Start typing and press Enter to search

This website does not support Internet Explorer. For a correct visualization we recommend to use Microsoft Edge or Google Chrome.

ケーススタディ

In-situ metrology for pad
surface monitoring in CMP
Chemical Mechanical Planarization (CMP) is one
of the most critical processes in the semiconductor,
hard disk and LED wafer manufacturing segments.
The need for surface metrology for the CMP process
is evident given that mechanical interaction between
the surfaces is a critical variable for all stages.

CMPでのパッド面モニタリング用現場計測

CMP, CMP, 消費者エレクトロニクス, ケーススタディ, 消費者エレクトロニクス
VP Sales, PSDV, MSc in Photonics at Sensofar Metrology | Other articles

Alberto Aguerri has worked at Sensofar since 2004 in different roles in Production and Sales teams. He is a knowledgeable expert of all the optical surface metrology in the market. He is currently leading the worldwide Sales and Applications operations through a network of distributors and own sales and support offices in key markets such as Asia, Germany and USA.

CMPパッドは全体的に十分活用されておらず、多くの場合、有効寿命が半分以上残ったまま廃棄されていることがS  mart CMPによって明確に実証されています。

化学機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization : CMP)は、半導体、ハードディスク、 LEDウエハーの製造分野において最も重要な工程のひとつです。この工程は、基板ウエハーの要求平面度の確保と、ウエハー上の構造体の析出とリソグラフィプロセス後の中間点における再平坦化を目的として適用されます。一般に平坦化は構造体内の多層相互接続の機能性を確保するために必要ですが、この技術は均一性を保持しながらウエハーの厚さを減らすためにもよく使用されます。
CMP工程中は、回転治具に固定されたウエハーが回転する研磨パッドに押し当てられます。その間、ウエハーとパッドの間に液体研磨剤(スラリー)が注入されます。パッドの回転とパッド表面に付けられた同心円状の溝によって、スラリーがパッドとウエハーの接触面に行き渡ります。  スラリーがウエハーの表面を軟化させるため、パッド表面の粗さによって材料が除去されます1 1-. J. McGrath, C. Davis.Polishing pad surface characterization in chemical mechanical planarization.( Journal of material processing technology, 153&154-2014.) .
ウエハーから除去される材料の量と工程全体の質は、研磨パッドの表面特性によって大きく左右されます。パッドの表面は研磨作用により劣化するため、定期的に再生する必要があります。再生ではパッド表面の研削処理を行い、研削盤または調整盤でパッドの表面を回復します。通常、これらのディスクはステンレス鋼製または電着ダイヤモンド製です。

cs13 Sensofar Metrology - CMP process 1
図1. CMP工程概要図
cs13 Sensofar Metrology - CMP process 2
図2. ウエハー生産。CMP不使用 (a)、CMP使用 (b)

アプリケーションノート
Sensofar

pdf_download_icon

CMP工程のあらゆる段階で表面間の機械的相互作用が重要な可変要素であるとすれば、CMP工程における表面計測の必要性は明らかです。工程を通じて定期的に特性評価が必要な表面は、調整盤、ウエハー、パッドの表面です。ただし、大量生産環境では研磨工程で自然に発生する停止時(ウエハーの交換時など)における非破壊的なパッドの現場特性評価が望まれます。これによってパッドの重要なパラメータのドリフトを検出し、工程変更の検証に役立てることもできます。いずれの場合も、この目的は消耗品の寿命の延長と工程全体の収量の増加です。

cs13 Sensofar Metrology - CMP process 3
図3. 調整盤表面の3Dトポグラフィー

パッド表面の劣化とライフサイクルに影響する主な2つ要因は、パッドの溝の閉塞とパッドのグレージングです。

溝の閉塞
研磨中にウエハーから除去された材料がパッドの溝に堆積し、閉塞を起こします。そのためスラリーがウエハーに均一に行き渡らず、ウエハーの中心と周縁部の間で材料が不均一に除去されます。溝の閉塞をモニターすることで、パッドの溝の清掃の必要性を予測し、最適な清掃時期を決定することができます。  この清掃作業によりパッドの寿命を20%伸ばすことができます2 2-. T. Moore, N. Schwarz. NEOX Ex-Situ CMP Pad. NCCAVS, CMP Users Group Proceedings (2013). .

パッドのグレージング
グレージングは表面の劣化によってパッドの研磨能力が低下するさらに複雑な現象です。この現象によりウエハーとパッドの間の摩耗が増加するため、処理温度が上昇し、研磨中に材料の選択性が生じることがあります。この現象は溝の閉塞とは異なり容易に予測できないため、CMP工程の理想的な性能を確保するには、連続的にモニターする必要があります。
パッド表面の現場(in-situ)モニタリングを可能とするために、湿潤条件に対応する測定法を使用する必要があります。この要件を満たすのは液浸法のみです。この方法の主な利点は、特性を評価するためにパッドを研磨機から取り外す必要がない点です。そのため、パッドのライフサイクルのさまざまな時点でパッドのグレージングと溝の閉塞の現場モニタリングが可能となります。現場測定によって、パッドの寿命延長が実証されることで、オペレーターはパッドの有効寿命の終わりまでパッドを活用できるようになりました。

cs13 Sensofar Metrology - CMP process 4
図4. 液浸対物レンズ

CMP工程のあらゆる段階で表面間の機械的相互作用が重要な可変要素であるとすれば、CMP工程における表面計測の必要性は明らかです。工程を通じて定期的に特性評価が必要な表面は、調整盤、ウエハー、パッドの表面です。ただし、大量生産環境では研磨工程で自然に発生する停止時(ウエハーの交換時など)における非破壊的なパッドの現場特性評価が望まれます。これによってパッドの重要なパラメータのドリフトを検出し、工程変更の検証に役立てることもできます。いずれの場合も、この目的は消耗品の寿命の延長と工程全体の収量の増加です。

cs13 Sensofar Metrology - CMP process 5
図5. S mart CMP、3D光学式センサー
cs13 Sensofar Metrology - CMP process 6
図6. (a) S martセンサーの光路図、(b) ピクセルの軸方向応答

S  mart CMPは特許を取得したSensofarのマイクロディスプレイ技術と高輝度青色LEDを採用して、1つのセンサー内で共焦点顕微鏡技術と焦点移動技術を組み合わせることが可能となっています[3]。CMPアプリケーションを中心に構築されたソフトウェアプラグインが、S mart CMPコントロールインターフェース内でこのアプリケーションに必要なすべてのツールと分析を提供します。
マイクロディスプレイが検査表面に各フリンジパターンを投影し、表面の共焦点画像を生成します。共焦点画像は表面のグレースケールマップです。焦点面内のピクセルは明るい信号で表示され、焦点が外れているピクセルは黒く表示されます。表面の垂直走査により共焦点画像のスタックを回収して、各ピクセルの焦点の軸方向応答を取得することができます。軸方向応答の処理により、表面の3D復元が可能となります。
この測定法と適切な液浸対物レンズを組み合わせることにより、S martセンサーは研磨機にパッドを取り付けたままの状態でパッドの粗さを測定することが可能です。
同じ液浸対物レンズを使用し、焦点移動技術によって溝の深さと幅をすばやく判定し、溝の閉塞の検出とモニタリングを行うことができます。

3D measurement of a new pad groove
図7. 新しいパッドの溝の3D測定

S mart CMPは焦点移動技術を採用し、数秒以内にパッドの溝を測定することができます。これによって、溝の幅と深さの特性を評価して工程中に溝の閉塞をモニターすることが可能となります。生産環境では、溝の向きに関わらず溝の深さと幅を判定するCMPソフトウェアプラグインの機能により、調整工程および研磨工程後の自動分析が可能となります。
これにより、モニタリングを行い最適な調整時期を決定できるだけでなく、パッド表面の再生に必要な最適な調整時間の特性評価も可能となります。これらのすべての側面が使用可能な(価値のある)パッドの寿命を延ばし、ウエハーの管理の必要性を減らすとともに、工程を最適化し、完成品であったはずのウエハーを再加工するという無駄を防ぎます。
研磨工程中のパッドの粗さ高さの変化。数時間研磨した後、表面に「グレージングの山」が現れます。研磨工程中に一定の間隔でパッド表面をモニターすることにより、パッド表面を適切に調整(介入)し、表面を元の状態に戻すことができます。

cs13 Sensofar Metrology - CMP process 9
図8. 研磨工程中のパッドの粗さ高さの変化。数時間研磨した後、表面に「グレージングの山」が現れます。研磨工程中に一定の間隔でパッド表面をモニターすることにより、パッド表面を適切に調整(介入)し、表面を元の状態に戻すことができます。
cs13 Sensofar Metrology - CMP process 10
図9. 介入前(黒色)と介入後(赤色)のパッドの比較。左側は研磨6時間後、右側は研磨12時間後の表面です。
cs13 Sensofar Metrology - CMP process 11
図10. (a) 新しいパッド、(b) 10時間使用後の状態の良いパッド、(c) 3時間使用後の状態の悪いパッド

表面のパラメータ管理を簡素化するため、取得データの自動分析が可能です。オペレーターがセンサーをパッド表面に当てて焦点を合わせるだけで、データ取得が開始し、ソフトウェアが対象のパラメータ値を自動的に示します。
このアプリケーションのために開発された特別な分析アルゴリズムが、自動的に溝の幅と深さを検知して溝の閉塞をモニターし、それと同時に別のアルゴリズムパッド表面粗さの重要なパラメータを分析してパッドのグレージングを検出します。

cs13 Sensofar Metrology - CMP process 12
図11. ソフトウェアのスクリーンショット(例)
cs13 Sensofar Metrology - CMP process 13
Figure 12. Topography example

関連
製品

関連製品

デンタルインプラントの表面トポグラフィーを調査するこの研究で、共焦点技術が使用され、効果を出しています。この非破壊的な測定技術により、複雑で危険を伴うデンタルインプラントの各箇所の特性評価が可能です。表面変性を評価するために定性分析と定量分析が実施されました。この研究の各構成要素から次のような結果を導き出すことができます。
表面損傷は、各インプラントシステム(ネック、トップ、谷、フランク)の各評価箇所と各箇所内のインプラント沿いで異なる。
界面比率(Sdr)の変化は材料の堆積変化(Vm)と正に相関し、損傷の最も有効な指標とされる。
感度が高いため、欧州レポートEUR 15178Nで定義されるRkパラメータ群ではなく、ISO 25178規格の機能的体積パラメータの使用が推奨される。
3D光学式形状測定装置S neox(Sensofar、スペイン)が、骨への埋め込み前と埋め込み後のデンタルインプラントの表面トポグラフィー調査における高精度ツールであることが示された。S neox Five Axisなどのより高度なツールは、より高速で自動性能の高い高解像度測定だけでなく、完全なデンタルインプラント形状の3D復元も可能であり、さらなる研究において摩耗分析や品質管理に活用できると考えられる。

スペイン、バスク州に位置するモンドラゴン大学のサーフェステクノロジーグループのミッションはコンポーネントの表面分析に焦点を当て、機能最適化を目指しています。そのために、主に高度表面形状測定の研究に重点を置き、実験的アプローチと数値的アプローチの両方を使用して、機能的挙動(トライボロジー、疲労、フレッティング、腐食、生物学的反応など)に関する表面トポグラフィーの効果を研究しています。

cs10 Universidad Mondragon - dental implants Hcs18 WPI - ceramic layers H