Quali sono i metodi per la lucidatura dei wafer?

Di tutti i processi coinvolti nella creazione di un chip, il destino finale delwaferdeve essere tagliato in fustelle individuali e confezionato in piccole scatole chiuse con solo pochi spilli esposti. Il chip verrà valutato in base ai valori di soglia, resistenza, corrente e tensione, ma nessuno ne prenderà in considerazione l'aspetto. Durante il processo di produzione, lucidiamo ripetutamente il wafer per ottenere la planarizzazione necessaria, in particolare per ogni fase della fotolitografia. ILwaferla superficie deve essere estremamente piatta perché, man mano che il processo di produzione del chip si restringe, la lente della macchina per fotolitografia deve raggiungere una risoluzione su scala nanometrica aumentando l'apertura numerica (NA) della lente. Tuttavia, ciò riduce contemporaneamente la profondità di fuoco (DoF). La profondità di fuoco si riferisce alla profondità entro la quale il sistema ottico può mantenere la messa a fuoco. Per garantire che l'immagine fotolitografia rimanga chiara e a fuoco, le variazioni superficiali delwaferdeve rientrare nella profondità di campo.

In termini semplici, la macchina per fotolitografia sacrifica la capacità di messa a fuoco per migliorare la precisione dell'immagine. Ad esempio, le macchine fotolitografiche EUV di nuova generazione hanno un’apertura numerica di 0,55, ma la profondità di messa a fuoco verticale è di soli 45 nanometri, con un intervallo di imaging ottimale ancora più piccolo durante la fotolitografia. Se ilwafernon è piatto, ha uno spessore irregolare o ondulazioni superficiali, causerà problemi durante la fotolitografia nei punti alti e bassi.

La fotolitografia non è l'unico processo che richiede una finitura lisciawafersuperficie. Anche molti altri processi di produzione di chip richiedono la lucidatura dei wafer. Ad esempio, dopo l'incisione a umido, è necessaria la lucidatura per levigare la superficie ruvida per il successivo rivestimento e deposizione. Dopo l'isolamento superficiale della trincea (STI), è necessaria la lucidatura per livellare il biossido di silicio in eccesso e completare il riempimento della trincea. Dopo la deposizione del metallo, è necessaria la lucidatura per rimuovere gli strati metallici in eccesso e prevenire cortocircuiti del dispositivo.

Pertanto, la nascita di un chip prevede numerose fasi di lucidatura per ridurre la rugosità e le variazioni superficiali del wafer e per rimuovere il materiale in eccesso dalla superficie. Inoltre, i difetti superficiali causati da vari problemi di processo sul wafer spesso diventano evidenti solo dopo ogni fase di lucidatura. Pertanto, gli ingegneri responsabili della lucidatura hanno una responsabilità significativa. Sono loro le figure centrali nel processo di produzione dei chip e spesso ne sono responsabili durante le riunioni di produzione. Devono essere esperti sia nell'incisione a umido che nell'output fisico, come nelle principali tecniche di lucidatura nella produzione di chip.

Quali sono i metodi di lucidatura dei wafer?

I processi di lucidatura possono essere classificati in tre categorie principali in base ai principi di interazione tra il liquido lucidante e la superficie del wafer di silicio:

1. Metodo di lucidatura meccanica:
La lucidatura meccanica rimuove le sporgenze della superficie lucida attraverso il taglio e la deformazione plastica per ottenere una superficie liscia. Gli strumenti comuni includono pietre oleose, ruote di lana e carta vetrata, azionate principalmente a mano. Parti speciali, come le superfici dei corpi rotanti, possono utilizzare piattaforme girevoli e altri strumenti ausiliari. Per le superfici con requisiti di alta qualità è possibile utilizzare metodi di lucidatura superfine. La lucidatura superfine utilizza strumenti abrasivi appositamente realizzati che, in un liquido lucidante contenente abrasivo, vengono premuti saldamente contro la superficie del pezzo e ruotati ad alta velocità. Questa tecnica può raggiungere una ruvidità superficiale di Ra0,008μm, la più alta tra tutti i metodi di lucidatura. Questo metodo è comunemente utilizzato per gli stampi per lenti ottiche.

2. Metodo di lucidatura chimica:
La lucidatura chimica prevede la dissoluzione preferenziale delle microprotuberanze sulla superficie del materiale in un mezzo chimico, ottenendo una superficie liscia. I principali vantaggi di questo metodo sono la mancanza di attrezzature complesse, la capacità di lucidare pezzi di forma complessa e la capacità di lucidare molti pezzi contemporaneamente con elevata efficienza. La questione centrale della lucidatura chimica è la formulazione del liquido lucidante. La rugosità superficiale ottenuta mediante lucidatura chimica è tipicamente di diverse decine di micrometri.

3. Metodo di lucidatura chimico-meccanica (CMP):
Ciascuno dei primi due metodi di lucidatura presenta vantaggi unici. La combinazione di questi due metodi può ottenere effetti complementari nel processo. La lucidatura chimico-meccanica combina processi di attrito meccanico e corrosione chimica. Durante la CMP, i reagenti chimici nel liquido lucidante ossidano il materiale del substrato lucidato, formando uno strato di ossido morbido. Questo strato di ossido viene poi rimosso mediante attrito meccanico. Ripetendo questo processo di ossidazione e rimozione meccanica si ottiene una lucidatura efficace.

Sfide e problemi attuali nella lucidatura chimico-meccanica (CMP):

CMP affronta diverse sfide e questioni nei settori della tecnologia, dell’economia e della sostenibilità ambientale:

1) Coerenza del processo: raggiungere un’elevata coerenza nel processo CMP rimane una sfida. Anche all'interno della stessa linea di produzione, piccole variazioni nei parametri di processo tra diversi lotti o apparecchiature possono influenzare la consistenza del prodotto finale.

2) Adattabilità ai nuovi materiali: man mano che nuovi materiali continuano ad emergere, la tecnologia CMP deve adattarsi alle loro caratteristiche. Alcuni materiali avanzati potrebbero non essere compatibili con i tradizionali processi CMP, richiedendo lo sviluppo di liquidi lucidanti e abrasivi più adattabili.

3) Effetti delle dimensioni: poiché le dimensioni dei dispositivi a semiconduttore continuano a ridursi, i problemi causati dagli effetti delle dimensioni diventano più significativi. Dimensioni più piccole richiedono una maggiore planarità della superficie, rendendo necessari processi CMP più precisi.

4) Controllo della velocità di rimozione del materiale: in alcune applicazioni, è fondamentale il controllo preciso della velocità di rimozione del materiale per diversi materiali. Garantire tassi di rimozione coerenti tra i vari strati durante il CMP è essenziale per la produzione di dispositivi ad alte prestazioni.

5) Rispetto dell'ambiente: i liquidi lucidanti e gli abrasivi utilizzati in CMP possono contenere componenti dannosi per l'ambiente. La ricerca e lo sviluppo di processi e materiali CMP più rispettosi dell’ambiente e sostenibili rappresentano sfide importanti.

6) Intelligenza e automazione: sebbene il livello di intelligenza e automazione dei sistemi CMP stiano gradualmente migliorando, devono ancora far fronte ad ambienti di produzione complessi e variabili. Raggiungere livelli più elevati di automazione e monitoraggio intelligente per migliorare l’efficienza produttiva è una sfida che deve essere affrontata.

7) Controllo dei costi: il CMP comporta costi elevati di attrezzature e materiali. I produttori devono migliorare le prestazioni dei processi cercando al contempo di ridurre i costi di produzione per mantenere la competitività sul mercato.