El pulido químico mecánico ( CMP ) (también llamado planarización químico mecánica ) es un proceso de alisado de superficies mediante la combinación de fuerzas químicas y mecánicas. Puede considerarse como un híbrido entre grabado químico y pulido abrasivo libre . [1] Se utiliza en la industria de semiconductores para pulir obleas de semiconductores como parte del proceso de fabricación de circuitos integrados. [2]
El proceso utiliza una suspensión química abrasiva y corrosiva (comúnmente un coloide ) junto con una almohadilla de pulido y un anillo de retención, generalmente de un diámetro mayor que la oblea. La almohadilla y la oblea se presionan juntas mediante un cabezal de pulido dinámico y se mantienen en su lugar mediante un anillo de retención de plástico. El cabezal de pulido dinámico gira con diferentes ejes de rotación (es decir, no concéntrico). Esto elimina material y tiende a nivelar cualquier topografía irregular , haciendo que la oblea sea plana o plana. Esto puede ser necesario para configurar la oblea para la formación de elementos de circuito adicionales. Por ejemplo, CMP puede llevar toda la superficie dentro de la profundidad de campo de un sistema de fotolitografía o eliminar material de forma selectiva en función de su posición. Los requisitos típicos de profundidad de campo se reducen a niveles de Angstrom para la última tecnología de 22 nm.
Las herramientas CMP típicas, como las que se ven a la derecha, consisten en girar una placa extremadamente plana que está cubierta por una almohadilla. La oblea que se está puliendo se monta al revés en un portador/husillo sobre una película de soporte. El anillo de retención (Figura 1) mantiene la oblea en la posición horizontal correcta. Durante el proceso de carga y descarga de la oblea en la herramienta, el portador la sujeta por vacío para evitar que se acumulen partículas no deseadas en la superficie de la oblea. Un mecanismo de introducción de lodo deposita el lodo en la almohadilla, representado por el suministro de lodo en la Figura 1. A continuación, tanto la placa como el portador giran y el portador se mantiene oscilando; esto se puede ver mejor en la vista superior de la Figura 2. Se aplica una presión/fuerza descendente al portador, empujándolo contra la almohadilla; normalmente, la fuerza descendente es una fuerza media, pero se necesita presión local para los mecanismos de extracción. La fuerza descendente depende del área de contacto que, a su vez, depende de las estructuras tanto de la oblea como de la almohadilla. Por lo general, las almohadillas tienen una rugosidad de 50 μm; el contacto se realiza mediante asperezas (que normalmente son los puntos altos de la oblea) y, como resultado, el área de contacto es solo una fracción del área de la oblea. En CMP, también se deben considerar las propiedades mecánicas de la oblea en sí. Si la oblea tiene una estructura ligeramente arqueada, la presión será mayor en los bordes que en el centro, lo que provoca un pulido no uniforme. Para compensar la curvatura de la oblea, se puede aplicar presión en la parte posterior de la oblea, lo que, a su vez, igualará las diferencias entre el centro y el borde. Las almohadillas utilizadas en la herramienta CMP deben ser rígidas para pulir uniformemente la superficie de la oblea. Sin embargo, estas almohadillas rígidas deben mantenerse alineadas con la oblea en todo momento. Por lo tanto, las almohadillas reales a menudo son solo pilas de materiales blandos y duros que se adaptan a la topografía de la oblea hasta cierto punto. Por lo general, estas almohadillas están hechas de materiales poliméricos porosos con un tamaño de poro de entre 30 y 50 μm y, como se consumen en el proceso, deben reacondicionarse periódicamente. En la mayoría de los casos, las almohadillas son muy exclusivas y se las suele mencionar por sus nombres comerciales en lugar de por sus propiedades químicas o de otro tipo.
El pulido químico mecánico o planarización es un proceso de alisado de superficies mediante la combinación de fuerzas químicas y mecánicas. Puede considerarse como un híbrido entre el grabado químico y el pulido abrasivo libre .
Antes de 1990, aproximadamente, el CMP se consideraba demasiado "sucio" para incluirlo en procesos de fabricación de alta precisión, ya que la abrasión tiende a crear partículas y los propios abrasivos no están exentos de impurezas. Desde entonces, la industria de circuitos integrados ha pasado de los conductores de aluminio a los de cobre . Esto requirió el desarrollo de un proceso de modelado aditivo , que se basa en las capacidades únicas del CMP para eliminar material de manera plana y uniforme y detenerse repetidamente en la interfaz entre las capas aislantes de cobre y óxido (consulte Interconexiones de cobre para obtener más detalles). La adopción de este proceso ha hecho que el procesamiento CMP se haya generalizado mucho. Además del aluminio y el cobre, se han desarrollado procesos CMP para pulir tungsteno, dióxido de silicio y (recientemente) nanotubos de carbono. [3]
Actualmente, el proceso de pulido por oxidación de óxido presenta varias limitaciones que requieren la optimización de una nueva tecnología. En particular, se requiere una mejora en la metrología de las obleas. Además, se descubrió que el proceso de pulido por oxidación de óxido presenta varios defectos potenciales, como el agrietamiento por tensión , la deslaminación en interfaces débiles y los ataques corrosivos de los productos químicos en suspensión . El proceso de pulido por óxido, que es el más antiguo y el más utilizado en la industria actual, tiene un problema: la falta de puntos finales requiere un pulido a ciegas, lo que dificulta determinar cuándo se ha eliminado la cantidad deseada de material o se ha obtenido el grado deseado de planarización. Si la capa de óxido no se ha adelgazado lo suficiente o no se ha logrado el grado deseado de planaridad durante este proceso, entonces (teóricamente) la oblea se puede volver a pulir, pero en un sentido práctico esto es poco atractivo en la producción y se debe evitar en la medida de lo posible. Si el espesor del óxido es demasiado delgado o demasiado no uniforme, entonces la oblea debe volver a trabajarse, un proceso aún menos atractivo y que es probable que falle. Obviamente, este método requiere mucho tiempo y es costoso, ya que los técnicos deben estar más atentos mientras realizan este proceso.
El aislamiento de trincheras poco profundas (STI), un proceso utilizado para fabricar dispositivos semiconductores, es una técnica que se utiliza para mejorar el aislamiento entre dispositivos y áreas activas. Además, STI tiene un mayor grado de planaridad, lo que lo hace esencial en aplicaciones fotolitográficas , presupuesto de profundidad de foco al disminuir el ancho mínimo de línea. Para planarizar trincheras poco profundas, se debe utilizar un método común, como la combinación de grabado por resistencia (REB) y pulido químico mecánico (CMP). Este proceso viene en un patrón de secuencia como el siguiente. Primero, el patrón de trinchera de aislamiento se transfiere a la oblea de silicio. El óxido se deposita en la oblea en forma de trincheras. Una máscara fotográfica, compuesta de nitruro de silicio , se modela en la parte superior de este óxido de sacrificio. Se agrega una segunda capa a la oblea para crear una superficie plana. Después de eso, el silicio se oxida térmicamente, por lo que el óxido crece en regiones donde no hay Si3N4 y el crecimiento es de entre 0,5 y 1,0 μm de espesor. Dado que las especies oxidantes, como el agua o el oxígeno, no pueden difundirse a través de la máscara, el nitruro evita la oxidación. A continuación, se utiliza el proceso de grabado para grabar la oblea y dejar una pequeña cantidad de óxido en las áreas activas. Por último, se utiliza CMP para pulir la sobrecarga de SiO2 con un óxido en el área activa.