1. Pendahuluan Teknologi Pemolesan Permukaan

Untuk mencapai hasil akhir permukaan berkualitas tinggi, proses pemolesan menghilangkan material dari permukaan benda kerja melalui efek gabungan aksi mekanis dan reaksi kimia. Proses ini biasanya memanfaatkan partikel abrasif halus bersama dengan alat pemoles lunak (seperti pitch, poliuretan, dan kain), larutan kimia, medan listrik/magnetik, atau berkas partikel sebagai metode bantu.

Menurut mekanisme penghilangan material yang berbeda, teknologi pemolesan dapat diklasifikasikan menjadi:

• Pemolesan mekanis
• Pemolesan kimia/elektrokimia
• Pemolesan kimia mekanis (CMP)
• Teknologi pemolesan canggih lainnya

(1) Pemolesan Mekanis

Pemolesan mekanis menghilangkan sejumlah kecil material dari permukaan benda kerja melalui interaksi antara partikel abrasif dan bantalan pemoles, menghasilkan permukaan yang halus. Saat ini merupakan salah satu teknologi pemolesan yang paling banyak digunakan untuk komponen optik.

Proses pemolesan mekanis konvensional diilustrasikan pada gambar di bawah ini.

Selama pemolesan mekanis, partikel abrasif ditekan ke permukaan benda kerja di bawah tekanan normal yang dihasilkan oleh kekasaran bantalan pemoles. Saat bantalan pemoles bergerak relatif terhadap benda kerja, partikel abrasif berinteraksi dengan permukaan melalui gesekan, penggarukan, dan aksi pemotongan, sehingga menghilangkan material dari benda kerja.

Perilaku deformasi material permukaan yang disebabkan oleh partikel abrasif umumnya dapat dibagi menjadi tiga tahap:

• Deformasi elastis
• Deformasi plastis
• Deformasi getas

Karena pemolesan mekanis biasanya menggunakan partikel abrasif kecil dan alat pemoles yang relatif lunak, material permukaan umumnya mengalami deformasi elastis atau plastis selama proses pemolesan.

Dari perspektif mikroskopis, model interaksi mekanis antara partikel abrasif dan permukaan benda kerja telah ditetapkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar (a).

Dalam model ini, partikel abrasif diasumsikan berbentuk bola dan ditekan ke permukaan benda kerja di bawah tekanan yang diterapkan oleh kekasaran bantalan pemoles.

Selama pemolesan mekanis, apakah penghilangan material terjadi terutama bergantung pada kedalaman lekukan partikel abrasif.

Terdapat kedalaman lekukan kritis yang sesuai dengan transisi dari deformasi elastis ke deformasi plastis:

• Ketika kedalaman lekukan lebih kecil dari nilai kritis, material permukaan hanya mengalami deformasi elastis, dan tidak terjadi penghilangan material.
• Ketika kedalaman lekukan melebihi nilai kritis, deformasi plastis terjadi, yang menghasilkan penghilangan material yang efektif.

Kedalaman lekukan abrasif yang berbeda menghasilkan mekanisme penghilangan material yang berbeda, yang menentukan keadaan keausan akhir permukaan yang diproses.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar (b):

Ketika kedalaman lekukan mencapai skala atom (sekitar 5 Å), permukaan benda kerja hanya mengalami deformasi elastis. Tidak ada atom yang dihilangkan, dan tidak ada kerusakan permukaan yang dihasilkan.

Ketika kedalaman lekukan meningkat menjadi sekitar 10–15 Å, mekanisme penghilangan dominan menjadi penghilangan penggarukan. Di bawah efek ekstrusi partikel abrasif, atom permukaan menumpuk dan membentuk gugus atom, yang secara bertahap dihilangkan saat partikel abrasif bergerak.

Jumlah atom yang dihilangkan meningkat secara proporsional dengan kedalaman lekukan.

Ketika kedalaman lekukan lebih lanjut meningkat menjadi sekitar 20 Å, mekanisme penghilangan berubah menjadi penghilangan pemotongan.

Pada tahap ini, sejumlah besar atom permukaan dipotong langsung oleh partikel abrasif, membentuk serpihan yang dihilangkan bersama dengan gerakan abrasif.

Selama proses ini, partikel abrasif tidak hanya mendorong dan menumpuk atom permukaan tetapi juga menghasilkan tonjolan parah di sekitar goresan, yang mengakibatkan peningkatan kekasaran permukaan.

Teori pemolesan mekanis tradisional menunjukkan bahwa penghilangan material tidak terjadi selama tahap deformasi elastis. Sebaliknya, penghilangan material baru dimulai ketika partikel abrasif menginduksi deformasi plastis melalui aksi pemotongan.

Oleh karena itu, pemolesan mekanis pasti menimbulkan sejumlah kerusakan permukaan dan bawah permukaan.

Dalam proses pemolesan mekanis, kerusakan permukaan/bawah permukaan komponen optik sangat dipengaruhi oleh parameter proses, termasuk:

• Tekanan pemolesan
• Sifat mekanis alat pemoles
• Ukuran partikel abrasif
• Morfologi partikel abrasif

Gambar (a) menunjukkan permukaan kaca optik BK7 setelah pemolesan mekanis.

Proses pemolesan menggunakan partikel abrasif 10 μm Al₂O₃ dan alat pemoles pitch. Cacat goresan yang signifikan yang disebabkan oleh abrasi mekanis dapat diamati dengan jelas di permukaan.

Gambar (b) menunjukkan kerusakan permukaan dan bawah permukaan wafer CdZnTe setelah 30 menit pemolesan mekanis yang diamati dengan mikroskop elektron pemindai.

Proses pemolesan menggunakan partikel abrasif 2–5 μm Al₂O₃ dengan alat pemoles pelat aluminium.

Goresan skala mikron dan submikron diamati di permukaan. Ketebalan lapisan kerusakan bawah permukaan kurang dari 1 μm dan terutama terdiri dari lapisan polikristalin, yang menunjukkan kerusakan deformasi plastis.

(2) Pemolesan Kimia dan Pemolesan Elektrokimia

Pemolesan kimia dan pemolesan elektrokimia memanfaatkan reaksi kimia atau elektrokimia untuk melarutkan material dari permukaan benda kerja.

Selama proses, tonjolan mikroskopis pada permukaan larut secara preferensial dibandingkan dengan daerah cekung, menghasilkan permukaan yang lebih halus.

Komposisi dasar larutan pemoles kimia/elektrokimia umumnya meliputi:

• Etsa
• Inhibitor
• Air

Fungsi setiap komponen adalah sebagai berikut:

• Etsa: melarutkan material permukaan melalui reaksi kimia.
• Inhibitor: menekan korosi berlebihan dan meningkatkan kontrol proses.
• Air: bertindak sebagai pengencer dan memfasilitasi difusi produk reaksi.

Untuk material benda kerja yang berbeda, sistem larutan pemoles yang sesuai harus dipilih sesuai dengan sifat kimianya.

Karena material optik umumnya memiliki stabilitas kimia yang sangat baik, asam kuat, basa kuat, atau agen pengoksidasi kuat seringkali diperlukan sebagai etsa selama pemolesan kimia.

Misalnya, komponen optik yang terutama terdiri dari SiO₂, seperti kaca K9 dan silika lebur, umumnya menggunakan asam fluorida (HF) sebagai etsa.

Reaksi kimianya adalah:

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

Pemolesan kimia memiliki aliran proses yang sederhana dan implementasi yang relatif mudah.

Namun, ia juga memiliki beberapa keterbatasan:

• Akurasi pemrosesan rendah
• Kontrol buruk
• Pengulangan terbatas
• Masalah polusi lingkungan

Oleh karena itu, sulit untuk memenuhi persyaratan manufaktur komponen optik ultra-presisi.

Pemolesan elektrokimia banyak diterapkan dalam:

• Penyelesaian logam
• Persiapan sampel metalografi
• Perawatan permukaan presisi

Pemolesan elektrokimia memanfaatkan pelarutan anodik logam untuk pemrosesan permukaan.

Ini dianggap sebagai metode pemesinan non-kontak, bebas tegangan dengan keuntungan termasuk:

• Efisiensi penghilangan material tinggi
• Tidak ada kerusakan mekanis
• Tidak ada lapisan pengerasan kerja
• Tidak ada generasi tegangan sisa

Namun, ia memerlukan material yang diproses untuk memiliki konduktivitas listrik yang baik, membuatnya tidak cocok untuk sebagian besar material optik.

Pemolesan kimia dan elektrokimia menghilangkan material melalui mekanisme pelarutan.

Karena proses penghilangan tidak bergantung pada sifat mekanis seperti kekerasan, ketangguhan, dan kekuatan, metode ini dapat dengan cepat mengurangi kekasaran permukaan dan mencapai kualitas pemolesan yang sangat baik.

Sementara itu, karena tidak ada gesekan mekanis atau aksi pemotongan, peralatan yang dibutuhkan umumnya lebih sederhana dan lebih murah dibandingkan dengan sistem pemolesan mekanis.

Namun, teknologi pemolesan kimia/elektrokimia juga memiliki beberapa keterbatasan:

1) Biaya pengembangan tinggi

Karena perbedaan sifat kimia antar material, larutan pemoles khusus harus dikembangkan untuk material yang berbeda, yang memerlukan optimasi eksperimental parameter proses yang ekstensif.

2) Sulit mengontrol laju reaksi kimia

Laju reaksi sulit diatur secara tepat, sehingga sulit untuk mempertahankan akurasi dimensi dan presisi geometris.

3) Ketergantungan kuat pada keseragaman material

Kualitas permukaan yang diperoleh sangat dipengaruhi oleh struktur internal dan kemurnian benda kerja.

Kotoran dan cacat struktural di dalam material dapat secara signifikan mengurangi kualitas permukaan akhir.

(3) Teknologi Pemolesan Kimia Mekanis (CMP)

Pemolesan Kimia Mekanis (CMP) adalah teknologi planarisasi permukaan yang menggabungkan reaksi kimia dan abrasi mekanis. Ini telah banyak diterapkan dalam manufaktur semikonduktor, pemrosesan komponen optik, dan fabrikasi material canggih.

Pengembangan teknologi CMP sangat terkait dengan kemajuan teknologi semikonduktor. Pada tahap awal, pemolesan terutama mengandalkan metode penggilingan murni mekanis, seperti penyelesaian permukaan kaca dan logam. Namun, pendekatan konvensional ini tidak mampu memenuhi persyaratan yang semakin ketat untuk planarization permukaan presisi tinggi dan skala nano.

Pada tahun 1950-an, para peneliti menemukan bahwa reagen kimia, seperti asam dan larutan alkali, dapat membantu penghilangan material dan mengurangi kerusakan mekanis. Penemuan ini meletakkan dasar bagi pengembangan teknologi CMP.

Pada tahun 1965, IBM memperkenalkan teknologi CMP untuk pemolesan wafer silikon untuk pertama kalinya. Dengan pesatnya perkembangan sirkuit terpadu (IC), proses etsa kering tradisional dan metode pemolesan murni mekanis tidak dapat secara efektif menghilangkan variasi topografi permukaan. Akibatnya, CMP secara bertahap menjadi teknologi proses kritis.

Namun, proses CMP awal masih menghadapi beberapa tantangan, termasuk:

• Stabilitas slurry pemoles yang buruk
• Presisi peralatan yang tidak memadai
• Kesulitan mengontrol laju penghilangan material

Pada tahun 1997, IBM berhasil memperkenalkan CMP ke dalam proses pemolesan interkoneksi tembaga.

CMP tembaga memerlukan kontrol yang tepat terhadap keseimbangan antara pelarutan kimia dan abrasi mekanis untuk menekan oksidasi tembaga yang berlebihan dan mencapai penghilangan material yang seragam.

Dengan evolusi berkelanjutan teknologi manufaktur semikonduktor, CMP telah menjadi satu-satunya solusi planarization yang layak ketika proses semikonduktor memasuki node teknologi sub-0,25 μm.

Selain itu, pengenalan material dielektrik low-k memerlukan proses CMP yang lebih lembut untuk meminimalkan kerusakan mekanis dan menjaga integritas struktural.

Mekanisme Pemrosesan CMP

CMP memanfaatkan partikel abrasif yang relatif lunak untuk mencapai pemolesan permukaan berkualitas tinggi.

Selama proses CMP, benda kerja ditekan ke bantalan pemoles di bawah tekanan terkontrol dan bergerak relatif terhadap bantalan.

Melalui interaksi sinergis antara partikel abrasif skala nano dan komponen kimia dalam slurry pemoles, permukaan benda kerja secara bertahap menjadi lebih halus, seperti yang diilustrasikan pada gambar di bawah ini.

Sistem CMP umumnya terdiri dari pembawa berputar dan pelat pemoles.

Melalui rotasi terkoordinasi mereka, lintasan gerakan relatif yang kompleks dihasilkan antara wafer dan bantalan pemoles.

Slurry yang terus menerus dipasok oleh pompa peristaltik mengandung dua komponen fungsional:

• Partikel abrasif: memberikan aksi pemolesan mekanis.
• Agen pengoksidasi: menginduksi reaksi kimia pada permukaan material.

Mekanisme penghilangan material CMP terutama melibatkan dua langkah berurutan:

Langkah 1: Oksidasi permukaan dan modifikasi kimia

Agen pengoksidasi bereaksi dengan permukaan benda kerja dan menghasilkan lapisan permukaan yang dimodifikasi secara kimia atau melunak.

Langkah 2: Penghilangan mekanis lapisan yang bereaksi

Partikel abrasif menghilangkan lapisan reaksi yang melunak ini melalui interaksi mekanis.

Proses siklus ini pada akhirnya menghasilkan permukaan ultra-halus dengan kekasaran yang sangat rendah.

Perlu dicatat bahwa keseimbangan antara efek kimia dan mekanis dalam CMP memainkan peran yang menentukan dalam menentukan kualitas pemrosesan akhir.

Ketika aksi mekanis mendominasi:

• Goresan permukaan dapat terjadi.
• Konsentrasi tegangan sisa dapat meningkat.
• Kerusakan bawah permukaan dapat dihasilkan.

Ketika aksi kimia menjadi berlebihan:

• Cacat korosi permukaan dapat muncul.
• Etsa lokal dapat terjadi.
• Morfologi permukaan dapat memburuk.

Oleh karena itu, mengoptimalkan interaksi sinergis antara reaksi kimia dan abrasi mekanis adalah faktor kunci untuk meningkatkan kinerja CMP.

Penelitian telah menunjukkan bahwa intensitas pemolesan mekanis dan laju reaksi kimia menunjukkan korelasi positif.

Efek kopling ini secara langsung mempengaruhi efisiensi penghilangan material.

Oleh karena itu, kontrol yang tepat terhadap komposisi slurry telah menjadi salah satu tantangan teknologi utama dalam pengembangan proses CMP canggih.

Untuk mendapatkan permukaan yang dipoles berkualitas tinggi, efek kimia dan mekanis selama CMP harus mencapai keseimbangan yang sesuai.

Jika aksi kimia mendominasi aksi mekanis:

• Lubang korosi
• Pola permukaan seperti kulit jeruk
• Morfologi permukaan yang tidak seragam

dapat terjadi.

Sebaliknya, jika aksi mekanis mendominasi:

• Goresan
• Retakan
• Lapisan kerusakan bawah permukaan

kemungkinan besar terbentuk.

2. Faktor yang Mempengaruhi Pemolesan Kimia Mekanis

Selama pemrosesan CMP, parameter proses memiliki pengaruh signifikan terhadap:

• Laju penghilangan material (MRR)
• Kekasaran permukaan
• Integritas permukaan
• Keseragaman pemrosesan

Menurut persamaan Preston:

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

di mana:

• MRR mewakili laju penghilangan material.
• K adalah koefisien Preston yang terkait dengan kondisi pemolesan.
• P mewakili tekanan pemolesan.
• V mewakili kecepatan pemolesan relatif.

Tekanan pemolesan dan kecepatan putar bersama-sama menentukan efisiensi penghilangan material.

(1) Efek Tekanan Pemolesan

Tekanan pemolesan secara langsung menentukan tegangan kontak antara bantalan pemoles dan permukaan wafer.

Meningkatkan tekanan umumnya meningkatkan kontak antara partikel abrasif dan wafer, sehingga meningkatkan MRR.

Namun, tekanan berlebihan dapat mengakibatkan:

• Goresan mikro permukaan
• Deformasi wafer
• Pemolesan berlebihan lokal
• Cacat piringan

Oleh karena itu, rentang tekanan yang sesuai harus dipilih untuk menyeimbangkan efisiensi dan kualitas permukaan.

(2) Efek Kecepatan Putar

Kecepatan putar relatif antara bantalan pemoles dan wafer mempengaruhi perilaku hidrodinamik dan distribusi slurry pemoles.

Perbedaan kecepatan yang besar dapat menyebabkan penghilangan tepi yang berlebihan, yang mengarah pada fenomena yang dikenal sebagai roll-off tepi.

Meningkatkan kecepatan putar meningkatkan gaya geser mekanis, yang dapat meningkatkan efisiensi penghilangan material.

Namun, kecepatan yang terlalu tinggi dapat menghasilkan peningkatan suhu lokal (biasanya melebihi 10°C), yang mengakibatkan perubahan aktivitas kimia slurry dan mempengaruhi stabilitas pemolesan.

(3) Efek Laju Aliran Slurry

Laju aliran slurry mempengaruhi kedua:

• Reaksi kimia antara slurry dan permukaan wafer.
• Penghilangan mekanis lapisan reaksi teroksidasi.

Selain itu, melalui konveksi, slurry bertindak sebagai pendingin dan membantu menghilangkan panas yang dihasilkan di antarmuka antara bantalan pemoles dan wafer.

Oleh karena itu, mengoptimalkan laju aliran slurry berkontribusi pada peningkatan efisiensi pemolesan dan kualitas permukaan.

Penyesuaian parameter proses yang sesuai, termasuk:

• Tekanan
• Kecepatan putar
• Laju aliran slurry

sangat penting untuk mencapai proses CMP berkinerja tinggi.

Penelitian telah menunjukkan bahwa dalam rentang tekanan yang sesuai, MRR meningkat secara proporsional dengan tekanan yang diterapkan.

Pada laju aliran slurry rendah dan tekanan rendah:

• Reaksi oksidasi yang tidak mencukupi dapat terjadi.
• Efisiensi penghilangan material menurun.

Meningkatkan tekanan atau laju aliran slurry dapat:

• Mengurangi suhu bantalan pemoles.
• Meningkatkan kemampuan oksidasi.
• Meningkatkan efisiensi penghilangan mekanis.

Akibatnya, MRR meningkat.

Namun, tekanan atau laju aliran slurry yang berlebihan dapat menyebabkan abrasi mekanis mendominasi.

Meskipun MRR dapat terus meningkat, kekasaran permukaan juga dapat meningkat dan cacat goresan dapat muncul.

Oleh karena itu, membangun keseimbangan dinamis antara reaksi oksidasi dan penghilangan mekanis sangat penting untuk mencapai efisiensi pemolesan maksimum.

(a) Komposisi Slurry Pemoles

Meskipun CMP memerlukan kontrol yang tepat terhadap parameter proses seperti:

• Tekanan pemolesan
• Kecepatan putar
• Laju aliran slurry

slurry pemoles tetap menjadi faktor paling kritis yang mempengaruhi kinerja CMP.

Komponen utama slurry CMP meliputi:

• Partikel abrasif
• Agen pengoksidasi
• Pengatur pH

Komponen-komponen ini secara signifikan mempengaruhi:

• Laju penghilangan material (MRR)
• Kekasaran permukaan
• Pembentukan cacat permukaan

(b) Agen Pengoksidasi

Agen pengoksidasi memainkan peran penting dalam CMP dengan mempromosikan reaksi oksidasi pada permukaan material.

Reaksi-reaksi ini menghasilkan lapisan oksida yang relatif lebih lunak, yang kemudian dapat dengan mudah dihilangkan oleh abrasi mekanis.

Proses oksidasi secara efektif mengurangi gaya mekanis yang diperlukan untuk penghilangan material dan membantu meminimalkan kerusakan permukaan.

(c) Nilai pH

Nilai pH slurry pemoles secara langsung mempengaruhi:

• Laju pemolesan
• Kualitas permukaan
• Mekanisme penghilangan material

Dengan menyesuaikan keasaman atau kebasaan slurry, laju reaksi kimia antara slurry dan permukaan material dapat dikontrol.

Nilai pH yang dioptimalkan membantu mencapai keseimbangan antara modifikasi kimia dan penghilangan mekanis.

(d) Surfaktan

Surfaktan bertindak sebagai agen penstabil dalam slurry CMP.

Fungsi utama mereka meliputi:

1. Menjaga stabilitas slurry

Surfaktan mencegah:

• Agregasi partikel abrasif
• Pemisahan komponen
• Sedimentasi

sehingga menjaga keseragaman slurry.

2. Meningkatkan perilaku penyebaran slurry

Surfaktan mengurangi tegangan permukaan slurry, memungkinkan penyebaran yang lebih baik pada permukaan wafer hidrofobik.

Ini meningkatkan kontak antara:

• Partikel abrasif
• Komponen kimia
• Permukaan material

yang mengarah pada peningkatan keseragaman dan efisiensi pemolesan.

3. Mengurangi kerusakan permukaan

Surfaktan dapat mengatur laju reaksi permukaan atau membentuk lapisan pelindung pada permukaan.

Ini membantu menyeimbangkan abrasi mekanis dan korosi kimia, meningkatkan:

• Efisiensi penghilangan material
• Kehalusan permukaan
• Ketahanan kerusakan bawah permukaan