การขัดเวเฟอร์มีวิธีการอะไรบ้าง?

จากกระบวนการทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการสร้างชิปซึ่งเป็นชะตากรรมสุดท้ายของเวเฟอร์คือการตัดเป็นชิ้นๆ และบรรจุในกล่องเล็กๆ ที่ปิดล้อมและมีหมุดโผล่ออกมาเพียงไม่กี่อัน ชิปจะได้รับการประเมินตามค่าเกณฑ์ ความต้านทาน กระแส และแรงดันไฟฟ้า แต่จะไม่มีใครพิจารณารูปลักษณ์ของมัน ในระหว่างกระบวนการผลิต เราจะขัดแผ่นเวเฟอร์ซ้ำๆ เพื่อให้ได้ระนาบที่จำเป็น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแต่ละขั้นตอนการพิมพ์หินด้วยแสง ที่เวเฟอร์พื้นผิวจะต้องเรียบมาก เนื่องจากในขณะที่กระบวนการผลิตชิปหดตัว เลนส์ของเครื่องถ่ายภาพหินจะต้องได้ความละเอียดระดับนาโนเมตรโดยการเพิ่มรูรับแสงตัวเลข (NA) ของเลนส์ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้จะช่วยลดระยะชัดลึก (DoF) ไปพร้อมๆ กัน ความลึกของโฟกัสหมายถึงความลึกที่ระบบออพติคอลสามารถรักษาโฟกัสได้ เพื่อให้แน่ใจว่าภาพ photolithography ยังคงชัดเจนและอยู่ในโฟกัส ความแปรผันของพื้นผิวของเวเฟอร์ต้องอยู่ในระยะโฟกัสลึก

กล่าวง่ายๆ ก็คือ เครื่องถ่ายภาพหินจะเสียสละความสามารถในการโฟกัสเพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการถ่ายภาพ ตัวอย่างเช่น เครื่องถ่ายภาพหินด้วยแสง EUV รุ่นใหม่มีรูรับแสงเป็นตัวเลข 0.55 แต่ระยะชัดลึกในแนวตั้งอยู่ที่เพียง 45 นาโนเมตร โดยมีช่วงการถ่ายภาพที่เหมาะสมที่สุดที่เล็กลงในระหว่างการถ่ายภาพด้วยแสง ถ้าเวเฟอร์ไม่เรียบ มีความหนาไม่เท่ากัน หรือมีพื้นผิวเป็นคลื่น จะทำให้เกิดปัญหาระหว่างการถ่ายภาพหินที่จุดสูงสุดและจุดต่ำสุด

Photolithography ไม่ใช่กระบวนการเดียวที่ต้องการความราบรื่นเวเฟอร์พื้นผิว. กระบวนการผลิตชิปอื่นๆ จำนวนมากยังต้องมีการขัดเงาเวเฟอร์ด้วย ตัวอย่างเช่น หลังจากการกัดแบบเปียก จำเป็นต้องมีการขัดเพื่อทำให้พื้นผิวที่ขรุขระเรียบขึ้นเพื่อการเคลือบและการทับถมในภายหลัง หลังจากการแยกร่องลึกตื้น (STI) แล้ว จำเป็นต้องขัดเพื่อทำให้ซิลิคอนไดออกไซด์ส่วนเกินเรียบขึ้น และทำการเติมร่องลึกให้สมบูรณ์ หลังจากการทับถมของโลหะ จำเป็นต้องขัดเงาเพื่อขจัดชั้นโลหะส่วนเกินและป้องกันการลัดวงจรของอุปกรณ์

ดังนั้น การกำเนิดของชิปจึงต้องอาศัยขั้นตอนการขัดเงาหลายขั้นตอนเพื่อลดความหยาบและความแปรผันของพื้นผิวของเวเฟอร์ และเพื่อขจัดวัสดุส่วนเกินออกจากพื้นผิว นอกจากนี้ ข้อบกพร่องที่พื้นผิวที่เกิดจากปัญหากระบวนการต่างๆ บนเวเฟอร์มักจะปรากฏให้เห็นหลังจากการขัดแต่ละขั้นตอนการขัดเท่านั้น ดังนั้นวิศวกรที่รับผิดชอบในการขัดเงาจึงมีความรับผิดชอบที่สำคัญ พวกเขาคือบุคคลสำคัญในกระบวนการผลิตชิปและมักจะถูกตำหนิในการประชุมการผลิต พวกเขาจะต้องมีความเชี่ยวชาญทั้งในการกัดแบบเปียกและผลลัพธ์ทางกายภาพ ซึ่งเป็นเทคนิคการขัดเงาหลักในการผลิตชิป

วิธีการขัดเวเฟอร์มีอะไรบ้าง?

กระบวนการขัดเงาสามารถแบ่งได้เป็นสามประเภทหลักตามหลักการทำงานร่วมกันระหว่างน้ำยาขัดเงาและพื้นผิวแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน:

1. วิธีการขัดแบบกลไก:
การขัดแบบกลไกช่วยขจัดส่วนที่ยื่นออกมาของพื้นผิวที่ขัดเงาออกโดยการตัดและการเสียรูปพลาสติกเพื่อให้ได้พื้นผิวที่เรียบ เครื่องมือทั่วไป ได้แก่ หินน้ำมัน ล้อขนสัตว์ และกระดาษทราย ซึ่งใช้งานด้วยมือเป็นหลัก ชิ้นส่วนพิเศษ เช่น พื้นผิวของตัวที่หมุน สามารถใช้แท่นหมุนและเครื่องมือเสริมอื่นๆ ได้ สำหรับพื้นผิวที่ต้องการคุณภาพสูง สามารถใช้วิธีการขัดเงาแบบละเอียดพิเศษได้ การขัดแบบละเอียดพิเศษใช้เครื่องมือขัดที่ทำขึ้นเป็นพิเศษ ซึ่งในน้ำยาขัดเงาที่มีสารขัดถูจะถูกกดให้แน่นกับพื้นผิวของชิ้นงานแล้วหมุนด้วยความเร็วสูง เทคนิคนี้ทำให้ได้ความหยาบผิว Ra0.008μm ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาวิธีการขัดทั้งหมด วิธีนี้มักใช้กับแม่พิมพ์เลนส์ออพติคอล

2. วิธีการขัดด้วยสารเคมี:
การขัดเงาด้วยสารเคมีเกี่ยวข้องกับการละลายของส่วนที่ยื่นออกมาขนาดเล็กบนพื้นผิววัสดุในตัวกลางทางเคมี ส่งผลให้พื้นผิวเรียบ ข้อดีหลักของวิธีนี้คือไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อน ความสามารถในการขัดชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน และความสามารถในการขัดชิ้นงานหลายชิ้นพร้อมกันอย่างมีประสิทธิภาพสูง ปัญหาหลักของการขัดเงาด้วยสารเคมีคือการกำหนดสูตรของน้ำยาขัดเงา ความหยาบของพื้นผิวที่ได้จากการขัดด้วยสารเคมีโดยทั่วไปจะมีขนาดหลายสิบไมโครเมตร

3. วิธีการขัดเงาด้วยสารเคมี (CMP):
วิธีการขัดสองวิธีแรกแต่ละวิธีมีข้อดีเฉพาะตัว การรวมทั้งสองวิธีนี้เข้าด้วยกันสามารถบรรลุผลเสริมในกระบวนการได้ การขัดเงาเชิงกลด้วยสารเคมีผสมผสานแรงเสียดทานทางกลและกระบวนการกัดกร่อนของสารเคมี ในระหว่าง CMP สารเคมีในของเหลวขัดเงาจะออกซิไดซ์วัสดุซับสเตรตขัดเงา ทำให้เกิดชั้นออกไซด์อ่อน จากนั้นชั้นออกไซด์นี้จะถูกกำจัดออกโดยการเสียดสีทางกล ทำซ้ำกระบวนการออกซิเดชั่นและการกำจัดเชิงกลเพื่อให้ได้การขัดเงาที่มีประสิทธิภาพ

ความท้าทายและปัญหาปัจจุบันในการขัดเงาเชิงกลด้วยเคมี (CMP):

CMP เผชิญกับความท้าทายและประเด็นหลายประการในด้านเทคโนโลยี เศรษฐศาสตร์ และความยั่งยืนด้านสิ่งแวดล้อม:

1) ความสม่ำเสมอของกระบวนการ: การบรรลุความสม่ำเสมอในระดับสูงในกระบวนการ CMP ยังคงเป็นเรื่องที่ท้าทาย แม้จะอยู่ในสายการผลิตเดียวกัน ความแปรผันเล็กน้อยของพารามิเตอร์กระบวนการระหว่างชุดหรืออุปกรณ์ที่แตกต่างกันอาจส่งผลต่อความสอดคล้องของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้

2) ความสามารถในการปรับตัวกับวัสดุใหม่: ในขณะที่วัสดุใหม่ยังคงเกิดขึ้น เทคโนโลยี CMP จะต้องปรับให้เข้ากับคุณลักษณะของวัสดุเหล่านั้น วัสดุขั้นสูงบางชนิดอาจไม่เข้ากันกับกระบวนการ CMP แบบดั้งเดิม ซึ่งจำเป็นต้องมีการพัฒนาของเหลวขัดเงาและสารกัดกร่อนที่ปรับเปลี่ยนได้มากขึ้น

3) ผลกระทบต่อขนาด: เนื่องจากขนาดอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ลดลงอย่างต่อเนื่อง ปัญหาที่เกิดจากผลกระทบด้านขนาดจึงมีความสำคัญมากขึ้น ขนาดที่เล็กกว่านั้นต้องการความเรียบของพื้นผิวที่สูงขึ้น ส่งผลให้กระบวนการ CMP แม่นยำยิ่งขึ้น

4) การควบคุมอัตราการกำจัดวัสดุ: ในบางการใช้งาน การควบคุมอัตราการกำจัดวัสดุอย่างแม่นยำสำหรับวัสดุที่แตกต่างกันเป็นสิ่งสำคัญ การรับรองอัตราการกำจัดที่สม่ำเสมอในเลเยอร์ต่างๆ ในระหว่าง CMP ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการผลิตอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง

5) ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: ของเหลวขัดเงาและสารกัดกร่อนที่ใช้ใน CMP อาจมีส่วนประกอบที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม การวิจัยและพัฒนากระบวนการและวัสดุ CMP ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืนมากขึ้นถือเป็นความท้าทายที่สำคัญ

6) ความฉลาดและระบบอัตโนมัติ: แม้ว่าระดับสติปัญญาและระบบอัตโนมัติของระบบ CMP จะค่อยๆ ดีขึ้น แต่ยังคงต้องรับมือกับสภาพแวดล้อมการผลิตที่ซับซ้อนและแปรผัน การบรรลุระบบอัตโนมัติในระดับที่สูงขึ้นและการตรวจสอบอัจฉริยะเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตถือเป็นความท้าทายที่ต้องแก้ไข

7) การควบคุมต้นทุน: CMP เกี่ยวข้องกับต้นทุนอุปกรณ์และวัสดุที่สูง ผู้ผลิตจำเป็นต้องปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการในขณะเดียวกันก็พยายามลดต้นทุนการผลิตเพื่อรักษาความสามารถในการแข่งขันในตลาด