1. บทนำสู่เทคโนโลยีการขัดผิว

เพื่อให้ได้ผิวสำเร็จคุณภาพสูง กระบวนการขัดจะกำจัดวัสดุออกจากพื้นผิวชิ้นงานผ่านผลกระทบร่วมกันของการกระทำทางกลและปฏิกิริยาเคมี กระบวนการเหล่านี้มักใช้ อนุภาคขัดละเอียด ร่วมกับเครื่องมือขัดที่อ่อนนุ่ม (เช่น พิช, โพลียูรีเทน และผ้า), สารละลายเคมี, สนามไฟฟ้า/แม่เหล็ก หรือลำแสงอนุภาคเป็นวิธีการเสริม

ตามกลไกการกำจัดวัสดุที่แตกต่างกัน เทคโนโลยีการขัดสามารถแบ่งออกเป็นหลักๆ ได้ดังนี้:

• การขัดเชิงกล
• การขัดด้วยสารเคมี/ไฟฟ้าเคมี
• การขัดด้วยสารเคมีและกลไก (CMP)
• เทคโนโลยีการขัดขั้นสูงอื่นๆ

(1) การขัดเชิงกล

การขัดเชิงกลจะกำจัดวัสดุปริมาณเล็กน้อยออกจากพื้นผิวชิ้นงานผ่านการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคขัดและแผ่นขัด ทำให้เกิดพื้นผิวที่เรียบ ขณะนี้เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการขัดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับส่วนประกอบทางแสง

กระบวนการขัดเชิงกลแบบดั้งเดิมแสดงไว้ในรูปด้านล่าง

ในระหว่างการขัดเชิงกล อนุภาคขัดจะถูกกดลงบนพื้นผิวชิ้นงานภายใต้แรงกดปกติที่เกิดจากความขรุขระของแผ่นขัด เมื่อแผ่นขัดเคลื่อนที่สัมพันธ์กับชิ้นงาน อนุภาคขัดจะปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวผ่านการเสียดสี การไถ และการตัด ซึ่งเป็นการกำจัดวัสดุออกจากชิ้นงาน

พฤติกรรมการเสียรูปของวัสดุพื้นผิวที่เกิดจากอนุภาคขัด โดยทั่วไปสามารถแบ่งออกเป็นสามระยะ:

• การเสียรูปยืดหยุ่น
• การเสียรูปพลาสติก
• การเสียรูปเปราะ

เนื่องจากการขัดเชิงกลมักใช้อนุภาคขัดขนาดเล็กและเครื่องมือขัดที่ค่อนข้างอ่อนนุ่ม วัสดุพื้นผิวโดยทั่วไปจะเกิดการเสียรูปยืดหยุ่นหรือพลาสติกในระหว่างกระบวนการขัด

จากมุมมองระดับจุลภาค แบบจำลองการปฏิสัมพันธ์เชิงกลระหว่างอนุภาคขัดและพื้นผิวชิ้นงานได้รับการสร้างขึ้น ดังแสดงในรูป (a)

ในแบบจำลองนี้ อนุภาคขัดจะถูกสมมติว่าเป็นทรงกลมและถูกกดลงบนพื้นผิวชิ้นงานภายใต้แรงกดที่ใช้โดยความขรุขระของแผ่นขัด

ในระหว่างการขัดเชิงกล การกำจัดวัสดุจะเกิดขึ้นหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับความลึกของการกดของอนุภาคขัดเป็นหลัก

มีความลึกของการกดวิกฤตที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านจากการเสียรูปยืดหยุ่นไปสู่การเสียรูปพลาสติก:

• เมื่อความลึกของการกดน้อยกว่าค่าวิกฤต วัสดุพื้นผิวจะเกิดการเสียรูปยืดหยุ่นเท่านั้น และไม่มีการกำจัดวัสดุเกิดขึ้น
• เมื่อความลึกของการกดเกินค่าวิกฤต จะเกิดการเสียรูปพลาสติก ส่งผลให้มีการกำจัดวัสดุอย่างมีประสิทธิภาพ

ความลึกของการกดอนุภาคที่แตกต่างกันนำไปสู่กลไกการกำจัดวัสดุที่แตกต่างกัน ซึ่งกำหนดสถานะการสึกหรอสุดท้ายของพื้นผิวที่ผ่านการแปรรูป

ดังแสดงในรูป (b):

เมื่อความลึกของการกดถึงระดับอะตอม (ประมาณ 5 Å), พื้นผิวชิ้นงานจะเกิดการเสียรูปยืดหยุ่นเท่านั้น จะไม่มีการกำจัดอะตอม และไม่เกิดความเสียหายต่อพื้นผิว

เมื่อความลึกของการกดเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 10–15 Å, กลไกการกำจัดหลักจะกลายเป็น การกำจัดแบบไถ ภายใต้ผลของการกดของอนุภาคขัด อะตอมพื้นผิวจะสะสมและก่อตัวเป็นกลุ่มอะตอม ซึ่งจะค่อยๆ ถูกกำจัดออกไปเมื่ออนุภาคขัดเคลื่อนที่

จำนวนอะตอมที่ถูกกำจัดจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับความลึกของการกด

เมื่อความลึกของการกดเพิ่มขึ้นอีกเป็นประมาณ 20 Å, กลไกการกำจัดจะเปลี่ยนเป็น การกำจัดแบบตัด.

ในขั้นตอนนี้ อะตอมพื้นผิวจำนวนมากจะถูกตัดโดยตรงโดยอนุภาคขัด ก่อตัวเป็นเศษที่ถูกกำจัดออกไปพร้อมกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคขัด

ในระหว่างกระบวนการนี้ อนุภาคขัดไม่เพียงแต่ผลักและสะสมอะตอมพื้นผิวเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดส่วนที่ยื่นออกมาอย่างรุนแรงรอบๆ รอยขีดข่วน ส่งผลให้ความขรุขระของพื้นผิวเพิ่มขึ้น

ทฤษฎีการขัดเชิงกลแบบดั้งเดิมชี้ให้เห็นว่าไม่มีการกำจัดวัสดุเกิดขึ้นในระยะการเสียรูปยืดหยุ่น แต่การกำจัดวัสดุจะเริ่มขึ้นเมื่ออนุภาคขัดก่อให้เกิดการเสียรูปพลาสติกผ่านการตัดเท่านั้น

ดังนั้น การขัดเชิงกลจึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะก่อให้เกิดความเสียหายต่อพื้นผิวและใต้พื้นผิวในระดับหนึ่ง

ในกระบวนการขัดเชิงกล ความเสียหายต่อพื้นผิว/ใต้พื้นผิวของส่วนประกอบทางแสงได้รับอิทธิพลอย่างมากจากพารามิเตอร์กระบวนการ ซึ่งรวมถึง:

• แรงกดในการขัด
• คุณสมบัติเชิงกลของเครื่องมือขัด
• ขนาดอนุภาคขัด
• รูปร่างอนุภาคขัด

รูป (a) แสดงพื้นผิวกระจก BK7 หลังการขัดเชิงกล

กระบวนการขัดใช้ อนุภาคขัด Al₂O₃ ขนาด 10 μm และเครื่องมือขัดพิช สามารถสังเกตเห็นข้อบกพร่องของรอยขีดข่วนที่เกิดจากการเสียดสีเชิงกลได้อย่างชัดเจนบนพื้นผิว

รูป (b) แสดงความเสียหายต่อพื้นผิวและใต้พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ CdZnTe หลังจากการขัดเชิงกล 30 นาที สังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

กระบวนการขัดใช้ อนุภาคขัด Al₂O₃ ขนาด 2–5 μm กับเครื่องมือขัดแผ่นอลูมิเนียม

สังเกตเห็นรอยขีดข่วนระดับไมครอนและระดับซับไมครอนบนพื้นผิว ชั้นความเสียหายใต้พื้นผิวมีความหนาน้อยกว่า 1 μm และประกอบด้วยชั้นโพลีคริสตัลไลน์เป็นหลัก ซึ่งบ่งชี้ถึงความเสียหายจากการเสียรูปพลาสติก

(2) การขัดด้วยสารเคมีและการขัดด้วยไฟฟ้าเคมี

การขัดด้วยสารเคมีและการขัดด้วยไฟฟ้าเคมีใช้ปฏิกิริยาเคมีหรือไฟฟ้าเคมีเพื่อละลายวัสดุออกจากพื้นผิวชิ้นงาน

ในระหว่างกระบวนการ ส่วนที่ยื่นออกมาเล็กน้อยบนพื้นผิวจะละลายเร็วกว่าบริเวณที่เว้า ส่งผลให้พื้นผิวเรียบขึ้น

องค์ประกอบพื้นฐานของสารละลายขัดด้วยสารเคมี/ไฟฟ้าเคมีโดยทั่วไปประกอบด้วย:

• สารกัดกร่อน
• สารยับยั้ง
• น้ำ

หน้าที่ของแต่ละส่วนประกอบมีดังนี้:

• สารกัดกร่อน: ละลายวัสดุพื้นผิวผ่านปฏิกิริยาเคมี
• สารยับยั้ง: ยับยั้งการกัดกร่อนที่มากเกินไปและปรับปรุงการควบคุมกระบวนการ
• น้ำ: ทำหน้าที่เป็นสารเจือจางและช่วยในการแพร่ของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา

สำหรับวัสดุชิ้นงานที่แตกต่างกัน ต้องเลือกชุดสารละลายขัดที่เหมาะสมตามคุณสมบัติทางเคมีของวัสดุนั้นๆ

เนื่องจากวัสดุทางแสงโดยทั่วไปมีความเสถียรทางเคมีที่ดี จึงมักต้องใช้กรดแก่ ด่างแก่ หรือสารออกซิไดซ์แก่เป็นสารกัดกร่อนในระหว่างการขัดด้วยสารเคมี

ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบทางแสงที่ประกอบด้วย SiO₂ เป็นหลัก เช่น กระจก K9 และควอตซ์หลอมเหลว มักใช้กรดไฮโดรฟลูออริก (HF) เป็นสารกัดกร่อน

ปฏิกิริยาเคมีคือ:

$$Si{O}_2+6HF\to H_{2}Si{F}_6+2H_{2}O$$

การขัดด้วยสารเคมีมีขั้นตอนกระบวนการที่เรียบง่ายและดำเนินการได้ค่อนข้างง่าย

อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อจำกัดหลายประการ:

• ความแม่นยำในการประมวลผลต่ำ
• การควบคุมที่แย่
• ความสามารถในการทำซ้ำที่จำกัด
• ปัญหามลพิษต่อสิ่งแวดล้อม

ดังนั้น จึงเป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการของการผลิตส่วนประกอบทางแสงที่มีความแม่นยำสูง

การขัดด้วยไฟฟ้าเคมีมีการใช้งานอย่างแพร่หลายใน:

• การตกแต่งโลหะ
• การเตรียมตัวอย่างโลหะวิทยา
• การปรับสภาพพื้นผิวที่แม่นยำ

การขัดด้วยไฟฟ้าเคมีใช้การละลายของโลหะแบบแอโนดสำหรับการปรับสภาพพื้นผิว

ถือเป็นวิธีการตัดเฉือนแบบไม่สัมผัส ปราศจากความเค้น ซึ่งมีข้อดี ได้แก่:

• ประสิทธิภาพการกำจัดวัสดุสูง
• ไม่มีความเสียหายเชิงกล
• ไม่มีชั้นงานแข็งตัว
• ไม่มีการสร้างความเค้นตกค้าง

อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องใช้วัสดุที่ผ่านการแปรรูปซึ่งมีความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ดี ทำให้ไม่เหมาะสำหรับวัสดุทางแสงส่วนใหญ่

การขัดด้วยสารเคมีและไฟฟ้าเคมีกำจัดวัสดุผ่านกลไกการละลาย

เนื่องจากกระบวนการกำจัดไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเชิงกล เช่น ความแข็ง ความเหนียว และความแข็งแรง วิธีการเหล่านี้สามารถลดความขรุขระของพื้นผิวได้อย่างรวดเร็วและให้คุณภาพการขัดที่ยอดเยี่ยม

ในขณะเดียวกัน เนื่องจากไม่มีการเสียดสีเชิงกลหรือการตัด อุปกรณ์ที่จำเป็นจึงโดยทั่วไปง่ายกว่าและมีราคาถูกกว่าเมื่อเทียบกับระบบการขัดเชิงกล

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการขัดด้วยสารเคมี/ไฟฟ้าเคมียังมีข้อจำกัดหลายประการ:

1) ต้นทุนการพัฒนาสูง

เนื่องจากความแตกต่างของคุณสมบัติทางเคมีระหว่างวัสดุ จึงต้องพัฒนาสารละลายขัดเฉพาะสำหรับวัสดุที่แตกต่างกัน ซึ่งต้องมีการปรับปรุงพารามิเตอร์กระบวนการจากการทดลองอย่างกว้างขวาง

2) การควบคุมอัตราปฏิกิริยาเคมีที่ยากลำบาก

อัตราปฏิกิริยาควบคุมได้ยาก ทำให้การรักษาความแม่นยำของมิติและความแม่นยำทางเรขาคณิตเป็นเรื่องท้าทาย

3) การพึ่งพาความสม่ำเสมอของวัสดุสูง

คุณภาพพื้นผิวที่ได้จะได้รับผลกระทบอย่างมากจากโครงสร้างภายในและความบริสุทธิ์ของชิ้นงาน

สิ่งเจือปนและข้อบกพร่องทางโครงสร้างภายในวัสดุอาจลดคุณภาพพื้นผิวสุดท้ายลงอย่างมาก

(3) เทคโนโลยีการขัดด้วยสารเคมีและกลไก (CMP)

การขัดด้วยสารเคมีและกลไก (CMP) เป็นเทคโนโลยีการปรับพื้นผิวที่รวมเอา ปฏิกิริยาเคมีและการเสียดสีเชิงกล เข้าไว้ด้วยกัน มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การแปรรูปส่วนประกอบทางแสง และการผลิตวัสดุขั้นสูง

การพัฒนาเทคโนโลยี CMP มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ ในช่วงแรก การขัดส่วนใหญ่พึ่งพาวิธีการเจียรเชิงกลล้วนๆ เช่น การตกแต่งพื้นผิวแก้วและโลหะ อย่างไรก็ตาม วิธีการแบบดั้งเดิมเหล่านี้ไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับความแม่นยำสูงและการปรับพื้นผิวระดับนาโนได้

ในช่วงทศวรรษที่ 1950 นักวิจัยค้นพบว่าสารเคมี เช่น กรดและสารละลายอัลคาไลน์ สามารถช่วยในการกำจัดวัสดุและลดความเสียหายเชิงกลได้ การค้นพบนี้เป็นรากฐานสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยี CMP

ในปี 1965 IBM ได้นำเทคโนโลยี CMP มาใช้กับการขัดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเป็นครั้งแรก ด้วยการพัฒนาวงจรรวม (IC) อย่างรวดเร็ว กระบวนการกัดแห้งแบบดั้งเดิมและวิธีการขัดเชิงกลล้วนๆ ไม่สามารถกำจัดความแปรปรวนของลักษณะพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้ CMP ค่อยๆ กลายเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญ

อย่างไรก็ตาม กระบวนการ CMP ในยุคแรกยังคงเผชิญกับความท้าทายหลายประการ ซึ่งรวมถึง:

• ความเสถียรของสารละลายขัดที่แย่
• ความแม่นยำของอุปกรณ์ไม่เพียงพอ
• ความยากลำบากในการควบคุมอัตราการกำจัดวัสดุ

ในปี 1997 IBM ประสบความสำเร็จในการนำ CMP มาใช้ในกระบวนการขัดทองแดงเชื่อมต่อ

การขัดทองแดง CMP ต้องการการควบคุมที่แม่นยำของสมดุลระหว่างการละลายทางเคมีและการเสียดสีเชิงกล เพื่อยับยั้งการเกิดออกซิเดชันของทองแดงที่มากเกินไปและให้การกำจัดวัสดุที่สม่ำเสมอ

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์อย่างต่อเนื่อง CMP ได้กลายเป็นโซลูชันการปรับพื้นผิวที่ใช้งานได้เพียงวิธีเดียวเมื่อกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์เข้าสู่โหนดเทคโนโลยีต่ำกว่า 0.25 μm

นอกจากนี้ การนำวัสดุไดอิเล็กทริก low-k มาใช้ จำเป็นต้องมีกระบวนการ CMP ที่อ่อนโยนยิ่งขึ้น เพื่อลดความเสียหายเชิงกลให้น้อยที่สุดและรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

กลไกการประมวลผล CMP

CMP ใช้ อนุภาคขัดที่ค่อนข้างอ่อนนุ่ม เพื่อให้ได้ผิวสำเร็จคุณภาพสูง

ในระหว่างกระบวนการ CMP ชิ้นงานจะถูกกดเข้ากับแผ่นขัดภายใต้แรงกดที่ควบคุม และเคลื่อนที่สัมพันธ์กับแผ่นขัด

ผ่านการปฏิสัมพันธ์ร่วมกันระหว่างอนุภาคขัดระดับนาโนและส่วนประกอบทางเคมีในสารละลายขัด พื้นผิวชิ้นงานจะค่อยๆ เรียบขึ้น ดังแสดงในรูปด้านล่าง

ระบบ CMP โดยทั่วไปประกอบด้วยตัวยึดหมุนและแท่นขัด

ผ่านการหมุนที่ประสานกัน จะเกิดเส้นทางการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ที่ซับซ้อนระหว่างแผ่นเวเฟอร์และแผ่นขัด

สารละลายที่ป้อนอย่างต่อเนื่องโดยปั๊มแบบลูกสูบ ประกอบด้วยส่วนประกอบที่ใช้งานสองส่วน:

• อนุภาคขัด: ให้การกระทำขัดเชิงกล
• สารออกซิไดซ์: ก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีบนพื้นผิววัสดุ

กลไกการกำจัดวัสดุ CMP ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับสองขั้นตอนต่อเนื่อง:

ขั้นตอนที่ 1: การออกซิเดชันพื้นผิวและการปรับเปลี่ยนทางเคมี

สารออกซิไดซ์ทำปฏิกิริยากับพื้นผิวชิ้นงานและสร้างชั้นพื้นผิวที่ถูกปรับเปลี่ยนทางเคมีหรืออ่อนตัวลง

ขั้นตอนที่ 2: การกำจัดชั้นที่ทำปฏิกิริยาด้วยกลไก

อนุภาคขัดจะกำจัดชั้นปฏิกิริยาที่อ่อนตัวลงนี้ผ่านการปฏิสัมพันธ์เชิงกล

กระบวนการแบบวงจรนี้จะสร้างพื้นผิวที่เรียบเป็นพิเศษด้วยความขรุขระที่ต่ำมากในที่สุด

ควรสังเกตว่าสมดุลระหว่างผลกระทบทางเคมีและเชิงกลใน CMP มีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณภาพการประมวลผลสุดท้าย

เมื่อการกระทำเชิงกลมีอิทธิพลเหนือกว่า:

• อาจเกิดรอยขีดข่วนบนพื้นผิว
• ความเข้มข้นของความเค้นตกค้างอาจเพิ่มขึ้น
• อาจเกิดความเสียหายใต้พื้นผิว

เมื่อการกระทำทางเคมีมากเกินไป:

• อาจเกิดข้อบกพร่องจากการกัดกร่อนบนพื้นผิว
• อาจเกิดการกัดเฉพาะที่
• ลักษณะพื้นผิวอาจแย่ลง

ดังนั้น การปรับปรุงปฏิสัมพันธ์ร่วมกันระหว่างปฏิกิริยาเคมีและการเสียดสีเชิงกลจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพ CMP

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นของการขัดเชิงกลและอัตราปฏิกิริยาเคมีมีความสัมพันธ์เชิงบวก

ผลกระทบร่วมนี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการกำจัดวัสดุ

ดังนั้น การควบคุมส่วนประกอบของสารละลายขัดอย่างแม่นยำจึงกลายเป็นหนึ่งในความท้าทายทางเทคโนโลยีที่สำคัญในการพัฒนาของกระบวนการ CMP ขั้นสูง

เพื่อให้ได้พื้นผิวขัดคุณภาพสูง ผลกระทบทางเคมีและเชิงกลระหว่าง CMP จะต้องถึงสมดุลที่เหมาะสม

หากการกระทำทางเคมีมีอิทธิพลเหนือกว่าการกระทำเชิงกล:

• อาจเกิดหลุมกัดกร่อน
• รูปแบบพื้นผิวคล้ายเปลือกส้ม
• ลักษณะพื้นผิวไม่สม่ำเสมอ

อาจเกิดขึ้น

ในทางตรงกันข้าม หากการกระทำเชิงกลมีอิทธิพลเหนือกว่า:

• อาจเกิดรอยขีดข่วน
• รอยแตก
• ชั้นความเสียหายใต้พื้นผิว

มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้น

2. ปัจจัยที่มีผลต่อการขัดด้วยสารเคมีและกลไก

ในระหว่างกระบวนการ CMP พารามิเตอร์กระบวนการมีอิทธิพลอย่างมากต่อ:

• อัตราการกำจัดวัสดุ (MRR)
• ความขรุขระของพื้นผิว
• ความสมบูรณ์ของพื้นผิว
• ความสม่ำเสมอของการประมวลผล

ตามสมการเพรสตัน:

$$MRR=K\times P\times V$$

โดยที่:

• MRR หมายถึงอัตราการกำจัดวัสดุ
• K คือสัมประสิทธิ์เพรสตันที่เกี่ยวข้องกับสภาวะการขัด
• P หมายถึงแรงกดในการขัด
• V หมายถึงความเร็วในการขัดสัมพัทธ์

แรงกดในการขัดและความเร็วรอบร่วมกันกำหนดประสิทธิภาพการกำจัดวัสดุ

(1) ผลของแรงกดในการขัด

แรงกดในการขัดกำหนดความเค้นสัมผัสระหว่างแผ่นขัดและพื้นผิวแผ่นเวเฟอร์โดยตรง

การเพิ่มแรงกดโดยทั่วไปจะปรับปรุงการสัมผัสระหว่างอนุภาคขัดและแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งจะเพิ่ม MRR

อย่างไรก็ตาม แรงกดที่มากเกินไปอาจส่งผลให้เกิด:

• รอยขีดข่วนระดับจุลภาคบนพื้นผิว
• การเสียรูปของแผ่นเวเฟอร์
• การขัดมากเกินไปเฉพาะที่
• ข้อบกพร่องแบบเว้า (Dishing)

ดังนั้น จึงต้องเลือกช่วงแรงกดที่เหมาะสมเพื่อสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและคุณภาพพื้นผิว

(2) ผลของความเร็วรอบ

ความเร็วรอบสัมพัทธ์ระหว่างแผ่นขัดและแผ่นเวเฟอร์มีผลต่อพฤติกรรมอุทกพลศาสตร์และการกระจายตัวของสารละลายขัด

ความแตกต่างของความเร็วที่มากอาจทำให้เกิดการกำจัดขอบมากเกินไป ซึ่งนำไปสู่ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ขอบม้วน (edge roll-off).

การเพิ่มความเร็วรอบจะเพิ่มแรงเฉือนเชิงกล ซึ่งอาจปรับปรุงประสิทธิภาพการกำจัดวัสดุ

อย่างไรก็ตาม ความเร็วที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเฉพาะที่ (โดยทั่วไปเกิน 10°C) ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมทางเคมีของสารละลายและส่งผลต่อความเสถียรของการขัด

(3) ผลของอัตราการไหลของสารละลาย

อัตราการไหลของสารละลายมีผลต่อทั้ง:

• ปฏิกิริยาเคมีระหว่างสารละลายและพื้นผิวแผ่นเวเฟอร์
• การกำจัดชั้นปฏิกิริยาที่เกิดออกซิเดชันด้วยกลไก

นอกจากนี้ ผ่านการพาความร้อน สารละลายจะทำหน้าที่เป็นสารหล่อเย็นและช่วยกระจายความร้อนที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างแผ่นขัดและแผ่นเวเฟอร์

ดังนั้น การปรับอัตราการไหลของสารละลายให้เหมาะสมจึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการขัดและคุณภาพพื้นผิว

การปรับพารามิเตอร์กระบวนการที่เหมาะสม ซึ่งรวมถึง:

• แรงกด
• ความเร็วรอบ
• อัตราการไหลของสารละลาย

เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้กระบวนการ CMP ประสิทธิภาพสูง

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าภายในช่วงแรงกดที่เหมาะสม MRR จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับแรงกดที่ใช้โดยประมาณ

ที่แรงกดต่ำและอัตราการไหลของสารละลายต่ำ:

• อาจเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันไม่เพียงพอ
• ประสิทธิภาพการกำจัดวัสดุจะลดลง

การเพิ่มแรงกดหรืออัตราการไหลของสารละลายสามารถ:

• ลดอุณหภูมิของแผ่นขัด
• ปรับปรุงความสามารถในการออกซิเดชัน
• เพิ่มประสิทธิภาพการกำจัดเชิงกล

ผลที่ตามมาคือ MRR จะเพิ่มขึ้น

อย่างไรก็ตาม แรงกดหรืออัตราการไหลของสารละลายที่มากเกินไปอาจทำให้การเสียดสีเชิงกลมีอิทธิพลเหนือกว่า

แม้ว่า MRR อาจยังคงเพิ่มขึ้น แต่ความขรุขระของพื้นผิวก็อาจเพิ่มขึ้นและเกิดข้อบกพร่องของรอยขีดข่วนได้

ดังนั้น การสร้างสมดุลแบบไดนามิกระหว่างปฏิกิริยาออกซิเดชันและการกำจัดเชิงกลจึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการขัดสูงสุด

(a) ส่วนประกอบของสารละลายขัด

แม้ว่า CMP จะต้องการการควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการอย่างแม่นยำ เช่น:

• แรงกดในการขัด
• ความเร็วรอบ
• อัตราการไหลของสารละลาย

แต่สารละลายขัดยังคงเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่มีผลต่อประสิทธิภาพ CMP

ส่วนประกอบหลักของสารละลาย CMP ประกอบด้วย:

• อนุภาคขัด
• สารออกซิไดซ์
• สารควบคุม pH

ส่วนประกอบเหล่านี้มีอิทธิพลอย่างมากต่อ:

• อัตราการกำจัดวัสดุ (MRR)
• ความขรุขระของพื้นผิว
• การเกิดข้อบกพร่องบนพื้นผิว

(b) สารออกซิไดซ์

สารออกซิไดซ์มีบทบาทสำคัญใน CMP โดยส่งเสริมปฏิกิริยาออกซิเดชันบนพื้นผิววัสดุ

ปฏิกิริยาเหล่านี้สร้างชั้นออกไซด์ที่ค่อนข้างอ่อนนุ่ม ซึ่งสามารถกำจัดออกได้ง่ายด้วยการเสียดสีเชิงกล

กระบวนการออกซิเดชันช่วยลดแรงเชิงกลที่จำเป็นสำหรับการกำจัดวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยลดความเสียหายต่อพื้นผิวให้น้อยที่สุด

(c) ค่า pH

ค่า pH ของสารละลายขัดมีผลโดยตรงต่อ:

• อัตราการขัด
• คุณภาพพื้นผิว
• กลไกการกำจัดวัสดุ

โดยการปรับความเป็นกรดหรือด่างของสารละลาย สามารถควบคุมอัตราปฏิกิริยาเคมีระหว่างสารละลายและพื้นผิววัสดุได้

ค่า pH ที่เหมาะสมช่วยให้เกิดสมดุลระหว่างการปรับเปลี่ยนทางเคมีและการกำจัดเชิงกล

(d) สารลดแรงตึงผิว

สารลดแรงตึงผิวทำหน้าที่เป็นสารทำให้เสถียรในสารละลาย CMP

หน้าที่หลักของพวกมันรวมถึง:

1. การรักษาความเสถียรของสารละลาย

สารลดแรงตึงผิวป้องกัน:

• การรวมตัวของอนุภาคขัด
• การแยกส่วนประกอบ
• การตกตะกอน

ซึ่งเป็นการรักษาความสม่ำเสมอของสารละลาย

2. การปรับปรุงพฤติกรรมการกระจายตัวของสารละลาย

สารลดแรงตึงผิวลดแรงตึงผิวของสารละลาย ทำให้กระจายตัวได้ดีขึ้นบนพื้นผิวแผ่นเวเฟอร์ที่ไม่ชอบน้ำ

สิ่งนี้ช่วยเพิ่มการสัมผัสระหว่าง:

• อนุภาคขัด
• ส่วนประกอบทางเคมี
• พื้นผิววัสดุ

ส่งผลให้ความสม่ำเสมอและประสิทธิภาพการขัดดีขึ้น

3. การลดความเสียหายต่อพื้นผิว

สารลดแรงตึงผิวสามารถควบคุมอัตราปฏิกิริยาพื้นผิวหรือสร้างชั้นป้องกันบนพื้นผิว

สิ่งนี้ช่วยสร้างสมดุลระหว่างการเสียดสีเชิงกลและการกัดกร่อนทางเคมี ปรับปรุง:

• ประสิทธิภาพการกำจัดวัสดุ
• ความเรียบของพื้นผิว
• ความต้านทานความเสียหายใต้พื้นผิว