自動化された化学機械平坦化スラリー分配システムにおいて、PFA ヒーター表面の微小硬度は凝集砥粒の埋め込み深さとどのように相関しますか?

CMP スラリー加熱における研磨剤の埋め込み問題

化学機械平坦化スラリーには、一次粒子サイズが 20 ～ 150 nm のシリカ、セリア、またはアルミナの研磨粒子が含まれており、保管および輸送中に最大 1 ～ 5 ミクロンの凝集体を形成します。加熱されたスラリーが PFA ヒーター表面を通過すると、これらの凝集物がポリマーに埋め込まれ、粗さが生じ、粒子のさらなる蓄積が促進される可能性があります。半導体工場内の 31 の CMP 分配システムからの定量分析では、PFA 表面の微小硬度 (ビッカース圧痕によって測定) が埋め込み深さと逆相関しており、硬度が 5 MPa 増加するごとに、2000 時間の動作後に埋め込み深さが 0.3 ～ 0.5 ミクロン減少することが示されています。

埋め込みメカニズムと硬度依存性

PFA 表面への研磨粒子の埋め込みは、粒子壁との接触により加えられた応力がポリマーの降伏強度を超えると発生します。{0}}スラリー中を 1.5 m/s で移動する 2- ミクロンの凝集体の場合、衝撃応力は約 35 MPa と計算されます。標準的な PFA は、25 度で 55 ～ 65 MPa のビッカース微小硬度を示し、典型的な CMP スラリー分布では 60 度で 25 ～ 35 MPa に低下します。粒子の衝撃応力が温度補正硬度を超えると-、ポリマーが塑性変形して凝集物をカプセル化します。 10% ～ 20% のポリエーテルエーテルケトンまたはポリイミドのブレンドを組み込んだ硬化 PFA グレードは、室温で 85 ～ 100 MPa の硬度を達成し、60 度で 50 ～ 65 MPa を維持します。 2000 時間後のヒーターの断面顕微鏡検査では、標準 PFA では 2.8 ミクロンであるのに対し、硬化 PFA では 0.9 ミクロンの埋め込み深さが示されています。

粒子凝集体サイズの埋め込み閾値

埋め込み開始の臨界凝集体直径は、表面硬度に反比例します。 60 度 (硬度 30 MPa) の標準 PFA の場合、1.8 ミクロンを超える凝集体により、埋め込まれるのに十分な接触応力が生じます。硬化 PFA (60 度での硬度 55 MPa) の場合、しきい値は 3.2 ミクロンに増加します。 CMP スラリー濾過システムは通常、1 ミクロンまたは 2 ミクロンのアブソリュート フィルターを使用します。これは、フィルターを通過する凝集体のほとんどが 2 ミクロン未満であることを意味します。標準的な PFA ヒーターを備えたシステムでは、1.8 ミクロンのしきい値は、1.8 ～ 2.0 ミクロンの凝集体が埋め込まれていることを意味し、表面の粗化に寄与します。硬化 PFA を使用したシステムでは、3.2 ミクロンのしきい値により、濾過された凝集体は事実上すべて埋め込まれることなく通過します。現場データでは、標準 PFA ヒーターは 1500 時間までに Ra 1.5 ミクロンを超えるのに対し、硬化 PFA ヒーターは最初の 3000 時間は Ra を 0.8 ミクロン未満に維持することが確認されています。

硬化グレードの熱伝導率のトレードオフ{0}}

PFA 微小硬度を高めるポリマーブレンドにより、熱伝導率も低下します。標準的な PFA は、60 度で 0.19 W/m・K で熱を伝導します。 15% PEEK 配合の硬化グレードは 0.17 W/m・K で伝導し、11% 減少します。 2.0mm の壁を通して 15 W/cm2 を放散するヒーターの場合、PFA 全体の温度降下は 15.8 度から 17.9 度に増加し、内部ワイヤ温度は 2.1 度上昇します。この増加は、スラリー温度が中程度 (35 度から 45 度) であり、PFA 劣化に対する余裕が十分にある CMP 用途では一般に許容されます。ただし、55 度を超える高温 CMP プロセスでは、熱伝導率の低下と動作温度の上昇の複合効果により、内部ワイヤ温度が 200 度を超え、絶縁体の劣化が加速する可能性があります。このような場合、硬度の利点とヒーターの寿命の短縮を比較検討する必要があります。

スラリー摩耗時の表面硬度の安定性

PFA 表面の微小硬度は、摩耗や化学的攻撃による軟化の可能性があるため、CMP スラリーの使用では静的ではありません。セリア-ベースのスラリー (pH 10.5) 中で 60 度の標準 PFA を使用すると、水酸化物イオンによる表面可塑化により、1000 時間後に硬度が 30 MPa から 22 MPa に低下します。 PEEK をブレンドした硬化 PFA グレードは感度が低下し、同一条件下で感度が 55 MPa から 48 MPa に低下します。化学的に攻撃的なスラリーにおける硬度の保持は、初期硬度と同じくらい重要です。脱イオン水中での加速老化は実際の使用条件を表すものではないため、サプライヤーは特定のスラリー化学薬品に 1000 時間浸漬した後の硬度データを提供する必要があります。セリア スラリーは、高い pH と機械的に硬い研磨粒子の組み合わせにより、フッ素ポリマーに対して特に攻撃的です。

硬度とろ過による埋め込み防止

スラリーのコンディショニングと欠陥に対する埋め込みの影響

PFA ヒーター表面に埋め込まれた研磨粒子は、CMP プロセスで 2 つの欠陥メカニズムを引き起こします。まず、埋め込まれた粒子が時間の経過とともに部分的にスラリーの流れに放出され、ウエハに傷を付ける過大な凝集物が生じます。第二に、粗くなったヒーター表面はスラリー凝集の場所となり、大きな粒子として分離するポリマー研磨複合材料が生成されます。- 300mm ファブからのウェーハ欠陥検査データは、標準 PFA ヒーターが 1500 時間の動作後にこれらの機構からウェーハを通過するたびに平均 12 ～ 18 個の欠陥が追加されることを示しています。硬化した PFA ヒーターには、3000 時間後に 3 ～ 5 個の追加欠陥が見られます。ウェーハあたりの総欠陥数を 10 未満に抑える必要がある高度なノードの場合、2.0 ミクロンの絶対ろ過を備えた硬化 PFA が必要なマージンを提供します。

CMP スラリー ヒーターの仕様ガイダンス

自動 CMP スラリー分配システムの場合は、25 度で 80 MPa を超える微小硬度 (ビッカース、50 g 荷重) を備え、特定のスラリー化学物質に 1000- 時間浸漬した後も最高動作温度で 50 MPa を超える保持力を示す PFA ヒーターを指定してください。表面硬度は製造時の冷却速度によって変化するため、個別に成形されたテストクーポンではなく、生産ヒーター表面で測定されたサプライヤーからの硬度証明が必要です。 40 度のシリカ スラリーを使用した酸化物 CMP の場合、2.0 ミクロンの絶対ろ過を備えた硬化 PFA は、予想される 5000 時間のヒーター耐用寿命で測定可能な埋め込みゼロを達成します。セリア スラリーを使用した STI CMP の場合、セリアの化学的攻撃性が高いため、硬化 PFA と 1.5 ミクロンの絶対ろ過の組み合わせが推奨されます。既存のシステムを標準から硬化 PFA にアップグレードする場合は、PFA ヒーターの交換によって他のシステム コンポーネントが変更されないため、フィルター ハウジングとポンプ シールが変更されたスラリーの化学的性質に適合することを確認してください。安全マージンを提供するために、最大動作温度より 5 度高い温度で 2000 時間の加速試験を行った後、1.0 ミクロンを超える凝集体の侵入がないことを示す、検証データとして埋め込み深さの断面をサプライヤーに要求します。