CMP, planarisation ou polissage mécano chimique
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silicon wafer

Le process CMP

Le process CMP: Le CMP, pour “chemical mechanical planarization” ou “chemical mechanical polishing” (planarisation ou polissage mécano chimique), est un processus qui aplanit les reliefs sur les couches d’oxydes de silicium, de poly-silicium ainsi que les couches métalliques. Il est utilisé pour planariser ces couches afin de les préparer aux étapes lithographiques suivantes, évitant ainsi les problèmes de mise au point liés aux variations de profondeur lors de l’illumination de la résine photosensibles. Il s’agit de la seule méthode possible pour la fabrication de circuits électroniques à très haute densité d’intégration.
Le CMP remplace des technologies telles que le dépôt d’oxyde BSPG, suivi d’une étape de recuit (BPSG anneal) qui lisse cet oxyde à basse température de fusion, ainsi que le SOG : spin on glass qui est aussi utilisée pour planariser. Le dépôt de silice flue sur la surface de silicium et doit alors subir un nettoyage SOG pour enlever le solvant et les composants organiques restants. Plus la taille de la structure est petite, plus l’impératif de planarité de la surface est élevé. Les méthodes BPSG et SOG ne planarisent pas la couche complètement. Il existe des variations locales de hauteur entre les zones de densité de différentes. Le CMP est la seule technique qui réalise une planarisation totale du wafer.

Plusieurs matières peuvent être planarisée par la technologie CMP.

Planarisation d'oxyde

planarisation mécano chimique d'oxide

A l’origine, le CMP était utilisé principalement pour la planarisation de l’oxyde inter métallique (ILD). L’oxyde de silicium est déposé en couche plus importante que l’épaisseur finale requise; il est ensuite polie jusqu’à ce que les variations de hauteur disparaissent. Cela aboutit à une surface plane prête pour l’étape suivante. Le process peut être répété à chaque couche d’interconnexion supplémentaire.

polissage mécano chimique de sti

Il existe aujourd’hui une autre application importante, la planarisation de l’oxyde dans le process STI :shallow trench isolation. Le substrat de silicium est recouvert d’une couche de nitrure de silicium. Cette couche est paternée et gravé. Ensuite, les tranchées dans le silicium sont remplies d’oxyde. L’étape CMP est utilisée pour éliminer tout l’oxyde au dessus de la surface de nitrure. Après l’ élimination de la couche de nitrure, le transistor peut être construit par le dépôt des oxydes de grille et du silicium poly-silicium.

Planarisation de poly silicium

Le poly silicium peut être facilement poli avec, à peu de différences près, les mêmes types de polisseuses et les mêmes pads et abrasifs que ceux utilisés pour la planarisation de l’oxyde de silicium. Les applications-types sont le polissage des connexions ou des vias de poly-silicium, en retirant le poly silicium déposé au dessus de l’oxyde ILD, et laissant seuls les vias remplis de poly.
Cette planarisation peut aussi être utilisée lors de la phase finale d’amincissement des wafers ainsi que pour le polissage des wafers de silicium.

Planarisation des métaux

Des métaux comme le tungstène, l’aluminium ou le cuivre sont utilisés dans la technologie damascene pour remplir des vias ou tranchées afin de réaliser les connections électriques. Cette technologie est appelée ainsi d’après une ancienne technologie utilisée dans la fabrication d’épées à Damascus.

planarisation ou polissage mécano chimique de tungstène

Le process damascene du tungstène part d’une surface diélectrique complètement planarisée avec des trous de vias affleurants. Ces trous peuvent être faits bien plus petits et plus serrés que les sloped vias de la technologie précédente. Le tungstène (W) est alors déposé par un processus de dépôt par vapeur chimique. Le process CVD produit un film de tungstène cristallin qui rempli les trous par toutes ses paroies, ne laissant qu’un espace très petit au milieu du via. Une étape de CMP est alors utilisée pour ôter le tungstène en surface, ne laissant ainsi que les trous de vias remplis. Ce process de polissage est conçu pour être très sélectif entre le tungstène et le diélectrique de base.

Enfin, une couche de lignes de métal doit être créée sur les contacts fabriqués précédemment afin de compléter le circuit. Le process est répété avec l’étape de planarisation d’oxyde pour ajouter à chaque fois, un niveau d’interconnexion au circuit intégré. A part l’utilisation pour la préparation des vias connectant deux couches de métal, le process damascene peut aussi être utilisé avec les tranchées modelées dans le diélectrique afin de former les lignes de métal elles même. Le cuivre est souvent utilisé pour ce process. Une tranchée étroite est gravée dans le diélectrique suivant les formes désirées, le cuivre est déposé sur le wafer par dépôt électrochimique ECD, et le processus CMP ôte sélectivement le métal en surface pour ne laisser que les tranchées remplies. Dans le process dual damascene, le niveau des lignes et des vias sont tous deux créés grâce en une seule étape CVD ou ECD et une seule étape de polissage.

Toutes les couches de métal doivent être recuites après le dépôt ou la planarisation. Le processus de recuit du cuivre (copper anneal process) est décrit sur une page séparée.

La technologie CMP

Le CMP est un processus de lissage et de planarisation des surfaces combinant des actions chimiques et mécaniques, un mélange de gravure chimique et de polissage mécanique à abrasif libre. Le rodage mécanique seule cause trop de dégâts sur les surfaces et la gravure humide seule ne permet pas d’obtenir une bonne planarisation. Les réactions chimiques étant isotropiques, elles attaquent les matériaux indifféremment dans toutes les directions. Le CMP combine les deux effets en même temps.

CMP design

La machine classique de CMP consiste en un plateau rotatif recouvert d’un pad. Le wafer est chargé à l’envers dans un portoir et s’appuie sur un film de protection. Un anneau de retenue maintient le wafer en place dans le portoir. Le plateau et le portoir sont tous deux en rotation. Un bon contrôle de la vitesse est important. Le portoir est aussi animé d’un mouvement d’oscillation. Un système de robot est installé pour charger et décharger le portoir. Pendant le chargement et le déchargement, le wafer est maintenu dans le portoir par le vide Pendant le polissage CMP, on applique une force sur le portoir, par son axe, grâce à un dispositif de type cardan et qui se transforme en pression de travail sur le wafer. De plus, une pression d’azote est appliquée en face arrière du wafer. Sur le tissus de polissage, les points les plus hauts du wafer sont soumis à des pressions plus élevées que leurs voisins, plus bas, faisant que la vitesse d’enlèvement y est plus forte. Cette différence de vitesse entre les points hauts et bas crée l’effet planarisation.
Le slurry est versé sur le plateau par des canules. En fonction du procédé recherché, les abrasifs sont différents. Les caractéristiques des abrasifs dépendent de la taille de grain, de son matériau, et de la chimie qui l’accompagne, dont le pH. En règle générale, les abrasifs pour le silicium, l’oxyde, le nitrure, sont basiques, et pour les métaux : acides. La température du procédé joue aussi sur les conditions d’enlèvement mais de façon différente en fonction des matériaux.
Pour cela, le plateau est équipé d’un système de régulation de la température, qui peut ajuster la température entre 10°C et 70°C. Ceci est fait soit par une technologie back spray (voir schéma), soit par contact entre le support de plateau doté d’une circulation interne d’eau régulée en température.

topview

Le système CMP type contient également un outil de conditionnement des pads ainsi qu’un outil pour le nettoyage des wafers après le polissage. Des systèmes variés de détection de fin de polissage peuvent aussi être intégrés dans l’outil de CMP. Ceci peut être fait en mesurant la température du plateau par capteur IR. Le système de mesure d'oxyde Nova peut être intégré en option.

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Présentation générale d’Alpsitec

Alpsitec est une société travaillant dans la technologie et les équipements pour le semi-conducteur. Elle a été fondée en 2001 par la reprise de l’activité CMP de Steag Electronic System et est basée à Grenoble, France. Alpsitec a deux activité principales : la conception, la production et l’installation de machines de polissage et planarisation de wafers de silicium, et, en tant que partenaire de Cognex, l’intégration de systèmes de vision industrielle sur lignes de production. Crystec représente Alpsitec pour son activité CMP. Ces machines, intallées par Alpsitec et son prédécesseur dans des universités, des instituts de recherche et des clients industriels, sont largement reconnues et bénéficient d’une excellente réputation.

L’équipement CMP

Les équipements CMP d’Alpsitec sont conçus pour la recherche et développement et les lignes de productions pilotes. De ce fait, ils ont été prévus pour des performances élevées, une grande souplesse, peu de déplacement, une facilité d’utilisation et des coûts bas. Des machines stand alone et des structures modulables sont disponibles. Le changement de la taille du wafer est facile et rapide; de même, des formes spéciales d’échantillons, par exemple des wafers rectangulaires, peuvent être utilisés, avec des portoirs spéciaux. Voici une présentation, description et comparaison des différents modèles disponibles:

Pcox 200 S, 202-204

CMP équipement Pcox200s    Pcox202    Pcox203

La Pcox 200 S a une position unique sur le marché de la R&D en planarisation. En effet, cette machine est identique à ses parents de la famille des Pcox20X destinés à la production. La gamme Pcox200X consiste en une série de machines modulaires qui offrent des configurations incluants 2, 3 ou 4 modules de polissage. La Pcox200S est l’un de ces modules utilisé en stand alone pour le développement de process. Elle offre les mêmes caractéristiques qu’une machine de production :
- contrôle total par ordinateur et PLC
- chargement et déchargement automatique de la tête de polissage
- multiples étapes de polissage
- compatibilité 4’’ à 8’’
- conditionnement in-situ ou ex-situ
- pompes de slurry intégrées
- échange rapide des plateaux, des portoirs de polissage et des outils de conditionnement. Sa structure offre les mêmes caractéristiques de productivité qu’un module inclus dans une machine Pcox20X, mais avec un chargement manuel du wafer, afin de gagner en place et en coûts.
Autres propriétés :
- transfert direct des process développés sur la Pcox200 S aux machines de production Pcox20X.
- évolution possible et facile d’un module Pcox200S vers une machine Pcox20X, assurant ainsi une bonne durée de vie de l’outil sans obsolescence.

Modularconcept

Station de manipulation incluant 3 cassettes, un robot de manipulation de wafers et un robot additionnel de transfert linéaire. PCox 200S
initiale
Module de polissage aditionnelle pour la PCox202S
Module de polissage aditionnelle pour la PCox203S
CMP équipement Alpsitec E550

E550

Le E550 est une machine de planarisation stand alone pour l’industrie du semiconducteur. Sa conception avec deux plateaux et la manipulation de cassette à cassette en fait un outil parfait pour une ligne de production de semiconducteurs. Sa conception modulaire permet également de l’adapter facilement à la Recherche & Développement. Cet outil peut polir et planariser des wafer jusqu’à 200 mm. Facilité et rapidité de manipulation sont parmi les propriétés les plus avancées de cet outil : Un logiciel souple et transparent, un nettoyage facilité par à un écran de protection amovible, des buses et une douchette d’eau DI, un accès depuis trois côtés à la zone de polissage, tout cela participent à la facilité de maintenance et la facilité d’utilisation en permettant un échange facile des plateaux et portoirs.

La station de polissage :
Le wafer est chargé et déchargé via la palette de transfert double. Le wafer est d’abord poli sur le premier plateau d’un diamètre de 550 mm. Ensuite le wafer peut être poli sur le plateau final d’un diamètre de 350 mm. Le premier plateau est tenu par dépression, permettant un montage facile et rapide. La zone de nettoyage se trouve au-dessus du plateau final, pour rincer le wafer et le portoir. C’est également la zone de chargement du portoir. La tête de conditionnement du premier plateau peut être équipée d’un outil avec un diamètre allant jusqu’à 238 mm, immergé dans l’eau DI pendant le cycle de polissage. Cet outil peut aussi être équipé de brosse de disque et d’anneaux diamantés. Le conditionneur du dernier plateau se compose d’une brosse linéaire.


Alpsitec E460

E460

Le E460 est conçu pour le polissage et la planarisation de wafers de diamètres compris entre 2” et 8”. L’utilisation optimale du E460 se trouve dans le champ des applications en Recherche & Développement, tout aussi bien que pour les besoins de production en petites quantités, grâce à la flexibilité de la machine.
Le E460 propose un procédé en 5 étapes. Chaque étape offre un ensemble spécifique de paramètres. Cet outil propose un chargement manuel et un contrôle automatique du polissage. Notre montage standard du wafer utilise l’aspiration et la pression en face arrière mais tout autre type de montage est possible : cire, templates. Une configuration spécial du portoir peut être réalisée afin de s’adapter aux besoin des clients. La machine est équipée d’un outil de conditionnement automatique. Pour une détection facile et rapide du point de fin de polissage, la machine est prééquipée et des connecteurs sont disposés sur la face arrière de la machine.

Avantages spécifiques :

E400

Nouveau: Récemment, nous pouvons offrir aussi une version de table de la machine CMP pour les petites plaquettes d'un diamètre de 25 - 100mm.

CMP E400

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