化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術(shù)的概念是1965年由Monsanto首次提出，該技術(shù)最初是用于獲取高質(zhì)量的玻璃表面，如軍用望遠(yuǎn)鏡等。而后CMP工藝在美國(guó)以SEMATECH為主的聯(lián)合體的推動(dòng)下，最早于1994年首先在美國(guó)進(jìn)入工藝線應(yīng)用，隨后這項(xiàng)工藝便被迅速發(fā)展到全球。

CMP技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一：晶圓拋光

由于半導(dǎo)體制造技術(shù)不斷向微細(xì)化、高速、高密度方向發(fā)展，因此適用于平坦化工藝的CMP技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模近年來得到了迅速增大，CMP設(shè)備更成為了任何芯片制造商不可或缺的必備工具。而且隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)降低，對(duì)于金屬和介質(zhì)的平坦化次數(shù)越來越多，且對(duì)均勻性的要求越來越高，CMP技術(shù)日益凸顯其重要性。

一、CMP拋光工藝技術(shù)原理

區(qū)別于傳統(tǒng)的純機(jī)械或純化學(xué)的拋光方法，CMP通過化學(xué)的和機(jī)械的綜合作用，最大程度減少較硬材料與較軟材料在材料去除速率上的差異，也有效避免了由單純機(jī)械拋光造成的表面損傷和由單純化學(xué)拋光易造成的拋光速度慢、表面平整度和拋光一致性差等缺點(diǎn)。

CMP技術(shù)原理圖

CMP工藝平坦化原理是，利用機(jī)械力作用于圓片表面，同時(shí)由研磨液中的化學(xué)物質(zhì)與圓片表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來增加其研磨速率。其中，化學(xué)反應(yīng)過程是拋光液中化學(xué)反應(yīng)劑與材料表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，將不溶物轉(zhuǎn)化為易溶物或軟化高硬度物質(zhì)，生成比較容易去除的物質(zhì)；機(jī)械磨削則是材料表面對(duì)拋光墊做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并利用研磨液中的磨粒與發(fā)生機(jī)械物理摩擦，從材料表面去除化學(xué)反應(yīng)過程生成的易去除物，溶入流動(dòng)的液體中帶走，二者協(xié)同配合。除此之外，影響拋光效果的因素還有研磨頭下壓力等其他參數(shù)。

拋光過程原理圖

二、CMP工藝中的重要組成部分

CMP技術(shù)所采用的設(shè)備及消耗品包括：拋光機(jī)、拋光漿料、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。CMP技術(shù)難點(diǎn)是干和濕混合、要在化學(xué)和機(jī)械之間找好平衡。

1.消耗品材料

CMP工藝中最重要的兩大組成部分是研磨液和研磨墊，拋光液和拋光墊均為消耗品，拋光墊的使用壽命通常為45~75小時(shí)。

①拋光液：拋光液分為酸性拋光液和堿性拋光液，是均勻分散膠粒的乳白色膠體，主要起到拋光、潤(rùn)滑、冷卻的作用。以堿性SiO₂拋光液為例，其成分主要包含研磨劑（SiO₂膠粒）、堿、去離子水、表面活性劑、氧化劑、穩(wěn)定劑等。目前一些較新型的拋光液會(huì)傾向于讓拋光液的化學(xué)去除作用效果比機(jī)械去除作用效果要大，來減小機(jī)械作用造成的缺陷，而研磨劑的材料則會(huì)采用氧化鈰材料替代傳統(tǒng)硅石磨料。

拋光液

②拋光墊：拋光墊是一種具有一定彈性疏松多孔的材料，一般是聚亞氨酯類，主要作用是存儲(chǔ)和傳輸拋光液，對(duì)硅片提供一定的壓力并對(duì)其表面進(jìn)行機(jī)械摩擦。拋光墊技術(shù)進(jìn)步相對(duì)于拋光液要緩慢，發(fā)展方向主要集中在提高工藝能力、降低工藝缺陷方面。在保證平坦化質(zhì)量的前提下，研究拋光墊表面形貌，能為拋光液最大應(yīng)用效能研究提供支撐。

拋光墊

2.設(shè)備組成

CMP設(shè)備主要分為兩部分，即拋光部分和清洗部分，拋光部分由4部分組成，即3個(gè)拋光轉(zhuǎn)盤和一個(gè)圓片裝卸載模塊。清洗部分負(fù)責(zé)圓片的清洗和甩干，實(shí)現(xiàn)圓片的“干進(jìn)干出”。

CMP工藝流程（來源：AMAT公司官網(wǎng)，賽迪顧問）

①拋光部分

CMP設(shè)備是 CMP 技術(shù)應(yīng)用的載體，集摩擦學(xué)、表/界面力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、精密制造、化學(xué)化工、智能控制等多領(lǐng)城最先進(jìn)技術(shù)于一體，是集成電路制造設(shè)備中較為復(fù)雜和研制難度較大的設(shè)備之一。其中拋光部分由拋光頭、研磨盤等組成，分別起到的作用如下：

l拋光頭：通常具有真空吸附裝備用于吸附晶圓，防止晶圓在拋光過程中產(chǎn)生位移，同時(shí)向下施加壓力。

l研磨盤：起到對(duì)晶圓的支撐作用，承載拋光墊并帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)并對(duì)拋光頭壓力大小、轉(zhuǎn)動(dòng) 速度、開關(guān)動(dòng)作等進(jìn)行控制。

根據(jù) Gartner 數(shù)據(jù)，CMP 設(shè)備占半導(dǎo)體設(shè)備投資的比例約為3%。目前CMP設(shè)備兩大廠商AMAT（美國(guó)應(yīng)用材料）及Ebara（日本荏原）占據(jù)著300 mm晶圓的90%以上的市場(chǎng)。此

外國(guó)外還存在KC TECH、東京精密等規(guī)模較小的 CMP 設(shè)備企業(yè)。國(guó)內(nèi)CMP設(shè)備龍頭企業(yè)則是華海清科產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于12寸晶圓加工領(lǐng)域。

2019年各CMP設(shè)備企業(yè)的市場(chǎng)占比圖

②清洗部分

在晶圓制造過程中清洗可以減少雜質(zhì)、提升良率，因此在光刻、刻蝕、薄膜沉積等重復(fù)性工序后，都需要一步清洗工序，清洗步驟約占整體工藝步驟的33%。值得一提的是，200 mm工藝中，CMP后清洗系統(tǒng)可相對(duì)于CMP離線配合應(yīng)用，進(jìn)入300 mm工藝，CMP集成后清洗系統(tǒng)已經(jīng)成為CMP設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)模組。而且隨著制造節(jié)點(diǎn)不斷縮小，清洗效果要求越來越高，對(duì)器件的微結(jié)構(gòu)損傷要求越來越苛刻，如在14 nm節(jié)點(diǎn)，后清洗顆粒的指標(biāo)要求大于30 nm的缺陷顆粒小于10顆。

CMP后的清洗流程中晶圓的表面狀況

目前整個(gè)清洗設(shè)備上游包括氣路系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，中游為清洗設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，下游則應(yīng)用于Foundry廠、IDM廠等。清洗工藝則分為濕法清洗和干法清洗，濕法清洗采用特定的化學(xué)液體，主要包括溶液浸泡法、機(jī)械刷洗法、超聲波清洗法等，干法清洗主要包括等離子清洗、氣相清洗法等，目前 90%以上的清洗步驟為濕法工藝。

③檢測(cè)部分

另外除了以上兩部分外，還需要終點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備，它主要是用于檢測(cè) CMP 工藝是否把材料磨到正確的厚度，避免過薄（未起到拋光作用）及過厚（損失下層材料）帶來的負(fù)面影響，通常使用電性能及光學(xué)兩種測(cè)量方式。

資料來源：

李丹. 化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)、設(shè)備及投資概況[J]. 電子產(chǎn)品世界,2019,26(6):31-34.

童志義. CMP設(shè)備市場(chǎng)及技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備,2000,29(4):11-18. DOI:10.3969/j.issn.1004-4507.2000.04.003.

柳濱,周國(guó)安. 450 mm晶圓CMP設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備,2014(3):33-36,60. DOI:10.3969/j.issn.1004-4507.2014.03.005.

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