在IC製造的化學機械研磨製程(CMP, Chemical Mechanical Polishing Process)中,為了精準評估研磨拋光墊對材料的移除率來計算研磨製程的耗時,必須監控拋光墊的表面粗糙度,並預測拋光墊的再使用壽命以適時安排拋光墊修整或是完全更換。 本文提出一種非接觸式機上(in-situ)拋光墊光學量測技術,搭配空氣噴嘴裝置可以瞬時移除表面水膜而獲得較為準確的結果,此外本文還介紹機上晶圓厚度的量測方式與控制流程,藉以判斷是否達到研磨製程終點。
研磨製程機, 彩色共焦, 拋光墊, 智慧機械

化學機械研磨製程機上量測技術

資料夾icon 科技新知
行事曆icon 2021/11/05
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作者:卓嘉弘、張奕威、黃戴廷

半個世紀以來,半導體業依循著摩爾定律(Moore’s Law),透過製程不斷微縮來實現電晶體密度倍增的精進。

現在,先進封裝技術正成為超越摩爾定律(More than Moore)的決勝關鍵,例如3D堆疊(3D Integration, 3DI)可以降低電流導通阻抗、減少熱累積,具有增加晶片運算效能與使用壽命的優點,而3D堆疊所需要的晶圓薄化製程則是由化學機械研磨擔任重要角色之一,它可以在基板材料研磨薄化之後,消除研磨痕跡與殘餘應力[1]。

除此之外,化學機械研磨也可以在圖1的扇出型晶圓級封裝(Fan-Out Wafer Level Packaging, FOWLP)中,讓埋藏在模封材料中的銅接點裸露,並保有很好的表面粗糙度與線路重佈層(Redistribution Layer, RDL)連接[2],因此化學機械研磨設備的性能足以影響整個先進封裝的成敗。

在智慧(數位)製造大趨勢之下,透過In-situ檢測技術與製造端整合,監控設備製程參數並維持最佳化運作以提升製程效能與良率,並智慧預測研磨設備拋光墊的使用餘命,才能達到節能監控與零件更換管理的智能化系統。


圖1 CMP製程應用於FOWLP封裝[2]

化學機械研磨製程與量測技術

1.CMP製程

化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization, CMP)技術亦可稱為化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing)技術,早期主要由IBM將此一技術用於矽晶圓的平坦化設備上,隨著摩爾定律的演進,半導體製程從最早期的180 nm、90 nm、…7 nm等,逐步演進至3 nm製程,由於線寬越小,表面精度則要求更高,因此CMP製程越顯重要,其技術製程如圖2所示,首先由上方管路將其化學研磨液(slurry)送進CMP腔體內,其研磨液主要由化學添加劑與懸浮粒子組成,透過承載台(wafer chuck)吸附晶圓並施加向下壓力,當接觸研磨液時,化學添加劑與晶圓表面產生化學反應,而懸浮粒子則是透過拋光墊(pad)的表面支撐來研磨晶圓。

當拋光墊表面粗糙度已不足以研磨晶圓時,便會透過修整器(conditioner)提高其拋光墊表面粗糙度。在實務上目前僅採用離線方法進行拋光墊表面量測,或者是在研磨完固定數量晶圓後進行制式化拋光墊修整動作,尚未有機上(in-situ)監控的回饋機制,在加工時效性與製程品質這兩項目,無法滿足智慧製造需求。


圖2 CMP製程示意圖

2.拋光墊離線(off-line)量測技術

目前CMP製程皆採用離線方式進行拋光墊表面量測,其方式有超音波量測[3]、接觸式探針量測[4]、核磁共振影像量測[5]如圖3所示等技術,主要透過量測拋光墊的表面形貌,進一步計算其粗糙度,再以粗糙度三維算術平均值(Sa)及粗糙度三維方均根值(Sq)作為評估之判斷依據。

倘若表面粗糙度低於標準值,則會透過修整器提高表面粗糙度,但離線技術須將拋光墊移開製程機台,因此不僅費時也耗費人力成本,即使勉強導入機上作業,也因為作業環境惡劣、拋光墊表面極為複雜、檢測速度趕不上的關係,讓原本量測的準確性與可實施性大打折扣。


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