了解CMP设备、材料和工艺过程

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1. CMP 工艺是晶圆全局平坦化的关键工艺

晶圆制造流程可以广义地分为晶圆前道和后道 2 个环节，其中前道工艺在晶圆厂中进行，主要负责晶圆的加工制造，后道工艺在封测厂中进行，主要负责芯片的封装测试，其中，化学机械抛光（CMP）是实现晶圆全局平坦化的关键工艺，指的是通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用，实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化，是先进集成电路制造前道工序、先进封装等环节必需的关键制程工艺。

在前道加工领域：CMP 主要负责对晶圆表面实现平坦化。晶圆制造前道加工环节主要包括7个相互独立的工艺流程：光刻、刻蚀、薄膜生长、扩散、离子注入、化学机械抛光、金属化 CMP 则主要用于衔接不同薄膜工艺，其中根据工艺段来分可以分为前段制程（FEOL）和后段制程（BEOL），前段制程工艺主要为 STI-CMP 和 Poly-CMP，后段制程工艺主要为介质层 ILD-CMP、IMD-CMP 以及金属层 W-CMP、Cu-CMP 等。

在后道封装领域：CMP 工艺也逐渐被用于先进封装环节的抛光，如硅通孔（TSV）技术、扇出（Fan-Out）技术、2.5D 转接板（interposer）、3D IC 等封装技术中对引线尺寸要求更小更细，因此会引入刻蚀、光刻等工艺，而 CMP 作为每道工艺间的抛光工序，也得以广泛应用于先进封装中。

如果晶圆制造过程中无法做到纳米级全局平坦化，既无法重复进行光刻、刻蚀、薄膜和掺杂等关键工艺，也无法将制程节点缩小至纳米级的先进领域。随着超大规模集成电路制造的线宽不断细小化，制造工艺不断向先进制程节点发展，平坦化的精度要求也不断提高，CMP 步骤也会不断增加，从而大幅刺激了集成电路制造商对 CMP 设备的采购和升级需求。

CMP（化学机械抛光）相较于传统方法有更高的加工精度和加工速度。传统的机械抛光和化学抛光方法，去除速率、抛光质量均无法满足先进芯片量产需求。而 CMP 技术利用磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光，避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点，是目前唯一能兼顾表面全局和局部平坦化的抛光技术，在先进集成电路制造中被广泛应用。

2. CMP 工艺技术原理

CMP 设备主要依托 CMP 技术的化学-机械动态耦合作用原理，通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用，实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化（全局平整落差5nm以内的超高平整度）。CMP 抛光过程可以分为化学过程和物理过程。化学过程指：研磨液中化学成分与硅片表面材料产生化学反应，通过将不溶物转化为易溶物或软化高硬度物质，生成比较容易去除的物质。物理过程指：研磨液中的磨粒与硅片表面材料发生机械物理摩擦，从硅片表面去除这些化学反应物，溶入流动的液体中带走。

CMP 具体步骤：

第一步：将硅片固定在抛光头最下面，抛光垫放置在研磨盘上；

第二步：旋转的抛光头以一定压力压在旋转的抛光垫上，在硅片表面和抛光垫之间加入流动的研磨液（由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成），研磨液在抛光垫的传输和离心力的作用下均匀涂布，在硅片和抛光垫之间形成一层液体薄膜；

第三步：通过化学去膜和机械去膜的交替过程实现平坦化。

CMP 主要技术参数：

► 研磨速率：单位时间内磨除材料的厚度；

►平整度：硅片某处 CMP 前后台阶高度之差/CMP 之前台阶高度*100% ；

►研磨均匀性：包括片内均匀性和片间均匀性。

片内均匀性=同个晶圆研磨速率的标准差/研磨速率；

片间均匀性=不同晶圆同一条件下研磨速率标准差/平均研磨速率

►缺陷量：CMP 工艺造成的硅片表面缺陷，一般包括擦伤、凹陷、侵蚀、残留物和颗粒污染，直接影响成品率。

3. CMP 设备及材料对工艺效果有关键影响

CMP 工艺离不开设备及材料，其中材料包括抛光垫和抛光液，设备和材料对工艺效果有关 键影响，CMP 效果主要影响因素如下：

►设备参数：抛光时间、研磨盘转速、抛光头转速、抛光头摇摆度、背压、下压力等；

► 研磨液参数：磨粒大小、磨粒含量、磨粒凝聚度、酸碱度、氧化剂含量、流量、粘滞 系数等 ；

►抛光垫参数：硬度、密度、空隙大小、弹性等；

►CMP 对象薄膜参数：种类、厚度、硬度、化学性质、图案密度等。

CMP 材料主要包括抛光液、抛光垫、钻石碟、清洗液等，对 CMP 工艺效应均有关键影响。

1. CMP 抛光垫：主要作用是储存和运输抛光液、去除磨屑和维持稳定的抛光环境等；

2. CMP 抛光液：是研磨材料和化学添加剂的混合物，可使晶圆表面产生一层氧化膜，再由抛光液中的磨粒去除，达到抛光的目的。

3. CMP 钻石碟：是 CMP 工艺中必不可少的耗材，用于维持抛光垫表面一定的粗糙状态，通常与 CMP 抛光垫配套使用。

4. CMP 清洗液：主要用于去除残留在晶圆表面的微尘颗粒、有机物、无机物、金属离子、氧化物等杂质，满足集成电路制造对清洁度的极高要求，对晶圆生产的良率起到了重要的作用。

CMP设备是 CMP 技术应用的载体，集摩擦学、表/界面力学、分子动力学、精密制造、化学化工、智能控制等多领城最先进技术于一体，是集成电路制造设备中较为复杂和研制难度较大的设备之一。同时，由于铜连线在微处理器生产中广泛引用，因此唯一能够抛光铜金属层的 CMP 设备更成为芯片制造厂商必需的重要工具。

CMP 设备主要分为抛光部分和清洗部分，抛光部分由抛光头、研磨盘等组成，清洗部分由 清洗刷、供液系统等组成• 抛光头：通常具有真空吸附装臵用于吸附晶圆，防止晶圆在抛光过程中产生位移，同时向下施加压力。• 研磨盘：起到对晶圆的支撑作用，承载抛光垫并带动其转动并对抛光头压力大小、转动 速度、开关动作等进行控制。• 清洗刷：用于 CMP 后清洗环节，在CMP后去除颗粒和其他化学污染物，分为清洁— 冲洗—干燥环节，保证晶圆干进干出。• 终点检测设备：终点检测设备用于检测 CMP 工艺是否把材料磨到正确的厚度，避免过薄（未起到抛光作用）及过厚（损失下层材料）带来的负面影响，通常使用电性能及光学两种测量方式。

4. 先进制程推进带动CMP设备及材料需求

当前 CMP 已经广泛应用于集成电路制造中对各种材料的高精度抛光。按照被抛光的材料类型，具体可以划分为三大类：（1）衬底：主要是硅材料。（2）金属：包括 Al/Cu 金属互联层，Ta/Ti/TiN/TiNxCy 等扩散阻挡层、粘附层。（3）介质：包括 SiO2/BPSG/PSG 等ILD（层间介质），SI3N4/SiOxNy 等钝化层、阻挡层。在0.25μm 节点后的 Al 布线和进入0.13μm 节点后的 Cu布线，CMP 技术的重要性持续凸显：

90~65nm 节点：随着铜互连技术和低 k 介质（一种绝缘材料）的广泛采用，浅槽隔离(STI)、 绝缘膜、铜互连层是 CMP 的主要研磨对象。

28nm 节点：逻辑器件的晶体管中引入高 k 金属栅结构（HKMG），因而同时引入了两个关键的平坦化应用，包括虚拟栅开口 CMP 工艺和替代金属栅 CMP 工艺。32nm 及 22nm 节点：铜互连低 k 介质集成的 CMP 工艺技术支持 32nm 和 22nm 器件的量产，其中开始出现的 FinFET 晶体管添加了虚拟栅平坦化工艺，这是实现后续 3D 结构刻蚀 的关键技术。

随着摩尔定律的推进，当制造工艺不断向先进制程节点发展时，对 CMP 技术的要求也相应提高。当制程节点发展至 7nm 以下时，芯片制造过程中 CMP 的应用在最初的氧化硅 CMP和钨 CMP 基础上新增了包含氮化硅CMP、鳍式多晶硅 CMP、钨金属栅极 CMP 等先进CMP 技术，所需的抛光技术也增加至 30 余步，大幅刺激了集成电路制造商对 CMP 设备及材料的采购和升级需求。

5. CMP 抛光液

抛光液是一种水溶性抛光剂，由固体粒子研磨剂、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等成分构成。通过与材料表面产生系列化学使其形成表面膜，通过成分中的研磨颗粒进行去除，达到抛光目的。通常，抛光液的流速、粘度、温度、成分、pH 值等都会对去除效果有影响。抛光液种类繁多，根据应用的不同工艺环节，可以将其分为铜（Cu）抛光液、硅片抛光液、 钨（W）抛光液、钴（Co）抛光液、介质层抛光液、浅槽隔离（STI）抛光液等。其中铜抛 光液用于集成电路铜互连工艺制程中铜的去除和平坦化，广泛应用于130nm 及以下技术节点逻辑芯片的制造工艺；钨抛光液用于集成电路制造工艺中钨塞和钨通孔的平坦化，在逻辑芯片、3D NAND 和 DRAM 芯片上量产使用；硅粗抛光液主要应用于硅晶圆的初步加工过程中，硅晶圆是集成电路的基底材料。

抛光液在 CMP 技术中至关重要，在抛光材料中的价值占比达到 49%。抛光液主要原料由纳米磨料、添加剂和纯水组成，其中纳米磨料是决定抛光液性能及抛光效率的关键原料， 占据抛光液成本的三分之一。在 CMP 过程中抛光液影响着化学作用与磨粒机械作用程度的比例，很大程度上决定了 CMP 能获得的抛光表面质量和抛光效果。

6. CMP 抛光垫

抛光垫是 CMP 工艺中除抛光液之外的另一重要耗材。抛光垫由多孔、有弹性的聚合物材料组成，具有类似海绵的机械特性和多孔特性，且表面有特殊的沟槽，可提高抛光均匀性。其主要作用是储存和运输抛光液、去除磨屑和维持稳定的抛光环境，使抛光均匀。

根据软硬的不同，抛光垫可分为硬垫和软垫两种

►硬垫：硬度较大、抛光液固体颗粒大，能实现较快的抛光速度, 有较好均匀性和平整度；但表面较粗糙,损伤层较严重。

►软垫：抛光液利用率高，抛光液中固体颗粒较小，有更好的硅片内平均性, 因此可以增加光洁度, 同时去除粗抛时留下的损伤层，但难以实现高效的平坦化加工高硬度抛光垫容易造成晶圆刮伤导致低的良率，较软的抛光垫则有更高的损耗率，因而通过改变化学成分与多孔结构控制，根据工艺需求选择特定硬度的抛光垫是抛光垫环节的工艺难点。在硬垫领域过去制程演进的过程中不同的技术节点对于抛光垫的变化不是非常大，龙头公司相对容易保持产品的一致性、垄断性、和稳定性。

根据材质的不同，抛光垫又能分为聚氨酯抛光垫，无纺布抛光垫和带绒毛结构的无纺布抛光垫。

 注：本文为知乎博主——检测中心黄工的一篇进行整理，旨在记录和学习。原文：【科普】一文带你了解CMP设备和材料 – 知乎 (zhihu.com)