Chemical Mechanical Polishing

Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) (engl: chemical mechanical polishing, auch chemical mechanical planarization) ist ein Polierverfahren in der Waferbearbeitung um sehr dünne Schichten gleichmäßig abzutragen. Diese Methode wurde an US-amerikanischen Institutionen wie dem Center of Optical Manufacturing entwickelt und bei einigen europäischen Unternehmen (z. B. Fraunhofer Gesellschaft) erprobt.

Funktionsprinzip

Abb. 1: Funktionsprinzip des CMP

Der zu polierende Wafer wird von dem Carrier aufgenommen und mit einem definierten Druck auf den Polierteller mit dem Poliertuch gepresst. Währenddessen beginnen sich Carrier und Poliertuch in dieselbe Richtung zu drehen (es ist auch eine ungleichsinnige Drehrichtung möglich). Hier gibt es verschiedenste Möglichkeiten die Geschwindigkeiten zu variieren oder den Carrier in eine oszillierende Bewegung zu versetzen um so den Abtrag und dessen Gleichmäßigkeit zu optimieren.

Das Poliertuch besteht zumeist aus Polyurethan-Schäumen oder mit Polyurethan behandelten Vlies-Materialien. Man hat hier die Möglichkeit zwischen unterschiedlichen Härten und Perforationen zu wählen.

Während des gesamten Poliervorgangs wird über ein Pumpensystem Slurry (ein chemisch und mechanisch aktives Poliermittel, im STI-Prozess beispielsweise 30 bis 200 nm große CeO₂- oder Al₂O₃-Partikel) auf den inneren Bereich des Poliertuches geleitet, das sich durch die Rotationsbewegung über das Poliertuch verteilt. So entsteht zwischen Wafer und Poliertuch ein dünner Slurryfilm der die zu polierenden Schichten chemisch angreift, mit den in ihm enthaltenden Abrasivpartikeln für eine mechanische Bearbeitung der Oberfläche sorgt und so zum Abtragen des Materials entscheidend beiträgt.

Das Polierergebnis hängt wesentlich von der Planarität des „Chucks“ und des Poliertellers ab, da jede Unebenheit und Verformung sich zwangsläufig auf den Wafer überträgt und das Ergebnis verschlechtert. Daher ist die Unterseite des Chucks mit einem Backing-Film beklebt, dessen weiche Faser Unebenheiten ausgleicht und mittels Adhäsion die Rotation des Chucks auf den Wafer überträgt.

Nach einer definierten Zeit wird der Wafer vom Poliertuch genommen und (innerhalb der CMP-Maschine) einer ersten Vorreinigung mit hochreinem DI-Wasser unterzogen. Die restlose Entfernung des Poliermittels beugt möglicher Kristall- und Kratzerbildung vor und unterbindet die fortlaufende Ätzung der Waferoberfläche.

Währenddessen beginnt der Konditionierer das Poliertuch für den nächsten Wafer vorzubereiten. Dies geschieht, indem eine rotierende Diamantscheibe unter Zugabe von DI-Wasser über das sich ebenfalls drehende Poliertuch gefahren wird, es auf diese Weise anrauht und die Poren im Poliertuch von Slurryresten und Material der Waferschichten befreit. Dieser Arbeitsschritt kann ein- oder mehrmals nach dem Polieren stattfinden aber auch während des Polierens gefahren werden. Man spricht in diesem Fall von in situ–Konditionierung. Für welche Art der Konditionierung man sich entscheidet hängt stark vom Prozess ab.

Motivation

Abb. 2: Zur Motivation des CMP. Links: ohne CMP, rechts: mit CMP nach den violett und rot farbcodierten Sputter-/Aufdampfprozessen

CMP hat sich in den letzten Jahren in der Halbleiterbranche zu einem Standardverfahren entwickelt. Wie in Abb. 2 illustriert, entstehen bei Sputter- und Aufdampfprozessen nach einigen Schichten starke Unebenheiten die zwangsläufig zum Abreißen einer höher gelegenen Schicht führen und so Mehrschichtsysteme schwer realisierbar werden lassen. Dazu kommt, dass in der Lithographie nur auf planaren Oberflächen eine genaue Abbildung möglich ist. Hier liegen die Vorteile des CMP klar auf der Hand: Nach dem Auftragen einer Schicht wird diese zurückpoliert und Unebenheiten werden so ausgeglichen. Anschließend kann man Fotolacke auftragen und präzise belichten, um nach verschiedensten Ätzprozessen wieder eine Schicht aufzutragen und zu polieren.