1. Introductie tot Oppervlaktepolijsttechnologieën

Om hoogwaardige oppervlakteafwerkingen te bereiken, verwijderen polijstprocessen materiaal van het werkstukoppervlak door de gecombineerde effecten van mechanische actie en chemische reacties. Deze processen maken doorgaans gebruik van fijne schuurdeeltjes samen met zachte polijstgereedschappen (zoals pech, polyurethaan en doek), chemische oplossingen, elektrische/magnetische velden of deeltjesbundels als hulpmethoden.

Volgens de verschillende betrokken materiaalverwijderingsmechanismen kunnen polijsttechnologieën hoofdzakelijk worden geclassificeerd als:

• Mechanisch polijsten
• Chemisch/elektrochemisch polijsten
• Chemisch mechanisch polijsten (CMP)
• Andere geavanceerde polijsttechnologieën

(1) Mechanisch polijsten

Mechanisch polijsten verwijdert een kleine hoeveelheid materiaal van het werkstukoppervlak door de interactie tussen schuurdeeltjes en een polijstpad, wat resulteert in een glad oppervlak. Het is momenteel een van de meest gebruikte polijsttechnologieën voor optische componenten.

Het conventionele mechanische polijstproces wordt geïllustreerd in de onderstaande figuur.

Tijdens mechanisch polijsten worden schuurdeeltjes in het werkstukoppervlak gedrukt onder de normale druk die wordt gegenereerd door de ruwheden van het polijstpad. Terwijl het polijstpad ten opzichte van het werkstuk beweegt, interageren de schuurdeeltjes met het oppervlak door middel van wrijving, ploegen en snijden, waardoor materiaal van het werkstuk wordt verwijderd.

Het deformatiegedrag van oppervlaktematerialen veroorzaakt door schuurdeeltjes kan over het algemeen in drie stadia worden verdeeld:

• Elastische deformatie
• Plastische deformatie
• Brosse deformatie

Omdat mechanisch polijsten doorgaans kleine schuurdeeltjes en relatief zachte polijstgereedschappen gebruikt, ondergaat het oppervlaktemateriaal tijdens het polijstproces over het algemeen elastische of plastische deformatie.

Vanuit microscopisch perspectief is een mechanisch interactiemodel tussen schuurdeeltjes en het werkstukoppervlak vastgesteld, zoals weergegeven in figuur (a).

In dit model wordt aangenomen dat het schuurdeeltje bolvormig is en onder de druk die wordt uitgeoefend door de ruwheden van het polijstpad in het werkstukoppervlak wordt gedrukt.

Tijdens mechanisch polijsten hangt het optreden van materiaalverwijdering voornamelijk af van de indringdiepte van het schuurdeeltje.

Er bestaat een kritische indringdiepte die overeenkomt met de overgang van elastische deformatie naar plastische deformatie:

• Wanneer de indringdiepte kleiner is dan de kritische waarde, ondergaat het oppervlaktemateriaal alleen elastische deformatie en treedt er geen materiaalverwijdering op.
• Wanneer de indringdiepte de kritische waarde overschrijdt, treedt plastische deformatie op, wat resulteert in effectieve materiaalverwijdering.

Verschillende indringdieptes van schuurmiddelen leiden tot verschillende materiaalverwijderingsmechanismen, die de uiteindelijke slijtagetoestand van het bewerkte oppervlak bepalen.

Zoals weergegeven in figuur (b):

Wanneer de indringdiepte de atomaire schaal bereikt (ongeveer 5 Å), ondergaat het werkstukoppervlak alleen elastische deformatie. Er worden geen atomen verwijderd en er wordt geen oppervlakteschade gegenereerd.

Wanneer de indringdiepte toeneemt tot ongeveer 10–15 Å, wordt het dominante verwijderingsmechanisme ploegverwijdering. Onder het extrusie-effect van schuurdeeltjes accumuleren oppervlakteatomen en vormen ze atoomclusters, die geleidelijk worden verwijderd naarmate de schuurdeeltjes bewegen.

Het aantal verwijderde atomen neemt evenredig toe met de indringdiepte.

Wanneer de indringdiepte verder toeneemt tot ongeveer 20 Å, verandert het verwijderingsmechanisme in snijverwijderingDe slurry stroomsnelheid beïnvloedt beide:

In dit stadium worden een groot aantal oppervlakteatomen direct door schuurdeeltjes afgesneden, waardoor chips ontstaan die samen met de beweging van het schuurmiddel worden verwijderd.

Tijdens dit proces duwen en accumuleren schuurdeeltjes niet alleen oppervlakteatomen, maar genereren ze ook ernstige uitstulpingen rond de krassen, wat resulteert in een verhoogde oppervlaktegladheid.

Traditionele mechanische polijsttheorie suggereert dat er geen materiaalverwijdering plaatsvindt tijdens het stadium van elastische deformatie. In plaats daarvan begint materiaalverwijdering pas wanneer schuurdeeltjes plastische deformatie induceren door snijactie.

Daarom introduceert mechanisch polijsten onvermijdelijk een zekere hoeveelheid oppervlakte- en onderoppervlakteschade.

Bij mechanische polijstprocessen wordt de oppervlakte-/onderoppervlakteschade van optische componenten sterk beïnvloed door procesparameters, waaronder:

• De belangrijkste componenten van CMP-slurry omvatten:
• Mechanische eigenschappen van het polijstgereedschap
• Grootte van schuurdeeltjes
• Morfologie van schuurdeeltjes

Figuur (a) toont een BK7 optisch glasoppervlak na mechanisch polijsten.

Het polijstproces gebruikte 10 µm Al₂O₃ schuurdeeltjes en een pech polijstgereedschap. Significante krasdefecten veroorzaakt door mechanische abrasie zijn duidelijk zichtbaar op het oppervlak.

Figuur (b) toont de oppervlakte- en onderoppervlakteschade van een CdZnTe-wafer na 30 minuten mechanisch polijsten, waargenomen met een scanning elektronenmicroscoop.

Het polijstproces gebruikte 2–5 µm Al₂O₃ schuurdeeltjes met een aluminium plaat polijstgereedschap.

Er werden micron- en submicron-krasjes waargenomen op het oppervlak. De dikte van de onderoppervlakteschade laag was minder dan 1 µm en bestond voornamelijk uit een polykristallijne laag, wat duidt op plastische deformatieschade.

(2) Chemisch polijsten en elektrochemisch polijsten

Chemisch polijsten en elektrochemisch polijsten gebruiken chemische of elektrochemische reacties om materiaal van het werkstukoppervlak op te lossen.

Tijdens het proces lossen microscopische uitstulpingen op het oppervlak bij voorkeur op ten opzichte van ingezonken gebieden, wat resulteert in een gladder oppervlak.

De basissamenstelling van chemische/elektrochemische polijstoplossingen omvat doorgaans:

• Etsmiddelen
• Remmers
• Water

De functies van elk component zijn als volgt:

• Etsmiddelen: lossen het oppervlaktemateriaal op door chemische reacties.
• Remmers: onderdrukken overmatige corrosie en verbeteren de procesbeheersbaarheid.
• Water: fungeert als verdunner en vergemakkelijkt de diffusie van reactieproducten.

Voor verschillende werkstukmaterialen moeten overeenkomstige polijstoplossingssystemen worden geselecteerd op basis van hun chemische eigenschappen.

Omdat optische materialen over het algemeen een uitstekende chemische stabiliteit bezitten, zijn sterke zuren, sterke basen of sterke oxidatiemiddelen vaak vereist als etsmiddelen tijdens chemisch polijsten.

Bijvoorbeeld, optische componenten die voornamelijk uit SiO₂ bestaan, zoals K9-glas en gesmolten silica, gebruiken gewoonlijk fluorwaterstofzuur (HF) als etsmiddel.

De chemische reactie is:

$$+{\mathrm{Slechte\; beheersbaarheid}}_{\mathrm{Het\; lijdt\; echter\; ook\; onder\; verschillende\; beperkingen:}}\mathrm{H}\mathrm{Chemisch\; polijsten\; kenmerkt\; zich\; door\; een\; eenvoudig\; procesverloop\; en\; relatief\; gemakkelijke\; implementatie.}2{\mathrm{Chemisch\; polijsten\; kenmerkt\; zich\; door\; een\; eenvoudig\; procesverloop\; en\; relatief\; gemakkelijke\; implementatie.}}_{\mathrm{Het\; lijdt\; echter\; ook\; onder\; verschillende\; beperkingen:}}+2_{\mathrm{H}}\mathrm{Het\; lijdt\; echter\; ook\; onder\; verschillende\; beperkingen:}{\mathrm{Chemisch\; polijsten\; kenmerkt\; zich\; door\; een\; eenvoudig\; procesverloop\; en\; relatief\; gemakkelijke\; implementatie.}}_{\mathrm{Het\; lijdt\; echter\; ook\; onder\; verschillende\; beperkingen:}}\mathrm{Slechte\; beheersbaarheid}$$

Beperkte herhaalbaarheid

Milieuvervuilingsproblemen

• Daarom is het moeilijk om te voldoen aan de eisen van ultraprecisie optische componentproductie.
• Elektrochemisch polijsten wordt veel toegepast in:
• Metaalafwerking
• Metallografische monstervoorbereiding

Precisie oppervlaktebehandeling

Elektrochemisch polijsten maakt gebruik van anodische dissolutie van metalen voor oppervlakteverwerking.

• Het wordt beschouwd als een contactloze, spanningsvrije bewerkingsmethode met voordelen zoals:
• Hoge materiaalverwijderings efficiëntie
• Geen mechanische schade

Geen werkverhardingslaag

Geen restspanning generatie

• Het vereist echter dat het bewerkte materiaal een goede elektrische geleidbaarheid bezit, waardoor het ongeschikt is voor de meeste optische materialen.
• Chemisch en elektrochemisch polijsten verwijderen materialen door middel van oplossingsmechanismen.
• Omdat het verwijderingsproces onafhankelijk is van mechanische eigenschappen zoals hardheid, taaiheid en sterkte, kunnen deze methoden de oppervlakteruwheid snel verminderen en een uitstekende polijstkwaliteit bereiken.
• Ondertussen, aangezien er geen mechanische wrijving of snijactie is, is de vereiste apparatuur over het algemeen eenvoudiger en goedkoper in vergelijking met mechanische polijstsystemen.

Chemische/elektrochemische polijsttechnologieën hebben echter ook verschillende beperkingen:

1) Hoge ontwikkelingskosten

Vanwege verschillen in chemische eigenschappen tussen materialen moeten speciale polijstoplossingen voor verschillende materialen worden ontwikkeld, wat uitgebreide experimentele optimalisatie van procesparameters vereist.

2) Moeilijke controle van chemische reactiesnelheden

De reactiesnelheid is moeilijk nauwkeurig te reguleren, waardoor het een uitdaging is om dimensionale nauwkeurigheid en geometrische precisie te handhaven.

3) Sterke afhankelijkheid van materiaaluniformiteit

De verkregen oppervlaktekwaliteit wordt sterk beïnvloed door de interne structuur en zuiverheid van het werkstuk.

Onzuiverheden en structurele defecten in het materiaal kunnen de uiteindelijke oppervlaktekwaliteit aanzienlijk verminderen.

(3) Chemisch Mechanisch Polijsten (CMP) Technologie

Chemisch Mechanisch Polijsten (CMP) is een oppervlakteplanarisatietechnologie die

chemische reacties en mechanische abrasie

combineert. Het wordt veel toegepast in de halfgeleiderproductie, de verwerking van optische componenten en de fabricage van geavanceerde materialen.

De ontwikkeling van CMP-technologie is nauw verbonden met de vooruitgang van de halfgeleidertechnologie. In de vroege stadia was het polijsten voornamelijk gebaseerd op puur mechanische slijpmethoden, zoals oppervlakteafwerking van glas en metalen. Deze conventionele benaderingen konden echter niet voldoen aan de steeds strengere eisen voor hoge precisie en nanoscale oppervlakteplanarisatie.

In de jaren vijftig ontdekten onderzoekers dat chemische reagentia, zoals zuren en alkalische oplossingen, materiaalverwijdering konden bevorderen en mechanische schade konden verminderen. Deze ontdekking legde de basis voor de ontwikkeling van CMP-technologie.In 1965 introduceerde IBM voor het eerst CMP-technologie voor het polijsten van siliciumwafers. Met de snelle ontwikkeling van geïntegreerde schakelingen (IC's) konden traditionele droge etsprocessen en puur mechanische polijstmethoden oppervlakte topografische variaties niet effectief elimineren. Als gevolg hiervan werd CMP geleidelijk een kritische procestechnologie.Vroege CMP-processen kenden echter nog steeds verschillende uitdagingen, waaronder:

Slechte stabiliteit van polijstslurries

Onvoldoende precisie van apparatuur

Moeilijkheid bij het beheersen van materiaalverwijderingssnelheden

In 1997 introduceerde IBM met succes CMP in koperinterconnect polijstprocessen.

• Koper CMP vereist nauwkeurige controle van de balans tussen chemische dissolutie en mechanische abrasie om overmatige koperoxidatie te onderdrukken en uniforme materiaalverwijdering te bereiken.
• Met de voortdurende evolutie van de halfgeleiderproductietechnologie is CMP de enige haalbare planarisatieoplossing geworden toen halfgeleiderprocessen de sub-0,25 µm technologieknoop bereikten.
• Bovendien vereiste de introductie van low-k diëlektrische materialen mildere CMP-processen om mechanische schade te minimaliseren en de structurele integriteit te behouden.

CMP Verwerkingsmechanisme

CMP maakt gebruik van relatief zachte schuurdeeltjes om hoogwaardige oppervlaktepolijsting te bereiken.

Tijdens het CMP-proces wordt het werkstuk onder gecontroleerde druk tegen een polijstpad gedrukt en beweegt het ten opzichte van het pad.

Door de synergetische interactie tussen nanoscale schuurdeeltjes en chemische componenten in de polijstslurry wordt het werkstukoppervlak geleidelijk gladder, zoals geïllustreerd in de onderstaande figuur.

Het CMP-systeem bestaat over het algemeen uit een roterende drager en een polijstplaat.

Door hun gecoördineerde rotatie wordt een complex relatief bewegingstraject gegenereerd tussen de wafer en het polijstpad.

Een slurry die continu wordt aangeleverd door een peristaltische pomp, bevat twee functionele componenten:

Schuurdeeltjes:

zorgen voor mechanische polijstactie.

Oxidatiemiddelen:

induceren chemische reacties op het materiaaloppervlak.

• Het CMP-materiaalverwijderingsmechanisme omvat voornamelijk twee opeenvolgende stappen:Stap 1: Oppervlakteoxidatie en chemische modificatie
• De oxidatiemiddelen reageren met het werkstukoppervlak en genereren een chemisch gemodificeerde of verzachte oppervlaktelaag.Stap 2: Mechanische verwijdering van de gereageerde laag

De schuurdeeltjes verwijderen deze verzachte reactielaag door mechanische interactie.

Dit cyclische proces produceert uiteindelijk een ultraglad oppervlak met extreem lage ruwheid.

Het moet worden opgemerkt dat de balans tussen chemische en mechanische effecten in CMP een doorslaggevende rol speelt bij het bepalen van de uiteindelijke verwerkingskwaliteit.

Wanneer mechanische actie domineert:

Er kunnen oppervlaktekrassen optreden.

De concentratie van restspanning kan toenemen.

Er kan onderoppervlakteschade ontstaan.

Wanneer chemische actie excessief wordt:

• Er kunnen oppervlaktecorrosiedefecten optreden.
• Er kan lokale etsing optreden.
• De oppervlaktemorfologie kan verslechteren.

Daarom is het optimaliseren van de synergetische interactie tussen chemische reacties en mechanische abrasie de sleutelfactor voor het verbeteren van de CMP-prestaties.

• Onderzoek heeft aangetoond dat de mechanische polijstintensiteit en de chemische reactiesnelheid een positieve correlatie vertonen.
• Dit koppelings effect beïnvloedt direct de efficiëntie van materiaalverwijdering.
• Daarom is nauwkeurige controle van de slurry samenstelling een van de belangrijkste technologische uitdagingen geworden bij de ontwikkeling van geavanceerde CMP-processen.

Om een hoogwaardig gepolijst oppervlak te verkrijgen, moeten de chemische en mechanische effecten tijdens CMP een passend evenwicht bereiken.

Als chemische actie domineert over mechanische actie:

Corrosieputjes

Oranje-schil-achtige oppervlaktepatronen

Niet-uniforme oppervlaktemorfologie

kunnen optreden.

• Omgekeerd, als mechanische actie domineert:
• Krasjes
• Scheurtjes

Onderliggende schade lagen

vormen zich waarschijnlijk.

• 2. Factoren die Chemisch Mechanisch Polijsten Beïnvloeden
• Tijdens CMP-verwerking hebben procesparameters een significante invloed op:
• Materiaalsnelheid (MRR)

Oppervlakte ruwheid

Oppervlakte integriteit

Verwerkings uniformiteit

• Oxidatiemiddelen spelen een cruciale rol in CMP door oxidatiereacties op het materiaaloppervlak te bevorderen.
• Deze reacties genereren een relatief zachtere oxidelayer, die vervolgens gemakkelijk kan worden verwijderd door mechanische abrasie.
• R
• R

=

$$KPP\times Vstaat\; voor\; de\; materiaalsnelheid.\mathrm{De\; polijstdruk\; en\; de\; rotatiesnelheid\; bepalen\; samen\; de\; efficiëntie\; van\; materiaalverwijdering.}staat\; voor\; de\; materiaalsnelheid.\mathrm{Polijstdruk\; bepaalt\; direct\; de\; contactspanning\; tussen\; het\; polijstpad\; en\; het\; waferoppervlak.}$$

is de Preston-coëfficiënt gerelateerd aan polijstomstandigheden.

• P staat voor polijstdruk.
• V staat voor relatieve polijstsnelheid.
• De polijstdruk en de rotatiesnelheid bepalen samen de efficiëntie van materiaalverwijdering.(1) Effect van Polijstdruk
• Polijstdruk bepaalt direct de contactspanning tussen het polijstpad en het waferoppervlak.Verhoogde druk verbetert over het algemeen het contact tussen schuurdeeltjes en de wafer, waardoor de MRR toeneemt.

Echter, overmatige druk kan leiden tot:

Oppervlakte micro-krassen

Wafer deformatie

Lokale over-polijsting

Dishing defecten

• Daarom moet een passend drukbereik worden geselecteerd om efficiëntie en oppervlaktekwaliteit in evenwicht te brengen.
• (2) Effect van Rotatiesnelheid
• De relatieve rotatiesnelheid tussen het polijstpad en de wafer beïnvloedt het hydrodynamische gedrag en de verdeling van de polijstslurry.
• Een groot snelheidsverschil kan leiden tot overmatige randverwijdering, wat het fenomeen

edge roll-off

veroorzaakt.

Verhoogde rotatiesnelheid versterkt mechanische schuifkrachten, wat de efficiëntie van materiaalverwijdering kan verbeteren.

Echter, een te hoge snelheid kan lokale temperatuurstijgingen genereren (doorgaans boven 10°C), wat leidt tot veranderingen in de chemische activiteit van de slurry en de polijststabiliteit beïnvloedt.(3) Effect van Slurry StroomsnelheidDe slurry stroomsnelheid beïnvloedt beide:

Chemische reacties tussen de slurry en het waferoppervlak.

Mechanische verwijdering van de geoxideerde reactielaag.

Bovendien fungeert de slurry door convectie als koelmiddel en helpt warmte die wordt gegenereerd aan het grensvlak tussen het polijstpad en de wafer af te voeren.

Daarom draagt het optimaliseren van de slurry stroomsnelheid bij aan een verbeterde polijst efficiëntie en oppervlaktekwaliteit.

• Passende aanpassing van procesparameters, waaronder:
• Druk

Rotatiesnelheid

Slurry stroomsnelheid

is essentieel voor het bereiken van hoogwaardige CMP-processen.

• Onderzoek heeft aangetoond dat binnen een passend drukbereik de MRR ongeveer evenredig toeneemt met de toegepaste druk.
• Schuurdeeltjes
• Oxidatiemiddelen

De efficiëntie van materiaalverwijdering neemt af.

Het verhogen van de druk of slurry stroomsnelheid kan:

De temperatuur van het polijstpad verlagen.

• De oxidatiecapaciteit verbeteren.
• De mechanische verwijderingsefficiëntie verbeteren.

Als gevolg hiervan neemt de MRR toe.

• Echter, overmatige druk of slurry stroomsnelheid kan leiden tot mechanische abrasie die domineert.
• Hoewel de MRR kan blijven toenemen, kan de oppervlakteruwheid ook toenemen en kunnen krasdefecten optreden.
• Daarom is het tot stand brengen van een dynamisch evenwicht tussen oxidatiereacties en mechanische verwijdering essentieel voor het bereiken van maximale polijst efficiëntie.

(a) Polijstslurry Samenstelling

Hoewel CMP nauwkeurige controle van procesparameters vereist, zoals:

Polijstdruk

Rotatiesnelheid

Slurry stroomsnelheid

blijft de polijstslurry de meest kritische factor die de CMP-prestaties beïnvloedt.

• De belangrijkste componenten van CMP-slurry omvatten:
• Schuurdeeltjes
• Oxidatiemiddelen

pH-regelaars

Deze componenten beïnvloeden significant:

• 3. Verminderen van oppervlakteschade
• Oppervlakte ruwheid
• Vorming van oppervlakte defecten

(b) Oxidatiemiddelen

• Oxidatiemiddelen spelen een cruciale rol in CMP door oxidatiereacties op het materiaaloppervlak te bevorderen.
• Deze reacties genereren een relatief zachtere oxidelayer, die vervolgens gemakkelijk kan worden verwijderd door mechanische abrasie.
• Het oxidatieproces vermindert effectief de mechanische kracht die nodig is voor materiaalverwijdering en helpt oppervlakteschade te minimaliseren.

(c) pH-waarde

De pH-waarde van de polijstslurry beïnvloedt direct:

Polijstsnelheid

Oppervlaktekwaliteit

Materiaalverwijderingsmechanisme

Door de zuurgraad of alkaliteit van de slurry aan te passen, kan de chemische reactiesnelheid tussen de slurry en het materiaaloppervlak worden geregeld.

• Een geoptimaliseerde pH-waarde helpt een evenwicht te bereiken tussen chemische modificatie en mechanische verwijdering.
• (d) Surfactanten
• Surfactanten fungeren als stabiliserende middelen in CMP-slurry.

Hun belangrijkste functies zijn:

1. Handhaven van slurry stabiliteit

Surfactanten voorkomen:

Aggregatie van schuurdeeltjes

Scheiding van componenten

Bezinking

waardoor de slurry uniformiteit behouden blijft.

• 2. Verbeteren van slurry spreidingsgedrag
• Surfactanten verminderen de oppervlaktespanning van de slurry, waardoor betere spreiding op hydrofobe waferoppervlakken mogelijk is.
• Dit verbetert het contact tussen:

Schuurdeeltjes

Chemische componenten

Materiaal oppervlak

wat leidt tot verbeterde polijst uniformiteit en efficiëntie.

• 3. Verminderen van oppervlakteschade
• Surfactanten kunnen de reactiesnelheden van het oppervlak reguleren of beschermende films op het oppervlak vormen.
• Dit helpt mechanische abrasie en chemische corrosie in evenwicht te brengen, waardoor wordt verbeterd:

Efficiëntie van materiaalverwijdering

Oppervlakte gladheid

Weerstand tegen onderoppervlakteschade