CMP：半導體制造工藝的平滑藝術

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-08-13 17:41:55 985

1、CMP工藝簡介

CMP（Chemical Mechanical Polishing）化學機械拋光，是一個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，它通過化學反應和機械力的配合，將晶圓表磨削到所需的平整度。

圖：CMP平坦化前后效果圖

CMP結合了化學腐蝕和機磨削的原理，用特殊設計的拋光液和砂輪對晶圓進行處理。這一過程中，化學反應使表面材料軟化，而機械磨削則去除軟化的材料，從而實現平坦化。

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，才能在其上方繼續搭建另一層樓，否則樓面就會高低不平，影響整體性能和可靠性，而能夠有效令集成電路的“樓層”達到納米級全局平整的技術就是CMP技術，CMP設備則是對硅片/晶圓自動化實施CMP工藝的超精密裝備。

2、分類

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

3、原理和設備構造

CMP設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，前端模組負責與工廠的晶圓搬運系統對接，將晶圓搬運至機臺內進行加工。晶圓傳輸手負責晶圓在拋光單元、清洗單元內部及不同加工工位之間的傳輸。

②拋光單元

在拋光單元中，利用化學腐蝕與機械研磨的協同配合，通過夾持晶圓的研磨頭和研磨墊之間的相對運動來實現晶圓表面平坦化。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成分產生的腐蝕作用，以及研磨液顆粒產生的機械摩擦力去除晶圓表面的多余材料，實現晶圓全局平坦化。拋光過程中通過研磨頭的不同區域同時施加不同壓力來調整區域研磨速率，從而優化晶圓表面的全局平坦化程度。同時，運用終點檢測技術，實時檢測晶圓表面的材料厚度，在達到預定厚度后停止拋光。

③清洗單元

在完成化學機械拋光后，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液的腐蝕作用實現大顆粒的去除。刷洗模組利用清洗化學品的腐蝕和機械刷洗雙重作用去除晶圓表面的強附著力顆粒，并用超純水沖洗殘留的沾污。干燥模組通過高速旋轉產生的離心力，異丙醇溶劑產生的馬蘭戈尼效應去除晶圓表面的水漬，實現晶圓干燥。

4、CMP技術用在哪些場景？

在硅片制造領域，半導體拋光片生產工藝流程中，在完成拉晶、硅錠加工、切片成型環節后，在拋光環節，為了得到平整潔凈的拋光片需要通過CMP設備及工藝來實現。

在集成電路制造領域，芯片制造過程按照技術分工主要可分為薄膜淀積、CMP、光刻、刻蝕、離子注入等工藝環節，各工藝環節實施過程中均需要依靠特定類型的半導體專用設備。

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，才能在其上方繼續搭建另一層，否則樓面就會高低不平，影響整體性能和可靠性。隨著線寬越來越小、層數越來越多，對CMP的技術要求越來越高，CMP工藝的使用頻率也越來越高，在先進制程芯片的生產過程中每一片晶圓都會經歷幾十道的CMP工藝步驟。

在先進封裝領域，CMP工藝會越來越多被引入并大量使用，其中硅通孔（TSV）技術、扇出（Fan-Out）技術、2.5D轉接板（interposer）、3D IC等將用到大量CMP工藝，這將成為CMP設備除IC制造領域外一個大的需求增長點。

5、CMP發展趨勢

1991年，IBM公司*成功將CMP技術應用到芯片生產當中，從多層金屬互連開始，CMP設備就成為芯片制造關鍵和必需設備之一，沒有CMP技術，低于0.35μm 技術節點的光刻將無法實施，摩爾定律也無法繼續。

隨著晶圓尺寸的增長、技術節點不斷進步，CMP設備也在不斷升級其自身的技術，例如采用更先進的分區壓力控制技術和更先進的終點檢測技術制造出12英寸CMP 設備來應用于主流的12英寸晶圓大生產線，高端12英寸 CMP 設備中采用7分區拋光頭技術，在先進制程領域的鰭式場效應晶體管（FinFET）及硅通孔（TSV）先進封裝等工藝中要求CMP設備也需具備更好的平坦化效果、控制精度、系統集成度和后清洗技術。

隨著芯片技術節點的持續下降，對CMP設備的平坦化效果、控制精度、系統集成度和后清洗技術要求越來越高。CMP設備也將向著拋光頭分區精細化、工藝控制智能化、清洗單元多能量組合化、預防性維護精益化的方向發展。本文參考華海清科公告。

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