Kemijsko mehansko poliranje (CMP) je edina ključna tehnologija, ki lahko doseže planarizacijo površine rezin, ki lahko zmanjša hrapavost površine na subnanometrsko raven. Osnovno načelo CMP je, da zmes kemično reagira s površino rezine, da nastane zmehčana plast, ki se nato odstrani z mehanskim trenjem, odstranjevanjem materiala in planarizacijo površine rezine.
Strukturne lastnosti površine (hrapavost, vzorec utorov itd.) in lastnosti materiala (trdota, modul elastičnosti itd.) polirne blazinice so pomembni dejavniki, ki vplivajo na CMP. Polirna blazinica neposredno vpliva na rezultate poliranja rezine.
01 Površinske strukturne značilnosti polirne blazinice
● Površinska mikrotopografija polirne blazinice
Polirne blazinice so običajno polne mikropor na površini, ki lahko shranjujejo in prenašajo gnojevko in abrazivne delce, se upirajo kemičnim napadom brozge in takoj odstranijo stranske produkte poliranja, kar vpliva na odstranitev materiala.
Na podlagi strukturnih značilnosti so glavne komercialne polirne blazinice razvrščene v tri vrste: mrežasta (blažilna krpa), vlaknasta (sintetično usnje) in mikroporozna (poliuretanska). V primerjavi z drugima dvema ima mrežasta blazinica boljšo stisljivost in sposobnost prenašanja gnojnice, zaradi nižje trdote pa je manj verjetno, da bo povzročila praske med finim poliranjem. Vlaknene in poliuretanske vrste se zaradi svoje specifične trdote in strukture večinoma uporabljajo za grobo poliranje in poliranje nekovinskih materialov.
Geometrija in porazdelitev mikropor vplivata na površinsko trdnost in gostoto blazinice. Značilnosti poroznosti in gostote se odražajo predvsem s Poissonovim razmerjem (ν). Površinska trdnost se zmanjšuje z večjo poroznostjo. Večji premeri por izboljšajo transportno zmogljivost, vendar lahko prevelike pore zmanjšajo gostoto in trdnost blazinice.
Spremembe velikosti in strukture mikropor prav tako vplivajo na učinkovitost poliranja. Optimiziranje strukture mikropor lahko izboljša kontaktno stanje med blazinico in rezino. Raziskovanje sinergističnega razmerja med mehansko obremenitvijo na vmesniku in kemičnimi reakcijami gnojevke lahko bolje nadzira hitrost odstranjevanja materiala CMP.
● Teksture površinskih utorov polirne blazinice
Žlebljenje na površini blazine ima dva namena: po eni strani izboljša sposobnost blazine za shranjevanje in transport gnojevke, kar izboljša pretok gnojevke; po drugi strani pa spreminja koeficient trenja in strižno napetost na površini blazinice. Spodnja tabela prikazuje tipične utore ploščic serije IC proizvajalca Rohm Haas, ki se pogosto uporabljajo v industriji polprevodnikov. Če primerjamo IC1010 z IC1000, ima IC1010 globlje in gostejše utore, kar ima za posledico močnejše mehansko delovanje zaradi neravnin blazinic in abrazivnih delcev, pa tudi močnejše kemično delovanje, kar vodi do večje zmogljivosti odstranjevanja materiala.
Pogosti vzorci utorov vključujejo radialne, mrežne, obročaste in spiralne logaritemske tipe. Na spodnji sliki (a)–(d) predstavljajo blazinice z enim vzorcem, medtem ko so (e)–(g) blazinice s sestavljenim vzorcem. Kompozitne blazinice na splošno delujejo bolje kot blazinice z enim vzorcem, negativne spiralno-logaritemske blazinice pa lahko bistveno izboljšajo stopnjo poliranja.
● Pad Asperities
Grobe izbokline na površini blazinice so elastične, da preprečijo prekomerne nepopravljive praske na rezini. Mikroskopski profil višine površine blazinice običajno sledi Gaussovi ali eksponentni porazdelitvi.
Povprečna višina neravnin (Rpk) močno vpliva na hitrost odvzema materiala (MRR). Brez kondicioniranja blazinic se MRR zmanjšuje s časom poliranja; če se Rpk obnovi s kondicioniranjem, se MRR vrne skoraj na prvotno raven. Obraba med poliranjem in kasnejšim kondicioniranjem povzroča stalne spremembe v dejanski hrapavosti ploščic. Spremembe v hrapavosti, premeru neravnine in porazdelitvi hrapavosti neposredno vplivajo na MRR.
02 Lastnosti materiala polirne blazinice
Fizikalne in kemijske lastnosti materiala blazinice vplivajo na stanje kontakta in kontaktno silo na mejni površini za poliranje (rezina-gnojna blazinica), s čimer vplivajo na hitrost odstranjevanja materiala in hrapavost površine rezine.
● Parametri mehanskih lastnosti
Trdota in modul elastičnosti sta dva pomembna mehanska parametra. Trde blazinice se uporabljajo v fazah grobega poliranja, kjer so potrebne visoke stopnje odstranjevanja, vendar lahko pretirana trdota povzroči poškodbe površine in neenakomerno odstranjevanje materiala. Mehke blazinice se običajno uporabljajo v fazah finega poliranja z nizkimi zahtevami glede hrapavosti. Blazinica s trdim vrhom in mehkim dnom lahko izboljša enakomernost MRR, vendar ima običajno večje izključitveno območje robov; Nasprotno pa lahko blazinica z mehkim vrhom in trdim dnom zmanjša območje izključitve robov in doseže boljšo kakovost površine.
● Kemijske lastnosti
Blazinica mora imeti dobro kemično stabilnost in hidrofilnost. Poliuretan ima učinek spomina oblike, pri čemer stopnja obnavljanja oblike narašča s temperaturo.
Pri proizvodnji blazinic CMP kemične reakcije vključujejo predvsem poliole in izocianate. Glavne surovine vključujejo predpolimere, sredstva za podaljševanje/mreženje verige, sredstva za penjenje, katalizatorje in druge funkcionalne dodatke. Z nadzorovanjem koncentracij in razmerij reaktantov je mogoče izboljšati različne materialne lastnosti blazinice. Aktivne skupine v blazinici, kot so hidroksilne in amidne skupine, prav tako igrajo pomembno vlogo – izboljšajo plast ponovnega nanosa polirnih materialov in ublažijo težave s kakovostjo površine, ki jih povzroča mehanska obraba. Poleg tega lahko fizična in kemična modifikacija materiala blazinice izboljša njeno delovanje.
Poleg tega je med CMP površina blazinice podvržena obremenitvam in strižnim silam, zaradi česar so neravnine podvržene plastičnemu toku in postanejo planarizirane – pojav, znan kot zasteklitev. Kondicioniranje blazinic lahko izboljša površinsko zasteklitev in poroznost ter ohrani stabilno učinkovitost poliranja.
Tehnologije kondicioniranja za polirne blazinice
Trenutno konvencionalne tehnike kondicioniranja spadajo v dve kategoriji: nesamokondicioniranje in samokondicioniranje.
Tehnologije brez samokondicioniranja
Nesamokondicioniranje se nanaša na uporabo zunanjih sil za odstranjevanje obrabljenih abrazivov, ostankov in drugih nečistoč s površine blazinice, pri čemer se izpostavijo sveži abrazivi in ohrani sposobnost rezanja med poliranjem.
Diamantna omara
Diamantni dreser je v glavnem sestavljen iz diamantnih abrazivov, veziva in substrata. Diamantni abrazivi se pritrdijo na substrat z galvanizacijo, spajkanjem, sintranjem ali kemičnim nanašanjem iz pare. Njegova zmogljivost kondicioniranja je tesno povezana s stanjem površine ploščice in tako vpliva na kakovost obdelovanca. Načelo je, da diamanti velikega premera na predalu na silo odstranijo dolgočasne diamantne delce iz veziva in odstranijo glazirano plast in ostanke, pri čemer so izpostavljeni novi rezalni robovi na blazinici.
Kondicioniranje z visokotlačnim vodnim curkom
Ta tehnika uporablja strižno silo vodnega curka, da spere ohlapne ali slabo vezane abrazivne delce in tudi zlomi glazirano plast, odstrani nečistoče in izboljša delovanje blazinice.
Tehnologije samokondicioniranja
Samokondicioniranje se nanaša na metode, ki omogočajo, da se površinski sloj blazinice obrabi z ustrezno hitrostjo, tako da so abrazivi v podpovršinskem sloju med obdelavo neprekinjeno izpostavljeni, kar ohranja trajno rezalno sposobnost. Pojav samokondicioniranja je uvedel nove pristope k kondicioniranju blazinic.
Samokondicioniranje odpravi korak kondicioniranja, prepreči vpliv obrabe komode na blazinico in podaljša življenjsko dobo blazinice. Na primer, dodajanje organskih baz, anorganskih soli ali drugih kemikalij lahko izboljša samokondicioniranje; uporaba predpolimerov s hidrofobnimi skupinami zagotavlja samoregulacijsko delovanje med poliranjem, stabilizacijo procesa in preprečevanje nabrekanja vode.