1. Yüzey Parlatma Teknolojilerine Giriş

Yüksek kaliteli yüzey finisajları elde etmek için, parlatma işlemleri, mekanik etki ve kimyasal reaksiyonların birleşik etkileriyle iş parçası yüzeyinden malzeme kaldırır. Bu işlemler tipik olarak ince aşındırıcı parçacıklar ile yumuşak parlatma araçlarını (zift, poliüretan ve bez gibi), kimyasal çözeltileri, elektrik/manyetik alanları veya parçacık demetlerini yardımcı yöntemler olarak kullanır.

İlgili farklı malzeme kaldırma mekanizmalarına göre, parlatma teknolojileri başlıca şu şekilde sınıflandırılabilir:

• Mekanik parlatma
• Kimyasal/elektrokimyasal parlatma
• Kimyasal mekanik parlatma (CMP)
• Diğer gelişmiş parlatma teknolojileri

(1) Mekanik Parlatma

Mekanik parlatma, aşındırıcı parçacıklar ile parlatma pedi arasındaki etkileşim yoluyla iş parçası yüzeyinden az miktarda malzeme kaldırarak pürüzsüz bir yüzey üretir. Şu anda optik bileşenler için en yaygın kullanılan parlatma teknolojilerinden biridir.

Geleneksel mekanik parlatma işlemi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Mekanik parlatma sırasında, aşındırıcı parçacıklar, parlatma pedinin pürüzlülüklerinden kaynaklanan normal basınç altında iş parçası yüzeyine bastırılır. Parlatma pedi iş parçasına göre hareket ettikçe, aşındırıcı parçacıklar sürtünme, sabanlama ve kesme eylemleri yoluyla yüzeyle etkileşime girerek iş parçasından malzeme kaldırır.

Aşındırıcı parçacıkların neden olduğu yüzey malzemelerinin deformasyon davranışı genellikle üç aşamaya ayrılabilir:

• Elastik deformasyon
• Plastik deformasyon
• Kırılgan deformasyon

Mekanik parlatma genellikle küçük aşındırıcı parçacıklar ve nispeten yumuşak parlatma araçları kullandığından, yüzey malzemesi parlatma işlemi sırasında genellikle elastik veya plastik deformasyona uğrar.

Mikroskobik bir bakış açısıyla, aşındırıcı parçacıklar ve iş parçası yüzeyi arasındaki mekanik bir etkileşim modeli kurulmuştur, şekilde (a) gösterildiği gibi.

Bu modelde, aşındırıcı parçacığın küresel olduğu ve parlatma pedinin pürüzlülüklerinden uygulanan basınç altında iş parçası yüzeyine bastırıldığı varsayılır.

Mekanik parlatma sırasında, malzeme kaldırmanın olup olmaması öncelikle aşındırıcı parçacığın girinti derinliğine bağlıdır.

Elastik deformasyondan plastik deformasyona geçişe karşılık gelen kritik bir girinti derinliği vardır:

• Girinti derinliği kritik değerden küçük olduğunda, yüzey malzemesi sadece elastik deformasyona uğrar ve malzeme kaldırma olmaz.
• Girinti derinliği kritik değeri aştığında, plastik deformasyon meydana gelir ve bu da etkili malzeme kaldırmaya yol açar.

Farklı aşındırıcı girinti derinlikleri, işlenmiş yüzeyin nihai aşınma durumunu belirleyen farklı malzeme kaldırma mekanizmalarına yol açar.

Şekil (b)'de gösterildiği gibi:

Girinti derinliği atom ölçeğine (yaklaşık 5 Å) ulaştığında, iş parçası yüzeyi sadece elastik deformasyona uğrar. Hiçbir atom kaldırılmaz ve yüzey hasarı oluşmaz.

Girinti derinliği yaklaşık 10-15 Å'a yükseldiğinde, baskın kaldırma mekanizması sabanlama kaldırma olur. Aşındırıcı parçacıkların ekstrüzyon etkisi altında, yüzey atomları birikerek atom kümeleri oluşturur ve bu kümeler aşındırıcı parçacıklar hareket ettikçe yavaş yavaş kaldırılır.

Kaldırılan atomların sayısı, girinti derinliği ile orantılı olarak artar.

Girinti derinliği yaklaşık 20 Å'a daha da arttığında, kaldırma mekanizması kesme kaldırmaparlatma bulamacı, CMP performansını etkileyen en kritik faktör olmaya devam etmektedir.

Bu aşamada, çok sayıda yüzey atomu doğrudan aşındırıcı parçacıklar tarafından kesilir ve aşındırıcı hareketle birlikte kaldırılan talaşlar oluşur.

Bu işlem sırasında, aşındırıcı parçacıklar sadece yüzey atomlarını itip biriktirmekle kalmaz, aynı zamanda çizikler etrafında şiddetli çıkıntılar oluşturarak yüzey pürüzlülüğünü artırır.

Geleneksel mekanik parlatma teorisi, elastik deformasyon aşamasında malzeme kaldırmanın olmadığını öne sürer. Bunun yerine, malzeme kaldırma sadece aşındırıcı parçacıklar kesme eylemi yoluyla plastik deformasyon oluşturduğunda başlar.

Bu nedenle, mekanik parlatma kaçınılmaz olarak belirli bir miktar yüzey ve yüzey altı hasarı getirir.

Mekanik parlatma işlemlerinde, optik bileşenlerin yüzey/yüzey altı hasarı, işlem parametrelerinden güçlü bir şekilde etkilenir, bunlar şunları içerir:

• böylece bulamaç tekdüzeliğini korur.
• Parlatma aracının mekanik özellikleri
• Aşındırıcı parçacık boyutu
• Aşındırıcı parçacık morfolojisi

Şekil (a), mekanik parlatma sonrası bir BK7 optik cam yüzeyini göstermektedir.

Parlatma işlemi 10 µm Al₂O₃ aşındırıcı parçacıklar ve bir zift parlatma aracı kullanmıştır. Mekanik aşındırmadan kaynaklanan önemli çizik kusurları yüzeyde açıkça görülebilir.

Şekil (b), taramalı elektron mikroskobu ile gözlemlenen 30 dakika mekanik parlatma sonrası bir CdZnTe waferinin yüzey ve yüzey altı hasarını göstermektedir.

Parlatma işlemi, alüminyum plaka parlatma aracı ile 2-5 µm Al₂O₃ aşındırıcı parçacıklar kullanmıştır.

Yüzeyde mikron ölçekli ve alt mikron ölçekli çizikler gözlemlenmiştir. Yüzey altı hasar tabakası kalınlığı 1 µm'den azdı ve esas olarak plastik deformasyon hasarını gösteren polikristalin bir tabakadan oluşuyordu.

(2) Kimyasal Parlatma ve Elektrokimyasal Parlatma

Kimyasal parlatma ve elektrokimyasal parlatma, iş parçası yüzeyinden malzeme çözmek için kimyasal veya elektrokimyasal reaksiyonları kullanır.

İşlem sırasında, yüzeydeki mikroskobik çıkıntılar, girintili bölgelere kıyasla tercihli olarak çözülerek daha pürüzsüz bir yüzey elde edilir.

Kimyasal/elektrokimyasal parlatma çözeltilerinin temel bileşimi genellikle şunları içerir:

• Aşındırıcılar
• İnhibitörler
• Su

Her bir bileşenin işlevleri şunlardır:

• Aşındırıcılar: kimyasal reaksiyonlar yoluyla yüzey malzemesini çözer.
• İnhibitörler: aşırı korozyonu bastırır ve işlem kontrol edilebilirliğini iyileştirir.
• Su: seyreltici görevi görür ve reaksiyon ürünlerinin difüzyonunu kolaylaştırır.

Farklı iş parçası malzemeleri için, kimyasal özelliklerine göre karşılık gelen parlatma çözeltisi sistemleri seçilmelidir.

Optik malzemeler genellikle mükemmel kimyasal stabiliteye sahip olduğundan, kimyasal parlatma sırasında aşındırıcı olarak genellikle güçlü asitler, güçlü alkaliler veya güçlü oksitleyici maddeler gereklidir.

Örneğin, esas olarak SiO₂'den oluşan optik bileşenler, K9 camı ve erimiş silika gibi, aşındırıcı olarak yaygın olarak hidroflorik asit (HF) kullanır.

Kimyasal reaksiyon şöyledir:

$$\mathrm{Mekanik\; hasar\; yok}\mathrm{İş\; sertleşmesi\; tabakası\; yok}{\mathrm{2)\; Kimyasal\; reaksiyon\; hızlarının\; kontrolünün\; zorluğu}}_{\mathrm{1)\; Yüksek\; geliştirme\; maliyeti}}Kaldırma\; işlemi\; sertlik,\; tokluk\; ve\; mukavemet\; gibi\; mekanik\; özelliklerden\; bağımsız\; olduğundan,\; bu\; yöntemler\; yüzey\; pürüzlülüğünü\; hızla\; azaltabilir\; ve\; mükemmel\; parlatma\; kalitesi\; elde\; edebilir.\mathrm{Ancak,\; işlenen\; malzemenin\; iyi\; elektriksel\; iletkenliğe\; sahip\; olmasını\; gerektirir,\; bu\; da\; onu\; çoğu\; optik\; malzeme\; için\; uygunsuz\; hale\; getirir.}\mathrm{Ancak,\; kimyasal/elektrokimyasal\; parlatma\; teknolojilerinin\; de\; birkaç\; sınırlaması\; vardır:}\mathrm{Artık\; gerilim\; oluşumu\; yok}Hassas\; yüzey\; işleme{\mathrm{Ancak,\; kimyasal/elektrokimyasal\; parlatma\; teknolojilerinin\; de\; birkaç\; sınırlaması\; vardır:}}_{\mathrm{1)\; Yüksek\; geliştirme\; maliyeti}}\mathrm{Mekanik\; hasar\; yok}\mathrm{İş\; sertleşmesi\; tabakası\; yok}{\mathrm{Artık\; gerilim\; oluşumu\; yok}}_{\mathrm{Ancak,\; işlenen\; malzemenin\; iyi\; elektriksel\; iletkenliğe\; sahip\; olmasını\; gerektirir,\; bu\; da\; onu\; çoğu\; optik\; malzeme\; için\; uygunsuz\; hale\; getirir.}}Kaldırma\; işlemi\; sertlik,\; tokluk\; ve\; mukavemet\; gibi\; mekanik\; özelliklerden\; bağımsız\; olduğundan,\; bu\; yöntemler\; yüzey\; pürüzlülüğünü\; hızla\; azaltabilir\; ve\; mükemmel\; parlatma\; kalitesi\; elde\; edebilir.\mathrm{1)\; Yüksek\; geliştirme\; maliyeti}{\mathrm{Ancak,\; kimyasal/elektrokimyasal\; parlatma\; teknolojilerinin\; de\; birkaç\; sınırlaması\; vardır:}}_{\mathrm{1)\; Yüksek\; geliştirme\; maliyeti}}\mathrm{2)\; Kimyasal\; reaksiyon\; hızlarının\; kontrolünün\; zorluğu}$$

Reaksiyon hızının hassas bir şekilde düzenlenmesi zordur, bu da boyutsal doğruluk ve geometrik hassasiyetin korunmasını zorlaştırır.

3) Malzeme tekdüzeliğine güçlü bağımlılık

• Elde edilen yüzey kalitesi, iş parçasının iç yapısından ve saflığından büyük ölçüde etkilenir.
• Malzeme içindeki safsızlıklar ve yapısal kusurlar nihai yüzey kalitesini önemli ölçüde azaltabilir.
• (3) Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP) Teknolojisi
• Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP),

kimyasal reaksiyonlar ve mekanik aşındırmayı

birleştiren bir yüzey düzleştirme teknolojisidir. Yarı iletken imalatı, optik bileşen işleme ve gelişmiş malzeme üretiminde yaygın olarak uygulanmıştır.

• CMP teknolojisinin geliştirilmesi, yarı iletken teknolojisinin ilerlemesiyle yakından ilişkilidir. Erken aşamalarda, parlatma esas olarak cam ve metallerin yüzey finisajı gibi tamamen mekanik taşlama yöntemlerine dayanıyordu. Ancak, bu geleneksel yaklaşımlar, giderek daha katı hale gelen yüksek hassasiyet ve nanometre ölçekli yüzey düzleştirme gereksinimlerini karşılayamıyordu.
• 1950'lerde, araştırmacılar asitler ve alkali çözeltiler gibi kimyasal reaktiflerin malzeme kaldırmaya yardımcı olabileceğini ve mekanik hasarı azaltabileceğini keşfettiler. Bu keşif, CMP teknolojisinin geliştirilmesi için temel oluşturdu.
• 1965'te IBM, silikon wafer parlatması için ilk kez CMP teknolojisini tanıttı. Entegre devrelerin (IC'ler) hızlı gelişimiyle birlikte, geleneksel kuru aşındırma işlemleri ve tamamen mekanik parlatma yöntemleri, yüzey topografisi varyasyonlarını etkili bir şekilde ortadan kaldıramıyordu. Sonuç olarak, CMP giderek kritik bir işlem teknolojisi haline geldi.

Ancak, erken CMP işlemleri hala birkaç zorlukla karşılaşıyordu, bunlar şunları içeriyordu:

Parlatma bulamaçlarının zayıf stabilitesi

• Yetersiz ekipman hassasiyeti
• Malzeme kaldırma hızlarını kontrol etme zorluğu
• 1997'de IBM, bakır ara bağlantı parlatma işlemlerine CMP'yi başarıyla entegre etti.
• Bakır CMP, aşırı bakır oksidasyonunu bastırmak ve tekdüze malzeme kaldırmayı sağlamak için kimyasal çözünme ve mekanik aşındırma arasındaki dengeyi hassas bir şekilde kontrol etmeyi gerektirir.

Yarı iletken üretim teknolojisinin sürekli evrimi ile birlikte, CMP, yarı iletken işlemleri 0.25 µm altı teknoloji düğümüne girdiğinde tek uygulanabilir düzleştirme çözümü haline geldi.

Ayrıca, düşük-k dielektrik malzemelerin tanıtılması, mekanik hasarı en aza indirmek ve yapısal bütünlüğü korumak için daha nazik CMP işlemleri gerektirdi.

CMP İşlem Mekanizması

CMP, yüksek kaliteli yüzey parlatması elde etmek için nispeten yumuşak aşındırıcı parçacıklar kullanır.

CMP işlemi sırasında, iş parçası kontrollü basınç altında bir parlatma pedi üzerine bastırılır ve ped ile göreceli olarak hareket eder.

Parlatma bulamacındaki nano ölçekli aşındırıcı parçacıklar ve kimyasal bileşenler arasındaki sinerjik etkileşim yoluyla, iş parçası yüzeyi aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi giderek daha pürüzsüz hale gelir.

CMP sistemi genellikle dönen bir taşıyıcı ve bir parlatma plateninden oluşur.

Koordineli dönüşleri aracılığıyla, wafer ve parlatma pedi arasında karmaşık bir göreceli hareket yörüngesi oluşturulur.

Peristaltik pompa tarafından sürekli beslenen bir bulamaç iki fonksiyonel bileşen içerir:

Aşındırıcı parçacıklar:

mekanik parlatma eylemi sağlarlar.

Oksitleyici maddeler:

malzeme yüzeyinde kimyasal reaksiyonları tetikler.

CMP malzeme kaldırma mekanizması esas olarak iki ardışık adımı içerir:Adım 1: Yüzey oksidasyonu ve kimyasal modifikasyonOksitleyici maddeler iş parçası yüzeyi ile reaksiyona girerek kimyasal olarak modifiye edilmiş veya yumuşatılmış bir yüzey tabakası oluşturur.

Adım 2: Reaksiyona girmiş tabakanın mekanik olarak kaldırılması

Aşındırıcı parçacıklar bu yumuşatılmış reaksiyon tabakasını mekanik etkileşim yoluyla kaldırır.

Bu döngüsel işlem nihayetinde son derece düşük pürüzlülüğe sahip ultra pürüzsüz bir yüzey üretir.

CMP'de kimyasal ve mekanik etkiler arasındaki dengenin, nihai işlem kalitesini belirlemede belirleyici bir rol oynadığı unutulmamalıdır.

• Mekanik eylem hakim olduğunda:
• Yüzey çizikleri oluşabilir.
• Artık gerilim konsantrasyonu artabilir.

Yüzey altı hasarı oluşabilir.

Kimyasal eylem aşırı olduğunda:

Yüzey korozyon kusurları ortaya çıkabilir.

Lokalize aşındırma meydana gelebilir.

Yüzey morfolojisi bozulabilir.

Bu nedenle, kimyasal reaksiyonlar ve mekanik aşındırma arasındaki sinerjik etkileşimin optimize edilmesi, CMP performansını iyileştirmenin anahtar faktörüdür.

Araştırmalar, mekanik parlatma yoğunluğu ve kimyasal reaksiyon hızının pozitif bir korelasyon gösterdiğini ortaya koymuştur.

Bu kuplaj etkisi, malzeme kaldırma verimliliğini doğrudan etkiler.

Bu nedenle, bulamaç bileşiminin hassas kontrolü, gelişmiş CMP süreçlerinin geliştirilmesinde başlıca teknolojik zorluklardan biri haline gelmiştir.

Yüksek kaliteli cilalı bir yüzey elde etmek için, CMP sırasındaki kimyasal ve mekanik etkilerin uygun bir dengeye ulaşması gerekir.

Kimyasal eylem mekanik eyleme hakim olursa:

• Korozyon çukurlarıPortakal kabuğu benzeri yüzey desenleri
• Tekdüze olmayan yüzey morfolojisimeydana gelebilir.

Tersine, mekanik eylem hakim olursa:

Çizikler

Çatlaklar

Yüzey altı hasar tabakaları

oluşması muhtemeldir.

2. Kimyasal Mekanik Parlatmayı Etkileyen Faktörler

CMP işlemi sırasında, işlem parametreleri şunlar üzerinde önemli bir etkiye sahiptir:

Malzeme kaldırma oranı (MRR)

• Yüzey pürüzlülüğü
• Yüzey bütünlüğü
• İşlem tekdüzeliği

Preston denklemine göre:

• M
• R
• R

=

K

×

P

×

V

• MRR = K çarpı P çarpı V
• MRR = K × P × V
• burada:

MRR

malzeme kaldırma oranını temsil eder.

• K
• parlatma koşullarıyla ilgili Preston katsayısıdır.
• P

parlatma basıncını temsil eder.

V

göreceli parlatma hızını temsil eder.

• Sürfaktanlar yüzey reaksiyon hızlarını düzenleyebilir veya yüzeyde koruyucu filmler oluşturabilir.
• Bu, mekanik aşındırma ve kimyasal korozyon arasında denge kurmaya yardımcı olarak şunları iyileştirir:
• Parlatma basıncı, parlatma pedi ve wafer yüzeyi arasındaki temas gerilimini doğrudan belirler.
• Basıncı artırmak genellikle aşındırıcı parçacıklar ve wafer arasındaki teması iyileştirir, böylece MRR'yi artırır.

Ancak, aşırı basınç şunlara neden olabilir:

$$\mathrm{Yüzey\; mikro-çizikleri}\mathrm{Lokalize\; aşırı\; parlatma}\mathrm{Lokalize\; aşırı\; parlatma}Ancak,\; aşırı\; yüksek\; hız,\; bulamaç\; kimyasal\; aktivitesinde\; değişikliklere\; neden\; olarak\; parlatma\; stabilitesini\; etkileyen\; lokalize\; sıcaklık\; artışlarına\; (tipik\; olarak\; 10°C\text{'}yi\; aşan)\; neden\; olabilir.\mathrm{Dönme\; hızı}Oksitlenmiş\; reaksiyon\; tabakasının\; mekanik\; olarak\; kaldırılması.\mathrm{yüksek\; performanslı\; CMP\; işlemleri\; elde\; etmek\; için\; esastır.}Oksitlenmiş\; reaksiyon\; tabakasının\; mekanik\; olarak\; kaldırılması.\mathrm{Düşük\; basınç\; ve\; düşük\; bulamaç\; akış\; hızlarında:}$$

Bu nedenle, bulamaç akış hızının optimize edilmesi, parlatma verimliliğinin ve yüzey kalitesinin iyileştirilmesine katkıda bulunur.

• Uygun işlem parametrelerinin ayarlanması, şunları içerir:Basınç
• Dönme hızıBulamaç akış hızı
• yüksek performanslı CMP işlemleri elde etmek için esastır.Araştırmalar, uygun bir basınç aralığında, MRR'nin uygulanan basınca yaklaşık olarak orantılı olarak arttığını göstermiştir.
• Düşük basınç ve düşük bulamaç akış hızlarında:Yetersiz oksidasyon reaksiyonları meydana gelebilir.

Malzeme kaldırma verimliliği azalır.

Basıncı veya bulamaç akış hızını artırmak şunları yapabilir:

Parlatma pedi sıcaklığını düşürür.

Oksidasyon kapasitesini iyileştirir.

Mekanik kaldırma verimliliğini artırır.

• Sonuç olarak, MRR artar.
• Ancak, aşırı basınç veya bulamaç akış hızı mekanik aşındırmanın hakim olmasına neden olabilir.
• MRR artmaya devam etse de, yüzey pürüzlülüğü de artabilir ve çizik kusurları ortaya çıkabilir.
• Bu nedenle, maksimum parlatma verimliliğini elde etmek için oksidasyon reaksiyonları ve mekanik kaldırma arasında dinamik bir denge kurulması esastır.

(a) Parlatma Bulamaç Bileşimi

CMP, şunlar gibi hassas işlem parametrelerinin kontrolünü gerektirse de:

Parlatma basıncı

Dönme hızıBulamaç akış hızıparlatma bulamacı, CMP performansını etkileyen en kritik faktör olmaya devam etmektedir.

CMP bulamacının anahtar bileşenleri şunları içerir:

Aşındırıcı parçacıklar

Oksitleyici maddeler

pH düzenleyiciler

• Bu bileşenler şunları önemli ölçüde etkiler:
• Malzeme kaldırma oranı (MRR)

Yüzey pürüzlülüğü

Yüzey kusuru oluşumu

(b) Oksitleyici Maddeler

• Oksitleyici maddeler, malzeme yüzeyinde oksidasyon reaksiyonlarını teşvik ederek CMP'de kritik bir rol oynar.
• 2. Bulamaç yayılma davranışını iyileştirmek
• Sürfaktanlar, hidrofobik wafer yüzeylerinde daha iyi yayılmaya izin veren bulamaç yüzey gerilimini azaltır.

(c) pH Değeri

Parlatma bulamacının pH değeri şunları doğrudan etkiler:

Parlatma hızı

• Yüzey kalitesi
• Malzeme kaldırma mekanizması

Bulamaç asitliğini veya alkaliliğini ayarlayarak, bulamaç ve malzeme yüzeyi arasındaki kimyasal reaksiyon hızı kontrol edilebilir.

• Optimize edilmiş bir pH değeri, kimyasal modifikasyon ve mekanik kaldırma arasında bir denge elde etmeye yardımcı olur.
• (d) Sürfaktanlar
• Sürfaktanlar, CMP bulamacında stabilizatörler olarak görev yapar.

Ana işlevleri şunları içerir:

1. Bulamaç stabilitesini korumak

Sürfaktanlar şunları önler:

Aşındırıcı parçacık agregasyonu

Bileşen ayrılması

Çökeltme

• böylece bulamaç tekdüzeliğini korur.
• 2. Bulamaç yayılma davranışını iyileştirmek
• Sürfaktanlar, hidrofobik wafer yüzeylerinde daha iyi yayılmaya izin veren bulamaç yüzey gerilimini azaltır.

Bu, şunlar arasındaki teması iyileştirir:

Aşındırıcı parçacıklar

• Malzeme yüzeyi
• daha iyi parlatma tekdüzeliği ve verimliliği sağlayarak.

3. Yüzey hasarını azaltmak

• Sürfaktanlar yüzey reaksiyon hızlarını düzenleyebilir veya yüzeyde koruyucu filmler oluşturabilir.
• Bu, mekanik aşındırma ve kimyasal korozyon arasında denge kurmaya yardımcı olarak şunları iyileştirir:
• Malzeme kaldırma verimliliği

Yüzey pürüzsüzlüğü

Yüzey altı hasar direnci