案例分析｜Sensofar共聚焦白光干涉仪用于CMP中垫面光泽监测及3D测量

      化学机械平面化（CMP）是半导体、硬盘和LED晶片制造行业的关键过程，用于实现基板晶片所需的平整度。平面化对于确保结构内多层互连的功能性以及在保持均匀性的同时减少晶片厚度至关重要。

      随着特征尺寸继续缩小和集成级别继续提高，CMP预计在未来微电子设备的发展中将扮演越来越重要的角色。通过精确控制表面地形和材料属性，CMP可以实现新型的设备架构，如3D堆叠、finFETs、纳米线和量子点。此外，化学机械平面化还可以通过克服传统蚀刻技术的限制，促进新材料的集成，如高k电介质、低k电介质、铜、钴、石墨烯和碳纳米管。

图1. CMP过程示意图

      CMP结合化学和机械力量去除多余的材料，并在半导体晶片上创建一个光滑、平坦的表面。它是实现高质量和高性能微电子设备的重要技术。CMP广泛用于各种应用，例如：

在集成电路（ICs）中对间层电介质（ILDs）和金属层进行平面化，以减少寄生电容、提高可靠性并实现多级互连。对浅沟槽隔离（STI）结构进行平面化，以隔离活性设备并防止漏电流。对绝缘体上的硅（SOI）基板进行平面化，增强设备性能并减少功耗。对微电机电子系统（MEMS）进行平面化，以提高功能性并与ICs集成。对计算机硬盘的磁盘和读/写头进行平面化，以增加存储密度和数据传输率。在CMP过程中，晶片被固定在一个旋转夹具上，并被压在一个旋转的抛光垫上。同时，一种磨料化学液体（称为浆料）在晶片和垫之间分布。化学浆料弱化了晶片的表面，允许垫的粗糙度去除材料。此过程重复，直到达到所需的平面度。

      CMP是一个复杂且具有挑战性的过程，涉及许多参数，如浆料成分、垫材料、压力、速度、温度和终点检测。特别是，抛光垫的表面性质在CMP过程的质量中起到了重要作用，因为它们会影响从晶片上去除的材料量。由于抛光垫在抛光过程中退化，需要不断进行再调整。这通常是通过在垫表面上的一种磨料过程来完成的，使用由不锈钢或电镀金刚石制成的旋转磨料或调整磁盘。

图2. CMP前后在金属线上的内部电介质横截面图

图3. 晶圆制造 (a) 未使用CMP 和 (b) 使用CMP

     在化学机械平面化（CMP）过程中，表面计量学是关键，因为表面之间的机械相互作用是所有过程阶段的一个重要变量。在CMP过程中需要定期表征的表面包括调节盘面、晶圆表面和垫表面。

      在高产量生产环境中，在抛光过程的自然暂停期间（例如更换晶片时）进行无损的实时垫片表征是非常重要的。这使得可以检测垫片关键参数的漂移，并协助验证过程更改。Z终的目标是延长消耗品的使用寿命并提高整个过程的产量，这对于任何成功的制造操作都是至关重要的。

图4. 调节盘面的3D地形图

1.槽阻塞

      在抛光过程中，从晶片上去除的材料会沉积在垫槽中，导致阻塞。这一现象阻碍了晶片上均匀的浆料分布，导致晶片中心和边缘的去除不均匀。为了预测清洁垫槽的需要并确定其Z佳时间，需要监测槽的阻塞。清洁操作可以将垫的使用寿命延长高达20%。

2.垫光泽

      垫光泽是一个更复杂的现象，当垫的抛光能力因表面退化而降低时会发生。这一现象增强了晶片和垫之间的磨损，提高了工艺温度，并在抛光过程中产生材料选择性。与槽阻塞不同，垫光泽不能容易预测，并需要持续监测以确保CMP过程的理想性能。

      对于槽阻塞和垫光泽，实时垫面监测是至关重要的。为此，所使用的计量学方法必须能够在湿润条件下工作。浸没计量学是能满足这些要求的方法。

      这种方法的主要好处是，垫不需要从抛光机上移除以进行表征。这使得可以在垫的生命周期的各个点实时监测垫光泽和槽阻塞。实地计量学已被证明可以延长垫的使用寿命，允许操作员使用垫，直到它们的有用寿命结束。

图5. 浸没目标

     几年前，Sensofar与行业专家合作开发了一种用于CMP过程的创新表面计量解决方案。目标是通过只在必要时更换垫片，提高每个垫片的产量并Z小化抛光系统的停机时间。解决方案是一种非破坏性的、实地的3合1表面计量系统，称为S mart 2。

     使用S mart 2，您可以使用便携式支架快速评估抛光垫的状态，并在垫片仍在抛光系统内时将传感器放置在垫片上。新的头部设计得更轻、更紧凑。它具有内置的电子控制器，使其成为一个即插即用的系统，只需要两个从头部退出的电缆（电源和通信）。

      S mart 2系统可以直接从笔记本电脑操作，提高了便携性和方便性。它还可以作为独立系统使用，或作为自动计量解决方案集成到生产线中。使用S mart 2，您可以迅速获取和分析数据，有效监控关键的垫片特性，如光泽和槽阻塞。

      S mart的前一版本已经证明CMP垫片被低估使用，并且经常被丢弃，其寿命的一半以上仍然剩余。随着S mart 2的推出，监控垫片条件并成功延长其使用寿命变得更加容易。

      S mart 2配备了Sensofar的专利技术和高强度蓝色LED，将共焦、Ai焦点变化和干涉测量技术结合在一个传感器中[3]。为CMP应用构建的SensoPRO软件插件在S mart 2控制界面内为此应用提供了所有必要的工具和分析。S mart 2传感器提供了一种独特的计量方法，与适当的浸没目标配合时，即使仍在抛光机上也能准确测量垫片的粗糙度。

      监测槽阻塞通过利用共焦和Ai焦点变化技术，可以迅速检测和监测槽的深度和宽度，从而有效地识别和跟踪槽阻塞。对于生产环境，通过SensoPRO软件插件可以进行自动分析，该插件独立地确定槽的宽度和深度，而不考虑其方向。

图7. 新垫槽的3D测量

      Smart 2及其与水浸没条件兼容的共焦技术可以在调节和抛光阶段后有效地表征垫面的粗糙度。监测垫的状态可以确定调节的Z佳时间和需要再生垫面的Z佳持续时间。这些功能有助于延长垫的可用寿命，Z小化对控制晶片的需求，并优化整个过程，从而避免对完成的晶片进行重新处理。

      此图像显示了在抛光过程中垫的粗糙度高度如何变化。当抛光持续数小时时，可以在表面分布中观察到一个“光泽峰”。在整个过程中定期监测垫面使得可以干预并调节垫面，使其恢复到其初始状态。使用此信息优化您的抛光过程并获得一致的结果。

图8. 图像显示了在抛光过程中垫面粗糙度高度的变化。经过几个小时的抛光后，表面分布中出现了一个“光泽峰”。通过在抛光过程中定期监测垫面，可以适当地调整垫面（干预），以将表面状态恢复到初始状态。

图9. 图像显示了干预前的垫子（黑色）与干预后的垫子（红色）的比较。左侧的图像是经过6小时抛光过程后的表面，而右侧的图像是经过12小时后的。

图10. (a) 新垫；(b) 使用10小时后的良好垫；(c) 使用3小时后的损坏垫。

      S mart 2传感器使得对表面参数的精确控制变得容易。所获得的数据的分析可以被自动化，允许操作员将传感器放置在垫面上，获取测量值并获得报告。Sensofar的SensoPRO软件自动显示目标参数值以及特定容差的通过/失败报告，简化了流程并减少了出错的可能性。

      SensoPRO是质量控制经理的强大工具，允许直接比较数据集并为CMP监测建立自动容差。有了SensoPRO，您可以快速且轻松地分析和比较数据，确保持续的质量和流程控制。

图11. 软件截图示例

图12. 地形示例

      CMP确保在晶片上构建的结构的平整性和功能性。随着技术的进步，CMP变得越来越重要，使其成为研究人员和制造商的关键关注领域。在这个背景下，现场表面测量对于监控CMP过程、降低成本和确保质量至关重要。Sensofar的新款S mart 2提供先进的采集和分析工具来支持CMP研究和质量控制。通过利用S mart 2的高级功能，研究人员和制造商可以优化他们的CMP过程，获得准确的结果，并在一个迅速发展的行业中保持领先地位。