CMP：半導(dǎo)體制造工藝的平滑藝術(shù)

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-08-13 17:46:58 1022

1、CMP工藝簡(jiǎn)介

CMP（Chemical Mechanical Polishing）化學(xué)機(jī)械拋光，是一個(gè)將晶圓表面打磨得光滑平整的過程。想象您在打磨一塊寶石，除了手工的磨削，您還往上滴幾滴特制的藥劑，使其快變得光滑，這就是CMP工藝的縮影，它通過化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械力的配合，將晶圓表磨削到所需的平整度。

圖：CMP平坦化前后效果圖

CMP結(jié)合了化學(xué)腐蝕和機(jī)磨削的原理，用特殊設(shè)計(jì)的拋光液和砂輪對(duì)晶圓進(jìn)行處理。這一過程中，化學(xué)反應(yīng)使表面材料軟化，而機(jī)械磨削則去除軟化的材料，從而實(shí)現(xiàn)平坦化。

圖：CMP工藝在芯片制造工藝中的位置

集成電路的制造過程好比建多層的樓房，每搭建一層樓層都需要讓樓層足夠平坦齊整，才能在其上方繼續(xù)搭建另一層樓，否則樓面就會(huì)高低不平，影響整體性能和可靠性，而能夠有效令集成電路的“樓層”達(dá)到納米級(jí)全局平整的技術(shù)就是CMP技術(shù)，CMP設(shè)備則是對(duì)硅片/晶圓自動(dòng)化實(shí)施CMP工藝的超精密裝備。

2、分類

CMP設(shè)備按照晶圓尺寸（也代表技術(shù)難度）分為12英寸CMP設(shè)備和8英寸 CMP設(shè)備。目前全球主流的高端CMP設(shè)備均為帶7分區(qū)拋光頭的12英寸 CMP設(shè)備。

3、原理和設(shè)備構(gòu)造

CMP設(shè)備主要由晶圓傳輸單元、拋光單元和清洗單元三大主要模塊組成。

①晶圓傳輸單元

晶圓傳輸單元主要由前端模組、晶圓傳輸手等部件組成。其中，前端模組負(fù)責(zé)與工廠的晶圓搬運(yùn)系統(tǒng)對(duì)接，將晶圓搬運(yùn)至機(jī)臺(tái)內(nèi)進(jìn)行加工。晶圓傳輸手負(fù)責(zé)晶圓在拋光單元、清洗單元內(nèi)部及不同加工工位之間的傳輸。

②拋光單元

在拋光單元中，利用化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨的協(xié)同配合，通過夾持晶圓的研磨頭和研磨墊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)晶圓表面平坦化。在研磨墊和晶圓之間滴入一定流量的研磨液，利用研磨液中的化學(xué)成分產(chǎn)生的腐蝕作用，以及研磨液顆粒產(chǎn)生的機(jī)械摩擦力去除晶圓表面的多余材料，實(shí)現(xiàn)晶圓全局平坦化。拋光過程中通過研磨頭的不同區(qū)域同時(shí)施加不同壓力來調(diào)整區(qū)域研磨速率，從而優(yōu)化晶圓表面的全局平坦化程度。同時(shí)，運(yùn)用終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)晶圓表面的材料厚度，在達(dá)到預(yù)定厚度后停止拋光。

③清洗單元

在完成化學(xué)機(jī)械拋光后，通過清洗單元有效去除晶圓表面的顆粒污染物，并干燥晶圓。清洗單元一般包含兆聲清洗模組、刷洗模組及干燥模組等。兆聲清洗模組利用兆聲波能量及化學(xué)液的腐蝕作用實(shí)現(xiàn)大顆粒的去除。刷洗模組利用清洗化學(xué)品的腐蝕和機(jī)械刷洗雙重作用去除晶圓表面的強(qiáng)附著力顆粒，并用超純水沖洗殘留的沾污。干燥模組通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，異丙醇溶劑產(chǎn)生的馬蘭戈尼效應(yīng)去除晶圓表面的水漬，實(shí)現(xiàn)晶圓干燥。

4、CMP技術(shù)用在哪些場(chǎng)景？

在硅片制造領(lǐng)域，半導(dǎo)體拋光片生產(chǎn)工藝流程中，在完成拉晶、硅錠加工、切片成型環(huán)節(jié)后，在拋光環(huán)節(jié)，為了得到平整潔凈的拋光片需要通過CMP設(shè)備及工藝來實(shí)現(xiàn)。

在集成電路制造領(lǐng)域，芯片制造過程按照技術(shù)分工主要可分為薄膜淀積、CMP、光刻、刻蝕、離子注入等工藝環(huán)節(jié)，各工藝環(huán)節(jié)實(shí)施過程中均需要依靠特定類型的半導(dǎo)體專用設(shè)備。

如果將芯片制造過程比作建造高層樓房，每搭建一層樓都需要讓樓層足夠平坦齊整，才能在其上方繼續(xù)搭建另一層，否則樓面就會(huì)高低不平，影響整體性能和可靠性。隨著線寬越來越小、層數(shù)越來越多，對(duì)CMP的技術(shù)要求越來越高，CMP工藝的使用頻率也越來越高，在先進(jìn)制程芯片的生產(chǎn)過程中每一片晶圓都會(huì)經(jīng)歷幾十道的CMP工藝步驟。

在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，CMP工藝會(huì)越來越多被引入并大量使用，其中硅通孔（TSV）技術(shù)、扇出（Fan-Out）技術(shù)、2.5D轉(zhuǎn)接板（interposer）、3D IC等將用到大量CMP工藝，這將成為CMP設(shè)備除IC制造領(lǐng)域外一個(gè)大的需求增長(zhǎng)點(diǎn)。

5、CMP發(fā)展趨勢(shì)

1991年，IBM公司*成功將CMP技術(shù)應(yīng)用到芯片生產(chǎn)當(dāng)中，從多層金屬互連開始，CMP設(shè)備就成為芯片制造關(guān)鍵和必需設(shè)備之一，沒有CMP技術(shù)，低于0.35μm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)的光刻將無法實(shí)施，摩爾定律也無法繼續(xù)。

隨著晶圓尺寸的增長(zhǎng)、技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷進(jìn)步，CMP設(shè)備也在不斷升級(jí)其自身的技術(shù)，例如采用更先進(jìn)的分區(qū)壓力控制技術(shù)和更先進(jìn)的終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)制造出12英寸CMP 設(shè)備來應(yīng)用于主流的12英寸晶圓大生產(chǎn)線，高端12英寸 CMP 設(shè)備中采用7分區(qū)拋光頭技術(shù)，在先進(jìn)制程領(lǐng)域的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）及硅通孔（TSV）先進(jìn)封裝等工藝中要求CMP設(shè)備也需具備更好的平坦化效果、控制精度、系統(tǒng)集成度和后清洗技術(shù)。

隨著芯片技術(shù)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)下降，對(duì)CMP設(shè)備的平坦化效果、控制精度、系統(tǒng)集成度和后清洗技術(shù)要求越來越高。CMP設(shè)備也將向著拋光頭分區(qū)精細(xì)化、工藝控制智能化、清洗單元多能量組合化、預(yù)防性維護(hù)精益化的方向發(fā)展。本文參考華海清科公告。

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