CMP, chemisch mechanisches Polieren Planarisieren - Alpsitec Anlagen
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Silicium Wafer

CMP Prozess

Chemisch Mechanische Planarisation oder Chemisch Mechanisches Polieren (CMP) ist ein Prozeß, bei dem topographische Unebenheiten von Siliziumoxid, poly-Silicium und metallischen Oberflächen entfernt werden können. Der Prozeß wird gewöhnlich zum Ebnen von Oxid, Polysilizium oder Metallschichten verwendet um diese für den nachfolgenden lithographischen Schritt vorzubereiten und damit Tiefenschärfeprobleme während der Belichtung der fotoempfindlichen Schichten zu vermeiden. Im unteren Sub‑Mikrometerbereich ist das Verfahren der bevorzugt genutzte Planarisierungsschritt in der IC‑Herstellung. CMP ersetzt Technologien wie Bor-Phosphorsilikatglas (BPSG)-Abscheidung gefolgt von BPSG Tempern um das dotierte Niedertemperaturglas zu erweichen und verfließen zu lassen oder die Spin‑On‑Glass (SOG) Technologie. Das aufgebrachte Silikatmaterial verfließt auf der Siliciumoberfläche und wird anschließend in einem Ofen ausgehärtet um Lösungsmittel und organische Komponenten zu entfernen. Je kleiner die geforderten Strukturbreiten werden, um so größer wird die Forderung nach Planarität der Oberfläche. Durch BPSG oder SOG wird die Oberfläche nicht vollkommen eben. Es treten lokale Höhenschwankungen zwischen Chipbereichen mit unterschiedlicher Strukturdichte auf. CMP ist das einzige Verfahren, welches eine komplette Planarisierung des Wafers erzielt.

Verschiedene Materialien können mit der Technologie des chemisch mechanischen Polierens planarisiert werden:

Oxidplanarisation

Oxid Planarisation

Ursprünglich wurde CMP hauptsächlich zum Planarisieren von Siliziumdioxid Interlevel Dielektrika (ILDs) verwendet. Dabei wird Siliziumdioxid dicker als benötigt abgeschieden und anschließend wieder abgeschliffen bis die Unebenheiten beseitigt sind. Daraus resultiert eine sehr ebene Oberfläche für die nächste Schicht. Der Prozeß ist für jede aufgebrachte Verdrahtungsebene wiederholbar.

chemisch mechanisches Polieren von STI

Eine weitere bedeutende Anwendung der Oxidplanarisation ist heutzutage die Shallow Trench Isolation (STI) Technologie. Das Siliziumsubstrat erhält zunächst eine abdeckende Sliziumnitridschicht. Diese Schicht wird strukturiert und geätzt. Die flachen Gräben (Trenches) werden dann mit Oxid gefüllt. Der CMP-Schritt wird zum Entfernen des überschüssigen Oxids auf der Siliziumnitridschicht verwendet. Nach der Entfernung der Siliziumnitridschicht kann der Transistor durch die Ausbildung von Gateoxid und poly-Silicium aufgebaut werden.

Poly‑Silizium Planarisation

Poly-Silizium kann sehr leicht mit nahezu dem gleichen CMP-Maschinentyp, ähnlichen Pads und Schleifmittel poliert werden wie Siliciumoxid. Typische Anwendungen sind chemisch mechanisches Polieren von poly-Silicium Kontakten oder von Durchkontaktierungen unter Entfernung des Poly-Siliziums von Interlevel Dielektrika (ILD), sodaß im Ergebnis nur der Kontakt mit poly-Silicium gefüllt bleibt. Poly-Silicium Planarisation kann auch bei Waferdünnungsprozessen in der Endphase oder einfach zum Polieren von Siliziumwafer verwendet werden.

Metall Planarisation

Metalle wie Wolfram (W), Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) werden in der Damaszener-Technologie für Durchkontaktierungen (Vias) oder Gräben (Trenches) genutzt, um elektrische Verbindungen zu erstellen. Diese Technologie ist nach der antiken Methode benannt, welche zur Schwertherstellung in Damaskus verwendet wurde.

Chemisch-mechanische Planarisation von Wolfram

Der Wolfram-Damaszenerprozeß beginnt mit einer vollkommen ebenen dielektrischen Oberfläche, in welcher sich vertikale Kontaktlöchern befinden. Diese Löcher können weitaus kleiner und enger gefertigt werden als die abgeschrägten Vias des vormals verwendeten Prozesses. Dann wird Wolfram in einem chemischen Abscheidungsprozeß (CVD, Chemical Vapor Deposition) aufgedampft. Der CVD‑Prozeß baut eine kristalline Wolframschicht auf, welche die Löcher allseitig ausfüllt und nur eine sehr begrenzte Vertiefung in der Mitte des Kontaktloches hinterläßt. Der CMP‑Prozeß kommt dann zum Einsatz, um das Wolfram von der Oberfläche soweit zu entfernen, dass nur noch die verfüllten Kontaktlöcher verbleiben. Dieser Polierprozeß wurde so optimiert, dass die Entfernung des Wolframs hochselektiv gegenüber dem darunter liegenden Dielektrikum erfolgt. Zum Schluß wird eine Metallschicht auf die verfüllten Kontaktlöcher aufgebracht um den Stromkreis zu schließen. Es folgt eine Oxidabscheidung und -planarisation durch CMP. Beide Prozesse werden für jede Verdrahtungsebene des IC wiederholt.
Außer der Nutzung zur Erstellung von Vias zur Verbindung zwischen zwei elektrischen Verdrahtungsebenen kann der Damaszenerprozeß auch für die Ausbildung der Verdrahtung in Gräben der Dielektrikumsschicht benutzt werden. Für diesen Prozeß wird oft Kupfer benutzt. Dazu wird ein flacher Graben (Trench) in Form der gewünschten Leitung in das Dielektrikum geätzt und anschließend durch einen elektro‑chemischen Abscheidungsprozeß (ECD, Electrochemical Deposition) Kupfer auf den Wafer aufgebracht. Das Material wird durch chemisch mechanisches Planarisieren selektiv wieder entfernt, so dass nur der verfüllte Graben als eine elektrische Verbindung verbleibt. Im doppelten Damaszenerprozeß werden die Verdrahtungsebene und die Durchkontaktierungen der Verdrahtungsebenen mit einem einzigen CVD‑ oder ECD‑Schritt sowie einem einzigen CMP-Schritt erstellt.

Alle Metallebenen müssen nach dem Abscheidungsschritt oder der chemisch mechanischen Planarisation getempert werden. Der Temperprozeß für Kupfer ist auf einer separaten Seite beschrieben.

CMP Technologie

Chemisch mechanisches Polieren ist ein Prozeß zum Glätten und Ebnen von Oberflächen durch eine Kombination von chemischen und mechanischen Einwirkungen, eine Kreuzung zwischen chemischem Ätzen und dem Polieren mittels eines Schleifmittels. Mechanisches Schleifen allein verursacht zu große Schäden auf der Oberfläche während alleiniges Naßätzen keine gute Ebenheit der Oberfläche erreicht. Die meisten chemischen Reaktionen sind isotrop und ätzen die verschiedenen Kristallebenen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. CMP benutzt beide Effekte gleichzeitig.

Chemisch mechanisches Planarisieren, Design einer Anlage

Ein typisches CMP-Werkzeug besteht aus einer rotierenden Scheibe (Platen), welche mit einem Poliertuch bespannt ist. Der Wafer wird mit der Oberseite nach unten auf einer Trägerfolie in eine Halterung (Carrier) montiert. Der Sicherungsring hält den Wafer in der korrekten, horizontalen Position. Sowohl die Scheibe als auch die Halterung rotieren. Die genaue Drehzahlregelung ist von großer Bedeutung. Der Carrier führt eine oszillierende Bewegung aus. Das Be‑ und Entladen des Wafer erfolgt mittels eines Roboters. Während des Be‑ und Entladens wird der Wafer durch Vakuum im Carrier gehalten.
Während des chemisch-mechanischen Polierens wird der Carrier über die Carrierachse und einen Kardanmechanismus nachunten gedrückt. Außerdem wird der Wafer mit Gasdruck oder einem Gegendruck beaufschlagt. Da bei dieser Methode höher liegende Punkte auf dem Wafer  im Vergleich zu niedriger liegenden Punkten größeren Kräften ausgesetzt werden, ist an diesen Punkten die Abtragsrate erhöht und es wird somit eine Einebnung der Oberfläche erreicht. Das Schleifmittel wird der Polierscheibe von oben zugeführt. Die Korngröße, und das Material des Schleifmittels sowie die pH-Wert Einstellung des Schleifmittels sind prozeßrelevant. Normaler Weise wird unter alkalische Bedingungen poliert.
Das Wärmemanagement ist beim CMP sehr wichtig. Die Poliergeschwindigkeit hängt stark von der Temperatur ab und während des CMP wird Wärme durch Reaktionswärme und Reibung freigesetzt. Deshalb verfügt die Scheibe über eine Temperaturregelung mit welcher die Temperatur zwischen 10°C und 70°C eingestellt werden kann. Dies wird entweder durch Back‑Spray‑Technologie wie in der Grafik gezeigt realisiert oder durch den Kontakt mit einem wassergekühlten Stütz‑ und Übertragungsring, welcher mittels Vakuum an der Scheibe haftet.

topview

Ein typisches CMP‑System enthält außerdem eine Poliertuchregenerierung sowie eine Einheit zur Reinigung des Wafers nach dem CMP-Prozess. Weiterhin können verschiedene Systeme zur Endpunkterkennung in ein CMP‑Werkzeug integriert werden. Dies kann über Strommessung des Scheiben‑ und Carriermotors und über Temperaturmessung der Scheibe mittels IR‑Sensor erfolgen. Als Option kann das Nova Oxid Meßsystemintegriert werden.

Crystec Technology Trading GmbH, Germany, www.crystec.com, +49 8671 882173, FAX 882177
Linie

Alpsitec Company Overview

Alpsitec ist ein Unternehmen, welches sich mit Anlagen zur Herstellung von Halbleitern sowie deren Technologie beschäftigt. Es wurde 2001 als ein Spin-Off von der Fa. Steag gegründet und ist im französischen Grenoble ansässig. Das Hauptfeld des Unternehmens ist das Design, die Produktion und die Installation von Maschinen für die chemisch mechanische Planarisierung von Siliziumwafern und, als ein Partner von Cognex, die Integration von Mustererkennungssystemen in die Produktion. Crystec vertritt Alpsitec’s CMP-Anlagen. Diese Maschinen, installiert von Alpsitec und dessen Vorgänger an Universitäten, Forschungsinstituten und bei industriellen Kunden, sind ein Begriff und genießen einen exzellenten Ruf.

CMP Anlagen

Alpsitec CMP Anlagen sind für Forschung und Entwicklung sowie für die Produktion in Pilotlinien ausgelegt. Deshalb wurden die Anlagen auf große Leistungsfähigkeit, hohe Flexibilität, kleine Standfläche, einfache Bedienung und geringe Kosten optimiert. Es sind sowohl Einzelmaschinen als auch modular aufgebaute Versionen erhältlich. Die Änderung der Siliziumwafergröße ist einfach; ebenso können spezielle Probenformen, z.B. rechteckige Wafer, unter Verwendung spezieller Halterungen bearbeitet werden. Es folgen ein Überblick, die Beschreibung und der Vergleich der verfügbaren Modelle:

Pcox 200 S, 202-204

CMP Anlage Pcox200s    Pcox202    Pcox203

Das Modell Pcox 200 S nimmt eine einzigartige Stellung auf dem Markt der F&E Planarisation ein. Die Maschine ist identisch mit den produktionsorientierten Modellen der Pcox20X‑Familie. Die Pcox20X‑Reihe stellt eine Serie modularer Maschinen dar, welche die Einbindung von 2, 3 oder 4 Poliermodulen erlaubt. Die Pcox 200 S ist das Basismodul, welches als Einzellösung zur Prozeßentwicklung verwendet werden kann, aber auch alle für die Produktion wichtigen Spezifikationen erfüllt:

Der Einzelaufbau bietet die gleichen Produktivitätsspezifikationen wie eine mit weiteren Poliermodulen erweiterte Pcox20X‑Anlage wir aber aus Gründen der Platz- und Kosteneinsparung manuell mit Wafern beladen.

Weitere Vorzüge:

Modularconcept

Beladestation für 3 Kasetten, mit Wafer Handling Roboter und  linearem Transfer Roboter Original
PCox 200S Einheit
Zusätzliches Poliermodul in der PCox202S
Zusätzliches Poliermodul in der PCox203S
CMP Anlage Alpsitec E550

E550

Die E550 ist eine Stand‑alone Planarisationsanlage für die Halbleiterindustrie. Das Zweischeibendesign und das Cassette‑to‑Cassette Handling machen es zu einem perfekten Werkzeug für die Halbleiterproduktion. Das modulare Design erlaubt außerdem den einfachen Einsatz in Forschung und Entwicklung. Die Maschine ist im Stande Einzelwafer bis zu 200mm zu planarisieren. Einfache und schnelle Handhabung ist eines der fortgeschrittensten Merkmale dieses Planarisierungswerkzeuges:
Die Software ist transparent und flexibel, die Reinigung einfach durch abnehmbaren Spritzschutz, DI-Spritzdüse und eine DI-Pistole, einfache Wartung sowie bequemer Poliertuch‑ und Carrier-Austausch durch Zugang zum Schleifbereich von drei Seiten.

POLIERSTATION
Die Ent‑ und Beladung des Wafers aus der Horde erfolgt mittels Doppeltransfer‑Palette. Zuerst wird der Wafer auf der primären Scheibe mit einem Durchmesser von 550mm poliert. Danach kann der Wafer auf der Endscheibe mit einem Durchmesser von 350mm poliert werden. Zur schnellen und einfachen Bestückung wird die primäre Scheibe durch Vakuum gehalten. Der Reinigungsbereich zur Spülung von Wafer und Horde befindet sich oberhalb der Endscheibe. Dies ist gleichzeitig die Beladeposition der Horde. Das Konditionierwerkzeug der primären Scheibe kann mit einem Durchmesser von bis zu 238mm ausgelegt werden, und taucht während des Polierprozesses in DI‑Wasser. Der Conditioner kann entweder mit einer Bürste oder einer Diamantscheibe bestückt werden. Das Konditionierwerkzeug der Endscheibe besteht aus einer linearen Bürste.


Alpsitec E460

E460

Die E460 wurde zum Polieren und für chemisch mechanische Planarisation von Einzelwafern mit einem Durchmesser zwischen 2“ und 8“ entwickelt. Der optimale Einsatz der E460 liegt durch die hohe Flexibilität der Anlage im Bereich von Forschungs- und Entwicklungsanwendungen, erfüllt aber auch die Bedürfnisse kleiner Produktionslinien.
Die E460 ermöglicht die Einstellung von 5 Prozeßschritten. Zu jedem Schritt gehört ein spezifischen Satz von Parametern. Die Maschine wird manuell beladen. Die Steuerung des Polierprozesses erfolgt automatisch. Die Standard-Halterung für Wafer nutzt Vakuum und Gegendruck; jedoch ist auch jede andere Art von Bestückung möglich: Wachs, Schablonen. Auf Kundenwunsch können auch spezielle Carrier-Anordnungen realisiert werden. Die Anlage ist mit einem automatischen Konditionierwerkzeug ausgestattet. Anschlüsse für eine einfache und schnelle Endpunktbestimmung sind auf der Rückseite der Maschine angebracht.

Spezielle Vorteile:

E400

Neu: Seit kurzem gibt es jetzt auch noch eine Tischversion der CMP-Anlage für kleine Proben mit einem Durchmesser von 25 - 100mm.

CMP E400

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