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嘉峪檢測網(wǎng) 2026-03-15 22:05
一、CMP技術發(fā)展及原理
化學機械拋光技術也叫化學機械平坦化技術(Chemical Mechanical Planarization)，CMP是自20世紀90年代以來在集成電路制造過程中最主要的平坦化技術。
傳統(tǒng)拋光方法可分為化學拋光和機械拋光兩種，化學拋光的表面質量較好，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，表面質量較差但是加工表面的面型精度較高，這兩種拋光技術各有利弊。
CMP是結合兩者優(yōu)點于一身的拋光技術，利用拋光液與工件進行化學反應，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物，得以進行高效及高表面質量和高面型精度的拋光。
化學機械拋光系統(tǒng)由一個旋轉的硅片夾持器、承載拋光墊的旋轉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腐蝕與磨粒的機械摩擦相互作用下去除材料并達到平坦化。
在化學機械拋光過程中，化學腐蝕所產(chǎn)生的反應層降低了基體材料強度使材料機械去除得以進行，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，使化學腐蝕速度得到提高，從而使材料的去除率比單純的化學腐蝕與機械加工要高幾倍。
二、CMP設備及工藝參數(shù)
在化學機械拋光過程中，如果機械性質參數(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。
如果化學性質參數(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。
合理調配工藝參數(shù)使化學作用與機械作用達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量。
CMP過程中的變因很多，它的基本工藝參數(shù)調配主要是變化拋光盤轉速、夾持器轉速和拋光壓力、拋光液流量等。
當轉速非常高時，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量。
拋光液主要由磨粒、酸或堿、超純水及添加劑等構成，拋光液的配比需要綜合考慮材料的去除性能、漿料對設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，當值增加時拋光速率也會隨之增加，但過快的化學反應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作用和機械作用的最佳結合，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。
拋光墊是化學機械拋光過程中的另一重要耗材，其材質為聚合物材料，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，使化學反應充分進行。
同時，拋光墊負責將拋光后的反應物、碎屑等順利排出，維持拋光區(qū)溫度穩(wěn)定等。
按材質和結構的不同，常用拋光墊主要可分為聚氨酯拋光墊、無紡布拋光墊、帶絨毛結構的無紡布拋光墊及復合式拋光墊四種。
拋光墊的類型、可壓縮性、硬度、密度、彈性模量、孔隙率等對拋光質量及拋光速率影響較大。
拋光墊的物理及力學性質都將影響到加工硅片的表面質量及拋光速率，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均勻性。使用較軟的拋光墊可獲得較好的表面質量并改善芯片內部的均勻性。
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，必須進行修整來恢復其粗糙度以改善傳輸拋光液的能力。
三、CMP設備夾持方式介紹
目前，CMP設備廠家普遍通過改進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、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技術
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。
石蠟粘結方法是另一種使用較早的方法之一。所使用的粘結劑和溶劑對硅片潔凈度有很大影響，通常使用的粘結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劑以清除雜質，保證硅片粘結的可靠性。粘結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
與用石蠟粘結類似，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隔離在硅片的周圍進行防水處理。這種方式的夾持精度可達0.1um。
(3)靜電吸盤夾持技術
靜電吸盤主要在化學氣相沉積等真空環(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)在移動硅片和進行加工時，一方面會對硅片造成污染，另一方面會導致加工中硅片變形，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70年代，由Wardly首先提出并將其應用于夾持硅片。之后由于靜電吸盤其存在很多優(yōu)點，很多學者和企業(yè)研究機構對靜電吸盤進行研究，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)境下對不同介質厚度情況下的夾持力的分布進行測量發(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中最小的，比較適于對小尺寸的硅片進行夾持，應用范圍較窄。
(4)真空吸盤夾持技術
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)域壓力調整和無區(qū)域壓力調整兩種。
四、CMP應用領域
化學機械拋光技術廣泛應用于半導體制造領域的層間絕緣膜，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以沉積方法形成的氧化硅膜，此時溝槽內的氧化硅膜是多層布線結構中層內電路的絕緣隔離體，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還被應用于磷化鎳鋁鎂基板、鏡頭、薄膜液晶顯示器、光學玻璃、導電玻璃、陶瓷、微機電系統(tǒng)拋光等高表面加工要求產(chǎn)品。
好了，關于化學機械拋光CMP的知識就介紹到這兒，歡迎閱讀《半導體全解》的其它文章！
參考文獻
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(2)孫禹輝 硅片化學機械拋光中材料去除非均勻性研究[D].
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(5)王林 拋光墊微觀接觸對化學機械拋...除的影響及其跨尺度建模方法[D].
來源：半導體全解
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