CMP工藝技術(shù)淺析

在芯片制造制程和工藝演進(jìn)到一定程度、摩爾定律因沒有合適的拋光工藝無法繼續(xù)推進(jìn)之時(shí)，CMP技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，是集成電路制造過程中實(shí)現(xiàn)晶圓表面平坦化的關(guān)鍵工藝。傳統(tǒng)的機(jī)械拋光和化學(xué)拋光去除速率均低至無法滿足先進(jìn)芯片量產(chǎn)需求，而結(jié)合了機(jī)械拋光和化學(xué)拋光各自長(zhǎng)處的CMP技術(shù)則是目前唯一能兼顧表面全局和局部平坦化的拋光技術(shù)，在目前先進(jìn)集成電路制造中被廣泛應(yīng)用。如果晶圓（芯片）制造過程中無法做到納米級(jí)全局平坦化，既無法重復(fù)進(jìn)行光刻、刻蝕、薄膜和摻雜等關(guān)鍵工藝，也無法將制程節(jié)點(diǎn)縮小至納米級(jí)的先進(jìn)領(lǐng)域，因此隨著超大規(guī)模集成電路制造的線寬不斷細(xì)小化而產(chǎn)生對(duì)平坦化的更高要求和需求，CMP在先進(jìn)工藝制程中具有不可替代且越來越重要的作用。

圖：先進(jìn)封裝工藝流程

工作原理

化學(xué)機(jī)械研磨/化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）與傳統(tǒng)的純機(jī)械或純化學(xué)的拋光方法不同，CMP工藝是通過表面化學(xué)作用和機(jī)械研磨的技術(shù)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)晶圓表面微米/納米級(jí)不同材料的去除，從而達(dá)到晶圓表面的高度（納米級(jí)）平坦化效應(yīng)，使下一步的光刻工藝得以進(jìn)行。它的主要工作原理是在一定壓力下及拋光液的存在下，被拋光的晶圓對(duì)拋光墊做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，借助納米磨料的機(jī)械研磨作用與各類化學(xué)試劑的化學(xué)作用之間的高度有機(jī)結(jié)合，使被拋光的晶圓表面達(dá)到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。拋光液和拋光墊是CMP工藝的核心原材料。

核心材料

CMP工藝過程中所采用的設(shè)備及消耗品包括：拋光機(jī)、拋光液、拋光墊、后CMP清洗設(shè)備、拋光終點(diǎn)檢測(cè)及工藝控制設(shè)備、廢物處理和檢測(cè)設(shè)備等。其中CMP材料主要包括拋光液、拋光墊、調(diào)節(jié)器、CMP清洗以及其他等耗材，而拋光液和拋光墊占CMP材料細(xì)分市場(chǎng)的80%以上，是CMP工藝的核心材料。

1、拋光墊。

在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，拋光墊具有儲(chǔ)存和運(yùn)輸拋光液、去除加工殘余物質(zhì)、維持拋光環(huán)境等功能。目前的拋光墊一般都是高分子材料，如合成革拋光墊、聚氨醋拋光墊、金絲絨拋光墊等，其表面一般含有大小不一的孔狀結(jié)構(gòu)，有利于拋光漿料的存儲(chǔ)與流動(dòng)。拋光墊的性能受其材料特性、表面組織、表面溝槽形狀及工作溫度等因素的影響。在這些影響因素中，拋光墊的表面溝槽形狀及寸是拋光墊性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，它直接影響到拋光區(qū)域內(nèi)拋光液的分布和運(yùn)動(dòng)，并且影響拋光區(qū)域的溫度分布。拋光墊也是一種耗材，必須適時(shí)進(jìn)行更換，長(zhǎng)時(shí)間不更換的拋光墊，被拋光去除的材料殘余物易存留在其中會(huì)對(duì)工件表面造成劃痕，同時(shí)拋光后的拋光墊如果不及時(shí)清洗，風(fēng)干后粘結(jié)在拋光墊內(nèi)的固體會(huì)對(duì)下一次拋光質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2、拋光液。

拋光液又稱“化學(xué)機(jī)械研磨液”，由納米級(jí)研磨顆粒和高純化學(xué)品組成，是化學(xué)機(jī)械拋光工藝過程中使用的主要化學(xué)材料?；瘜W(xué)機(jī)械拋光液的主要原料包括研磨顆粒、各種添加劑和水，其中研磨顆粒主要為硅溶膠和氣相二氧化硅。化學(xué)機(jī)械拋光液原料中添加劑的種類根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用需求有所不同，如金屬拋光液中有金屬絡(luò)合劑、腐蝕抑制劑等，非金屬拋光液中有各種調(diào)節(jié)去除速率和選擇比的添加劑。半導(dǎo)體行業(yè)作為全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)支柱性產(chǎn)業(yè)，受到國(guó)家大力扶持和推進(jìn)。公司利用打印耗材傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)軍半導(dǎo)體678行業(yè)中高分子材料細(xì)分領(lǐng)域，深耕晶圓制造中的CMP拋光墊、清洗液及柔性OLED屏的PI漿料的開發(fā)與銷售，通過集中資源加速技術(shù)開發(fā)和新業(yè)務(wù)布局，目前CMP拋光墊已有部分產(chǎn)能投產(chǎn)，將于今年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，全面覆蓋客戶應(yīng)用的主流制程；PI漿料引入了國(guó)內(nèi)首條涂覆烘烤線，將進(jìn)一步提高公司檢測(cè)能力并縮短研發(fā)周期。

相關(guān)企業(yè)

華海清科

成立于2013年，主要從事化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、研磨等設(shè)備和配套耗材的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，以及晶圓再生代工服務(wù)。公司拋光系列主要產(chǎn)品包括8英寸和12英寸的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）設(shè)備，高端CMP設(shè)備的工藝技術(shù)水平已在14nm制程驗(yàn)證中。公司CMP設(shè)備主要應(yīng)用于28nm及以上制程生產(chǎn)線，14nm制程工藝正處于驗(yàn)證階段。公司研發(fā)的12英寸系列CMP設(shè)備（Universal-300型、Universal-300Plus型、Universal-300Dual型、Universal-300X型）在國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的12英寸大生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)了批量產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，8英寸系列CMP設(shè)備（Universal-200型、Universal-200Plus型）也已在國(guó)內(nèi)集成電路制造商中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2020年新研發(fā)的3DIC制造用12英寸晶圓減薄拋光一體機(jī)Versatile-GP300設(shè)備也已進(jìn)入生產(chǎn)驗(yàn)證。在晶圓再生業(yè)務(wù)方面，公司于2020年起已成功獲得業(yè)務(wù)訂單并形成規(guī)模化生產(chǎn)?；贑MP設(shè)備的銷售和客戶關(guān)系，公司也從事CMP設(shè)備有關(guān)的耗材、配件銷售以及維保等技術(shù)服務(wù)并形成規(guī)?；N售。

鼎龍股份

鼎龍股份是一家從事集成電路芯片設(shè)計(jì)及制程工藝材料、光電顯示材料、打印復(fù)印通用耗材等研發(fā)、生產(chǎn)及服務(wù)的企業(yè)。此外，公司拓展泛半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，形成光電半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)布局，泛半導(dǎo)體材料業(yè)務(wù)主要包括半導(dǎo)體制程工藝材料、半導(dǎo)體顯示材料、半導(dǎo)體先進(jìn)封裝材料三個(gè)板塊，半導(dǎo)體制程工藝材料產(chǎn)品包括CMP拋光墊、拋光液、清洗液三大CMP環(huán)節(jié)核心耗材。在CMP拋光墊方面，公司從2013年開始CMP拋光墊項(xiàng)目的研發(fā)，是國(guó)內(nèi)唯一一家全面掌握拋光墊全流程核心研發(fā)和制造技術(shù)的CMP拋光墊供應(yīng)商，已成為部分客戶的第一供應(yīng)商，在該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)地位已經(jīng)確立；公司也在積極開拓海外市場(chǎng)，經(jīng)過在客戶端驗(yàn)證，于2021年11月取得首張海外訂單。CMP拋光液方面，公司在Oxide，SiN，Poly，Cu，Al等CMP制程拋光液產(chǎn)品多線布局，客戶端驗(yàn)證反饋情況良好，部分產(chǎn)品也已通過各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試：Oxide制程某拋光液產(chǎn)品已取得小量訂單；Al制程某拋光液產(chǎn)品在28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)HKMG工藝中通過客戶驗(yàn)證，進(jìn)入噸級(jí)采購階段。清洗液方面，公司在Cu制程CMP清洗液實(shí)現(xiàn)突破，獲得三家國(guó)內(nèi)主流客戶驗(yàn)證通過，另有3家客戶已進(jìn)入大規(guī)模驗(yàn)證階段并取得小量訂單。

安集科技

在化學(xué)機(jī)械拋光液板塊，公司在用于28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)HKMG工藝的鋁拋光液取得重大突破，打破國(guó)外廠商壟斷；基于氧化鈰磨料的拋光液實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主供應(yīng)，目前已在3DNAND先進(jìn)制程中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并逐步上量；襯底拋光液取得突破性進(jìn)展，已進(jìn)入量產(chǎn)的準(zhǔn)備階段；公司通過合資成立子公司山東安特納米建立了關(guān)鍵原材料硅溶膠的自主可控生產(chǎn)供應(yīng)能力、通過自研自建的方式持續(xù)加強(qiáng)了氧化鈰顆粒的制備和拋光性能的自主可控能力，推進(jìn)核心原材料自主可控取得了突破性進(jìn)展。在功能性濕電子化學(xué)品板塊，28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后段硬掩模銅大馬士革工藝刻蝕后清洗液技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，并已在重要客戶上線穩(wěn)定使用；14nm-7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后段硬掩模銅大馬士革工藝刻蝕后清洗液的研究及驗(yàn)證正在按計(jì)劃進(jìn)行；拋光后清洗液已經(jīng)量產(chǎn)，并應(yīng)用于12英寸芯片制造；功能性刻蝕液成功建立技術(shù)平臺(tái)，并開始客戶端驗(yàn)證。

審核編輯：湯梓紅