Het abrasieve inbeddingsprobleem bij het verwarmen van CMP-mest
Chemisch-mechanische planarisatieslurries bevatten schurende deeltjes silica, ceriumoxide of aluminiumoxide met primaire deeltjesgroottes van 20 tot 150 nm die tijdens opslag en transport agglomeraten vormen tot 1 tot 5 micron. Wanneer verwarmde slurry over PFA-verwarmingsoppervlakken gaat, kunnen deze agglomeraten zich in het polymeer inbedden, waardoor ruwheid ontstaat die de verdere accumulatie van deeltjes versnelt. Kwantitatieve analyse van 31 CMP-distributiesystemen in halfgeleiderfabrieken toont aan dat de microhardheid van het PFA-oppervlak (gemeten door Vickers-indentatie) omgekeerd evenredig is met de inbeddingsdiepte, waarbij elke 5 MPa toename in hardheid de inbeddingsdiepte met 0,3 tot 0,5 micron vermindert na 2000 bedrijfsuren.
Inbeddingsmechanisme en hardheidsafhankelijkheid
Inbedding van schurende deeltjes in PFA-oppervlakken vindt plaats wanneer de uitgeoefende spanning door contact met de wand van de deeltjes de vloeigrens van het polymeer overschrijdt. Voor een agglomeraat van 2-micron dat zich met een snelheid van 1,5 m/s in slurry voortbeweegt, bedraagt de impactspanning ongeveer 35 MPa. Standaard PFA vertoont een Vickers-microhardheid van 55 tot 65 MPa bij 25 graden, dalend tot 25 tot 35 MPa bij 60 graden, typisch voor de distributie van CMP-slurry. Wanneer de botsingsspanning van de deeltjes de temperatuurgecorrigeerde hardheid- overschrijdt, vervormt het polymeer plastisch en kapselt het het agglomeraat in. Geharde PFA-soorten met een mengsel van 10% tot 20% polyetheretherketon of polyimide bereiken een hardheid bij kamertemperatuur-van 85 tot 100 MPa, waarbij 50 tot 65 MPa behouden blijft bij 60 graden. Dwarsdoorsnedemicroscopie van verwarmers na 2000 uur toont een inbeddingsdiepte van 2,8 micron voor standaard PFA versus 0,9 micron voor gehard PFA.
Deeltjesagglomeraatgroottedrempel voor inbedding
De kritische agglomeraatdiameter voor het inbedden van de inbedding is omgekeerd evenredig met de oppervlaktehardheid. Voor standaard PFA bij 60 graden (hardheid 30 MPa) creëren agglomeraten groter dan 1,8 micron voldoende contactspanning om in te bedden. Voor gehard PFA (hardheid 55 MPa bij 60 graden) wordt de drempel verhoogd naar 3,2 micron. CMP-slurryfiltratiesystemen maken doorgaans gebruik van absolute filters van 1 micron of 2 micron, wat betekent dat de meeste agglomeraten die het filter passeren kleiner zijn dan 2 micron. In systemen met standaard PFA-verwarmers betekent de drempel van 1,8 micron dat agglomeraten tussen 1,8 en 2,0 micron worden ingebed, wat bijdraagt aan de opruwing van het oppervlak. In systemen met gehard PFA zorgt de drempel van 3,2 micron ervoor dat vrijwel alle gefilterde agglomeraten passeren zonder inbedding. Veldgegevens bevestigen dat geharde PFA-verwarmers de Ra gedurende de eerste 3000 uur onder de 0,8 micron houden, terwijl standaard PFA-verwarmers na 1500 uur de Ra 1,5 micron overschrijden.
Inruil voor thermische geleidbaarheid-Uit voor geharde soorten
Het polymeermengsel dat de PFA-microhardheid verhoogt, vermindert ook de thermische geleidbaarheid. Standaard PFA geleidt warmte met een vermogen van 0,19 W/m·K bij 60 graden. Geharde soorten met 15% PEEK-menggedrag bij 0,17 W/m·K, een reductie van 11%. Voor een verwarming die 15 W/cm² door een muur van 2,0 mm dissipeert, neemt de temperatuurdaling over de PFA toe van 15,8 graden naar 17,9 graden, waardoor de interne draadtemperatuur met 2,1 graden stijgt. Deze toename is over het algemeen aanvaardbaar voor CMP-toepassingen waarbij de slurrytemperaturen gematigd zijn (35 tot 45 graden) en de marges voor PFA-afbraak ruim zijn. Bij CMP-processen met hoge-temperaturen van meer dan 55 graden kunnen de gecombineerde effecten van verminderde thermische geleidbaarheid en verhoogde bedrijfstemperatuur er echter voor zorgen dat de interne draadtemperaturen boven de 200 graden uitkomen, waardoor de veroudering van de isolatie wordt versneld. In dergelijke gevallen moet het voordeel van de hardheid worden afgewogen tegen de kortere levensduur van het verwarmingselement.
Stabiliteit van de oppervlaktehardheid onder slurry-slijtage
De microhardheid van PFA-oppervlakken is niet statisch bij gebruik van CMP-slurry vanwege schurende slijtage en mogelijke verzachting door chemische aantasting. Standaard PFA bij 60 graden in een slurry op basis van ceriumoxide- (pH 10,5) vertoont een vermindering van de hardheid van 30 MPa naar 22 MPa na 1000 uur als gevolg van oppervlakteplastiek door hydroxide-ionen. Geharde PFA-soorten met PEEK-menging vertonen minder gevoeligheid en nemen af van 55 MPa naar 48 MPa onder identieke omstandigheden. Het behoud van de hardheid in chemisch agressieve slurries is net zo belangrijk als de initiële hardheid. Leveranciers moeten gegevens over de hardheid verstrekken na 1000 uur onderdompeling in de specifieke slurrychemie, omdat versnelde veroudering in gedeïoniseerd water niet de werkelijke gebruiksomstandigheden vertegenwoordigt. Ceria-slurries zijn bijzonder agressief voor fluorpolymeren vanwege de combinatie van hoge pH en mechanisch harde schurende deeltjes.
Inbeddingspreventie door hardheid en filtratie
| CMP Drijfmesttype en bedrijfstemperatuur | PFA-hardheidsgraad | Vickers-hardheid bij bedrijfstemperatuur | Voorspelde inbeddingsdiepte van het agglomeraat na 2000 uur | Vereiste filterclassificatie voor nul-inbedding |
|---|---|---|---|---|
| Silica, pH 10,5, 40 graden, oxide CMP | Standaard (65 MPa bij 25 graden) | 35 MPa | 1,8 tot 2,2 micron | 1,0 micron absoluut |
| Silica, pH 10,5, 40 graden, oxide CMP | Gehard (95 MPa bij 25 graden) | 60 MPa | 0,6 tot 0,9 micron | 2,0 micron absoluut |
| Ceria, pH 10,8, 45 graden, STI CMP | Gehard (95 MPa bij 25 graden) | 55 MPa | 0,8 tot 1,1 micron | 2,0 micron absoluut met chemische bestendigheid |
| Aluminiumoxide, pH 4,0, 35 graden, metaal CMP | Gehard of standaard | 35 tot 50 MPa | 1,2 tot 2,5 micron, afhankelijk van de kwaliteit | 1,5 micron absoluut |
Impact van inbedding op mestconditionering en defectiviteit
Ingebedde schurende deeltjes in PFA-verwarmingsoppervlakken creëren twee defectmechanismen in CMP-processen. Ten eerste komen ingebedde deeltjes na verloop van tijd gedeeltelijk terug in de slurrystroom, waardoor te grote agglomeraten ontstaan die krassen op de wafels veroorzaken. Ten tweede wordt het opgeruwde verwarmingsoppervlak een plek voor slurry-agglomeratie, waardoor polymeer-schurende composieten ontstaan die loskomen als grote deeltjes. Uit inspectiegegevens van waferdefecten van 300 mm fabrieken blijkt dat standaard PFA-verwarmers gemiddeld 12 tot 18 extra defecten per waferpassage van deze mechanismen veroorzaken na 1500 bedrijfsuren. Geharde PFA-verwarmers vertonen na 3000 uur 3 tot 5 extra defecten. Voor geavanceerde knooppunten waar het totale aantal defecten onder de 10 per wafer moet blijven, biedt gehard PFA met absolute filtratie van 2,0 micron de noodzakelijke marge.
Specificatierichtlijnen voor CMP-mestverwarmers
Voor geautomatiseerde CMP-mestdistributiesystemen specificeert u PFA-verwarmers met een microhardheid groter dan 80 MPa bij 25 graden (Vickers, 50 g belasting) en die een retentie van meer dan 50 MPa aantonen bij de maximale bedrijfstemperatuur na 1000-uur onderdompeling in de specifieke mestchemie. Vereist een hardheidscertificering van de leverancier, gemeten op productieverwarmeroppervlakken, niet op afzonderlijk gevormde testcoupons, aangezien de oppervlaktehardheid varieert met de afkoelsnelheid tijdens de productie. Voor oxide-CMP met silica-slurries bij 40 graden bereikt gehard PFA met een absolute filtratie van 2,0 micron een nulmeetbare inbedding voor de verwachte levensduur van de verwarming van 5000 uur. Voor STI CMP met ceriumslurries wordt de combinatie van gehard PFA en 1,5 micron absolute filtratie aanbevolen vanwege de hogere chemische agressiviteit van cerium. Wanneer u bestaande systemen upgradet van standaard naar gehard PFA, controleer dan of de filterbehuizing en pompafdichtingen compatibel zijn met eventuele gewijzigde slurrychemie, aangezien de vervanging van de PFA-verwarmer andere systeemcomponenten niet verandert. Vraag leveranciers om dwarsdoorsneden van de inbeddingsdiepte als validatiegegevens, waaruit blijkt dat er geen agglomeraatpenetratie groter dan 1,0 micron is na versnelde tests van 2000 uur bij 5 graden boven de maximale bedrijfstemperatuur om een veiligheidsmarge te bieden.
