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嘉峪檢測網(wǎng) 2026-03-15 22:05
一、CMP技術(shù)發(fā)展及原理
化學(xué)機械拋光技術(shù)也叫化學(xué)機械平坦化技術(shù)(Chemical Mechanical Planarization)，CMP是自20世紀(jì)90年代以來在集成電路制造過程中最主要的平坦化技術(shù)。
傳統(tǒng)拋光方法可分為化學(xué)拋光和機械拋光兩種，化學(xué)拋光的表面質(zhì)量較好，表面粗糙度低、產(chǎn)生破壞深度較淺，但相對的拋光速度很慢且容易產(chǎn)生霧斑。
機械拋光產(chǎn)生的破壞深度則較深，表面質(zhì)量較差但是加工表面的面型精度較高，這兩種拋光技術(shù)各有利弊。
CMP是結(jié)合兩者優(yōu)點于一身的拋光技術(shù)，利用拋光液與工件進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，軟化工件表面，再通過微粒的機械式摩擦去除工件表面反應(yīng)物，得以進(jìn)行高效及高表面質(zhì)量和高面型精度的拋光。
化學(xué)機械拋光系統(tǒng)由一個旋轉(zhuǎn)的硅片夾持器、承載拋光墊的旋轉(zhuǎn)工作臺以及拋光液供給裝置等三大部分組成，如下圖所示。
化學(xué)機械拋光過程是使硅片與彈性拋光墊接觸并做相對運動，同時拋光液供給系統(tǒng)提供含有磨粒、氧化劑、活化劑的酸性或堿性拋光液，浸潤在拋光液中的硅片表面在拋光液的化學(xué)腐蝕與磨粒的機械摩擦相互作用下去除材料并達(dá)到平坦化。
在化學(xué)機械拋光過程中，化學(xué)腐蝕所產(chǎn)生的反應(yīng)層降低了基體材料強度使材料機械去除得以進(jìn)行，而磨粒與拋光墊的機械作用將加工的基體材料不斷暴露出來，使化學(xué)腐蝕速度得到提高，從而使材料的去除率比單純的化學(xué)腐蝕與機械加工要高幾倍。
二、CMP設(shè)備及工藝參數(shù)
在化學(xué)機械拋光過程中，如果機械性質(zhì)參數(shù)如速度、壓力等過大，加工中的機械作用過大，硅片拋光表面易有薄膜剝落、高損傷層及劃痕缺陷，材料去除率也將受到影響。
如果化學(xué)性質(zhì)參數(shù)，如拋光液腐蝕能力過大，硅片拋光表面易產(chǎn)生腐蝕坑、桔皮狀波紋、金屬材料的過度蝕刻、金屬層凹陷、粗糙度增加等缺陷。
合理調(diào)配工藝參數(shù)使化學(xué)作用與機械作用達(dá)到較好的匹配才能獲得高的材料去除率及好的拋光表面質(zhì)量。
CMP過程中的變因很多，它的基本工藝參數(shù)調(diào)配主要是變化拋光盤轉(zhuǎn)速、夾持器轉(zhuǎn)速和拋光壓力、拋光液流量等。
當(dāng)轉(zhuǎn)速非常高時，拋光壓力不能克服流體動力，硅片就會打滑。此時硅片的拋光速率會很低，并且均勻性不好控制。
如果壓力加大，拋光盤傳動系統(tǒng)將無法克服摩擦力使拋光盤轉(zhuǎn)動而且硅片表面材料去除均勻性會隨著壓力的過分增大而變差。
常用于作為材料去除率經(jīng)驗公式的Preston方程在低速CMP系統(tǒng)中保持的很好。
拋光液是化學(xué)機械拋光過程中的主要耗材，它的性能直接影響拋光表面質(zhì)量。
拋光液主要由磨粒、酸或堿、超純水及添加劑等構(gòu)成，拋光液的配比需要綜合考慮材料的去除性能、漿料對設(shè)備的腐蝕及漿料成本等。
針對不同的被拋光材料，往往采用不同的拋光液組分。一般情況下當(dāng)拋光液中的磨粒含量或粒徑大小增加時，拋光速率也會相對增加，增加比例過高時，反而會刮傷薄膜表面。
對于堿性拋光液，當(dāng)值增加時拋光速率也會隨之增加，但過快的化學(xué)反應(yīng)作用將降低拋光薄膜的平坦度。
對大多數(shù)CMP工藝，拋光液的流量一般為50-125ml/min，通常情況下流量過小將導(dǎo)致拋光速率不穩(wěn)定，流量過大將增加工藝成本從而降低生產(chǎn)效益。
拋光液研究的最終目的是找到化學(xué)作用和機械作用的最佳結(jié)合，以致能獲得去除速率高、平面度好、膜厚均勻性好及選擇性高的拋光液。此外還要考慮穩(wěn)定性、易清洗性、對設(shè)備的腐蝕性、廢料的處理費用及安全性等問題。
拋光墊是化學(xué)機械拋光過程中的另一重要耗材，其材質(zhì)為聚合物材料，帶有30-50um大小的孔，通常為聚氨脂或聚酯中加入飽和的聚氨酯。
拋光墊的主要功能是將拋光液均勻有效的輸送到拋光區(qū)域，維持接觸表面的拋光液膜，使化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行。
同時，拋光墊負(fù)責(zé)將拋光后的反應(yīng)物、碎屑等順利排出，維持拋光區(qū)溫度穩(wěn)定等。
按材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的不同，常用拋光墊主要可分為聚氨酯拋光墊、無紡布拋光墊、帶絨毛結(jié)構(gòu)的無紡布拋光墊及復(fù)合式拋光墊四種。
拋光墊的類型、可壓縮性、硬度、密度、彈性模量、孔隙率等對拋光質(zhì)量及拋光速率影響較大。
拋光墊的物理及力學(xué)性質(zhì)都將影響到加工硅片的表面質(zhì)量及拋光速率，使用較硬的拋光墊可以獲得較好的全局平坦度及較高的晶片內(nèi)均勻性。使用較軟的拋光墊可獲得較好的表面質(zhì)量并改善芯片內(nèi)部的均勻性。
多孔性和表面粗糙度影響拋光液的傳輸和接觸面積，拋光墊越粗糙，則接觸面積越大，材料去除率增大，孔隙率增加。
拋光墊儲存拋光液的能力增加，材料去除率增加。拋光墊在使用后表面變得光滑，孔隙將被堵塞，使拋光速率下降，必須進(jìn)行修整來恢復(fù)其粗糙度以改善傳輸拋光液的能力。
三、CMP設(shè)備夾持方式介紹
目前，CMP設(shè)備廠家普遍通過改進(jìn)硅片夾持器等措施來減小材料去除非均勻性。
隨著硅片尺寸不斷增大，特征尺寸不斷減小，掩膜層數(shù)不斷增加，光刻機的焦深變得越來越短，對每一層的全局都提出了更高要求。
化學(xué)機械拋光的加工力較小，所以對夾持系統(tǒng)的吸附力大小要求不高，但要求對硅片有較高的平整能力。
目前CMP主要使用的夾持方式有石蠟粘結(jié)、水的表面張力吸附、多孔陶瓷式真空吸盤、靜電吸盤和薄膜式真空吸盤吸附等方法。
(1)機械夾持與石蠟粘結(jié)技術(shù)
早期的硅片固定方法有機械式夾鉗以及石蠟粘接等機械夾持方法，這種方法容易使硅片發(fā)生翹曲變形或者損壞硅片的邊緣區(qū)域，目前已很少使用。
石蠟粘結(jié)方法是另一種使用較早的方法之一。所使用的粘結(jié)劑和溶劑對硅片潔凈度有很大影響，通常使用的粘結(jié)劑是以松脂為主要成分的石蠟，使用三氯乙烯等有機溶劑去蠟。
例如在以黃蠟粘結(jié)時，先將硅片置于夾具加熱，然后將熔化的黃蠟滲入硅片和夾具之間‚施加一定的壓力使石蠟將硅片粘到平整的基板上。
通常需要熔化過濾粘結(jié)劑以清除雜質(zhì)，保證硅片粘結(jié)的可靠性。粘結(jié)層的存在會對硅片平行度和厚度產(chǎn)生影響。這種方法如果能將石蠟的厚度做的非常均勻，可達(dá)到很高的拋光精度，但是石蠟的剝下和清洗時很費時，又要對石蠟過濾，所以效率不是太高。而且實現(xiàn)石蠟層的均勻分布以及去除石蠟中所包含的氣泡是不太容易的。
(2)水表面張力吸附夾持技術(shù)
與用石蠟粘結(jié)類似，利用水的張力固定硅片。具體方法為將網(wǎng)狀泡沫聚氨醋布粘在不銹鋼基板表面，利用泡沫聚氨酷表面水的張力將硅片吸附住。
用多孔擋板和外圓導(dǎo)向和定位硅片以防止硅片在拋光加工中脫落和滑動。在水中將硅片置于夾具上施加一定壓力使硅片與基板緊密結(jié)合，然后將夾具置于干燥皿中，直至形成水分子膜。再以熔化的瀝青及石蠟等油性物質(zhì)隔離在硅片的周圍進(jìn)行防水處理。這種方式的夾持精度可達(dá)0.1um。
(3)靜電吸盤夾持技術(shù)
靜電吸盤主要在化學(xué)氣相沉積等真空環(huán)境下使用，同時也可以在小尺寸硅片的CMP加工中使用。
在化學(xué)氣相沉積和干法腐蝕加工中，因為加工環(huán)境是真空的，所以真空吸盤無法使用。早期的機械式夾持系統(tǒng)在移動硅片和進(jìn)行加工時，一方面會對硅片造成污染，另一方面會導(dǎo)致加工中硅片變形，因此在這些加工中一般采用靜電吸盤。
靜電吸盤作用在吸盤上的力是分散的，沒有應(yīng)力集中產(chǎn)生硅片在吸盤表面也不會發(fā)生變形。硅片在運輸過程中可以快速移動以提高生產(chǎn)效率。
靜電吸盤上世紀(jì)70年代，由Wardly首先提出并將其應(yīng)用于夾持硅片。之后由于靜電吸盤其存在很多優(yōu)點，很多學(xué)者和企業(yè)研究機構(gòu)對靜電吸盤進(jìn)行研究，開發(fā)出了多種形式的靜電吸盤。
主要分為兩類：一類是“平板電容式靜電吸盤 ” ，單晶硅片本身也被通上高電壓，另一類是“整體電極式靜電吸盤”，不對硅片直接加壓，也無需對硅片通電，但吸附力較小。
靜電吸盤對硅片的夾持力的分布并不是固定的。通過在一般環(huán)境下對不同介質(zhì)厚度情況下的夾持力的分布進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，一般環(huán)境下的夾持力比真空條件下減小很多。靜電吸盤的夾持力是各種夾持機構(gòu)中最小的，比較適于對小尺寸的硅片進(jìn)行夾持，應(yīng)用范圍較窄。
(4)真空吸盤夾持技術(shù)
真空吸盤是目前CMP主要的夾持方法，主要有包括普通的多孔陶瓷式真空吸盤，與硅片接觸部分為橡膠的真空吸盤，活塞式真空吸盤等。
活塞式真空吸盤又分為單活塞和多活塞兩種。另外還可將真空吸盤分為有區(qū)域壓力調(diào)整和無區(qū)域壓力調(diào)整兩種。
四、CMP應(yīng)用領(lǐng)域
化學(xué)機械拋光技術(shù)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的層間絕緣膜，如金屬層間絕緣膜、淺溝道隔離、多晶硅、金屬、大馬士革等的平坦化，如圖所示。
這些工藝是對CMP要求最嚴(yán)格的制程，這些工藝中涉及到多種不同材料，如氧化物、金屬、單晶硅、多晶硅等。
在集成電路制造中，絕緣層或隔離材料多采用以CVD方法沉積的氧化硅薄膜。為了保證膜層的平整，過多的沉積材料以CMP方式去除。
淺溝道隔離的拋光對象主要是在刻蝕后的溝槽內(nèi)以沉積方法形成的氧化硅膜，此時溝槽內(nèi)的氧化硅膜是多層布線結(jié)構(gòu)中層內(nèi)電路的絕緣隔離體，如圖所示。
在淺溝道隔離工藝中，一般需要比氧化硅膜腐蝕速度慢的停止層材料，如氮化硅。
在溝道電容制造過程中，沉積的氧化硅或氮化硅膜作為溝道電容的絕緣材料，多晶硅作溝道電容的填充材料，而后用去除溝道外多余的多晶硅。
在硅片生產(chǎn)廠，CMP也被用于硅拋光片制備中的最后一道工序，用于去除損傷層的去除及硅片表面的平坦化。此外，CMP還被應(yīng)用于磷化鎳鋁鎂基板、鏡頭、薄膜液晶顯示器、光學(xué)玻璃、導(dǎo)電玻璃、陶瓷、微機電系統(tǒng)拋光等高表面加工要求產(chǎn)品。
好了，關(guān)于化學(xué)機械拋光CMP的知識就介紹到這兒，歡迎閱讀《半導(dǎo)體全解》的其它文章！
參考文獻(xiàn)
(1)王彩玲 300mm硅片化學(xué)機械拋光設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].
(2)孫禹輝 硅片化學(xué)機械拋光中材料去除非均勻性研究[D].
(3)Process Flow for 22nm @ 2018 Threshold Systems Inc[J].
(4)micron-intro-to-fabrication-presentation[J].
(5)王林 拋光墊微觀接觸對化學(xué)機械拋...除的影響及其跨尺度建模方法[D].
來源：半導(dǎo)體全解
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