة، ولكن يلزم ضغط موضعي لآليات الإزالة. تعتمد القوة السفلية على مساحة التلامس، والتي بدورها تعتمد على بنية كل من الرقاقة والوسادة. عادةً ما تتميز وسادات التلميع بخشونة سطحية تبلغ 50 ميكرومترًا؛ ويتم التلامس عبر النتوءات (التي عادةً ما تكون أعلى النقاط على الرقاقة)، ونتيجةً لذلك، لا تمثل مساحة التلامس سوى جزء صغير من مساحة الرقاقة. في عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP)، يجب مراعاة الخصائص الميكانيكية للرقاقة نفسها أيضًا. فإذا كانت الرقاقة ذات بنية مقوسة قليلًا، فسيكون الضغط أكبر على الحواف منه على المركز، مما يؤدي إلى تلميع غير منتظم. وللتعويض عن تقوس الرقاقة، يمكن تطبيق ضغط على الجانب الخلفي منها، مما يُعادل بدوره الفروقات بين المركز والحواف. يجب أن تكون الوسادات المستخدمة في أداة التلميع الكيميائي الميكانيكي صلبة لضمان تلميع سطح الرقاقة بشكل منتظم. ومع ذلك، يجب الحفاظ على محاذاة هذه الوسادات الصلبة مع الرقاقة في جميع الأوقات. لذلك، غالبًا ما تكون الوسادات الحقيقية عبارة عن طبقات من مواد لينة وصلبة تتوافق مع تضاريس الرقاقة إلى حد ما. تُصنع هذه الضمادات عادةً من مواد بوليمرية مسامية يتراوح حجم مسامها بين 30 و50 ميكرومترًا، ونظرًا لاستهلاكها خلال عملية التصنيع، يجب إعادة تأهيلها بانتظام. وفي أغلب الأحيان، تكون هذه الضمادات ملكية فكرية خاصة، ويُشار إليها عادةً بأسماء علاماتها التجارية بدلًا من خصائصها الكيميائية أو غيرها.
التأثير الكيميائي
التلميع الكيميائي الميكانيكي أو التسوية هو عملية لتنعيم الأسطح باستخدام مزيج من القوى الكيميائية والميكانيكية. ويمكن اعتباره مزيجًا بين التخريش الكيميائي والتلميع الكاشط الحر .
الاستخدام في تصنيع أشباه الموصلات
قبل عام 1990 تقريبًا، كان يُنظر إلى عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) على أنها "غير نظيفة" بما يكفي لاستخدامها في عمليات التصنيع عالية الدقة، نظرًا لأن الاحتكاك يميل إلى تكوين جزيئات، فضلًا عن أن المواد الكاشطة نفسها لا تخلو من الشوائب. ومنذ ذلك الحين، انتقلت صناعة الدوائر المتكاملة من استخدام موصلات الألومنيوم إلى النحاس . وقد استلزم ذلك تطوير عملية نقش إضافية ، تعتمد على القدرات الفريدة لعملية التلميع الكيميائي الميكانيكي لإزالة المواد بشكل مستوٍ وموحد، والتوقف بشكل متكرر عند السطح الفاصل بين النحاس وطبقات العزل الأكسيدية (انظر قسم " وصلات النحاس" لمزيد من التفاصيل). وقد ساهم اعتماد هذه العملية في انتشار استخدام التلميع الكيميائي الميكانيكي على نطاق واسع. وبالإضافة إلى الألومنيوم والنحاس، تم تطوير عمليات التلميع الكيميائي الميكانيكي لتلميع التنجستن وثاني أكسيد السيليكون .
القيود
توجد حاليًا عدة قيود على عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) تظهر أثناء عملية التلميع، مما يستدعي تطوير تقنية جديدة لتحسينها. وعلى وجه الخصوص، يلزم تحسين قياسات الرقاقات [ 4 ] . بالإضافة إلى ذلك، تبيّن أن عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي تنطوي على عدة عيوب محتملة، منها تشقق الإجهاد ، وانفصال الطبقات عند نقاط التماس الضعيفة، والتآكل الناتج عن المواد الكيميائية المستخدمة في عملية التلميع . أما عملية تلميع الأكسيد، وهي الأقدم والأكثر استخدامًا في الصناعة اليوم، فتعاني من مشكلة واحدة: عدم وجود نقاط نهاية محددة، مما يستلزم التلميع العشوائي، الأمر الذي يصعب معه تحديد متى تمت إزالة الكمية المطلوبة من المادة أو الوصول إلى درجة التسطيح المطلوبة. إذا لم يتم ترقيق طبقة الأكسيد بشكل كافٍ و/أو لم يتم تحقيق درجة التسطيح المطلوبة خلال هذه العملية، فإنه (نظريًا) يمكن إعادة تلميع الرقاقة، ولكن عمليًا، يُعدّ هذا غير مرغوب فيه في الإنتاج، ويجب تجنبه قدر الإمكان. إذا كان سمك طبقة الأكسيد رقيقًا جدًا أو غير منتظم، فيجب إعادة معالجة الرقاقة، وهي عملية أقل جدوى وعرضة للفشل. من الواضح أن هذه الطريقة تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة، إذ يتطلب من الفنيين مزيدًا من الانتباه أثناء تنفيذها.
طلب
عزل الخنادق الضحلة (STI)، وهي عملية تُستخدم في تصنيع أشباه الموصلات، تقنيةٌ تُحسّن العزل بين الأجهزة والمناطق الفعّالة. كما تتميز STI بدرجة عالية من التسطيح، مما يجعلها ضرورية في تطبيقات الطباعة الضوئية ، حيث تُقلّل من عمق التركيز عن طريق تقليل الحد الأدنى لعرض الخط. لتسوية الخنادق الضحلة، تُستخدم طريقة شائعة مثل الجمع بين إزالة طبقة المقاوم الضوئي (REB) والتلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP). تتم هذه العملية وفق تسلسل مُحدد كما يلي: أولًا، يُنقل نمط خندق العزل إلى رقاقة السيليكون. ثم يُرسب أكسيد السيليكون على الرقاقة على شكل خنادق. بعد ذلك، يُرسم قناع ضوئي، مُكوّن من نتريد السيليكون ، فوق طبقة الأكسيد هذه. وأخيرًا، تُضاف طبقة ثانية إلى الرقاقة لإنشاء سطح مستوٍ. بعد ذلك، يُؤكسد السيليكون حراريًا، فينمو الأكسيد في المناطق الخالية من Si₃N₄ ، ويتراوح سمكه بين 0.5 و1.0 ميكرومتر. ولأنّ المواد المؤكسدة ، كالماء والأكسجين، لا تستطيع الانتشار عبر القناع، فإنّ طبقة النيتريد تمنع الأكسدة. ثمّ تُستخدم عملية الحفر لحفر الرقاقة وترك كمية صغيرة من الأكسيد في المناطق الفعّالة. وفي النهاية، تُستخدم عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) لتلميع طبقة SiO₂ العلوية مع طبقة الأكسيد الموجودة على المنطقة الفعّالة.
مصنعي المعدات الأصلية وموردي المواد الاستهلاكية
تشمل الشركات المصنعة والموردة الرئيسية في مجال التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) موردي المعدات مثل شركة أبلايد ماتيريالز وشركة إيبارا . أما موردي وسادات التلميع والمواد التلميعية الاستهلاكية فهم شركات إنتغريس ، وكوينيتي إلكترونيكس ، وميرك ، وفوجي فيلم ، وهيتاشي ، و 3M ، وريزوناك .
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ ماهاديفاير كريشنان، جاكوب دبليو. نالاسكوسكي، ولي إم. كوك، "التسوية الكيميائية الميكانيكية: كيمياء المعلقات، والمواد، والآليات"، مجلة الكيمياء، 2010، المجلد 110، الصفحات 178-204. doi : 10.1021/cr900170z
- ↑ أوليفر ، مايكل ر.، محرر. (2004). "التسوية الكيميائية الميكانيكية لمواد أشباه الموصلات" . سلسلة سبرينغر في علوم المواد . 69. doi : 10.1007/978-3-662-06234-0 . ISBN 978-3-642-07738-8ISSN 0933-033X
- ^ راينهارت، كلاوس. وينكلر، هيرويج (2000). “ميشميتال السيريوم وسبائك السيريوم ومركبات السيريوم”. موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . فاينهايم: وايلي-VCH. دوى : 10.1002/14356007.a06_139 . رقم ISBN 978-3-527-30673-2..
- ↑ https://sst.semiconductor-digest.com/1996/07/a-dirty-job-the-challenge-of-cmp/
الكتب
- معالجة السيليكون لعصر الدوائر المتكاملة واسعة النطاق - المجلد الرابع: تكنولوجيا المعالجة الدقيقة للغاية - إس وولف، 2002، رقم ISBN 978-0-9616721-7-1، الفصل الثامن "التلميع الكيميائي الميكانيكي" الصفحات 313-432
روابط خارجية
- "معدات التلميع والتسوية الكيميائية الميكانيكية (CMP)"، من إنتاج شركة كريستك تكنولوجي تريدينج المحدودة، تم الحصول عليها من: http://www.crystec.com/alpovere.htm
- "الاستواء الميكانيكي الكيميائي"، للدكتور وانغ زينجفينج، والدكتور يين لينج، ونج سوم هوان، وتيو فايك لوان، تم الحصول عليه من: http://maltiel-consulting.com/CMP-Chemical-mechanical_planarization_maltiel_semiconductor.pdf
- تصنيع أجهزة أشباه الموصلات