CMP：半导体制造工艺的平滑艺术

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-08-13 17:46:58 1001

1、CMP工艺简介

CMP（Chemical Mechanical Polishing）化学机械抛光，是一个将晶圆表面打磨得光滑平整的过程。想象您在打磨一块宝石，除了手工的磨削，您还往上滴几滴特制的药剂，使其快变得光滑，这就是CMP工艺的缩影，它通过化学反应和机械力的配合，将晶圆表磨削到所需的平整度。

图：CMP平坦化前后效果图

CMP结合了化学腐蚀和机磨削的原理，用特殊设计的抛光液和砂轮对晶圆进行处理。这一过程中，化学反应使表面材料软化，而机械磨削则去除软化的材料，从而实现平坦化。

图：CMP工艺在芯片制造工艺中的位置

集成电路的制造过程好比建多层的楼房，每搭建一层楼层都需要让楼层足够平坦齐整，才能在其上方继续搭建另一层楼，否则楼面就会高低不平，影响整体性能和可靠性，而能够有效令集成电路的“楼层”达到纳米级全局平整的技术就是CMP技术，CMP设备则是对硅片/晶圆自动化实施CMP工艺的超精密装备。

2、分类

CMP设备按照晶圆尺寸（也代表技术难度）分为12英寸CMP设备和8英寸 CMP设备。目前全球主流的高端CMP设备均为带7分区抛光头的12英寸 CMP设备。

3、原理和设备构造

CMP设备主要由晶圆传输单元、抛光单元和清洗单元三大主要模块组成。

①晶圆传输单元

晶圆传输单元主要由前端模组、晶圆传输手等部件组成。其中，前端模组负责与工厂的晶圆搬运系统对接，将晶圆搬运至机台内进行加工。晶圆传输手负责晶圆在抛光单元、清洗单元内部及不同加工工位之间的传输。

②抛光单元

在抛光单元中，利用化学腐蚀与机械研磨的协同配合，通过夹持晶圆的研磨头和研磨垫之间的相对运动来实现晶圆表面平坦化。在研磨垫和晶圆之间滴入一定流量的研磨液，利用研磨液中的化学成分产生的腐蚀作用，以及研磨液颗粒产生的机械摩擦力去除晶圆表面的多余材料，实现晶圆全局平坦化。抛光过程中通过研磨头的不同区域同时施加不同压力来调整区域研磨速率，从而优化晶圆表面的全局平坦化程度。同时，运用终点检测技术，实时检测晶圆表面的材料厚度，在达到预定厚度后停止抛光。

③清洗单元

在完成化学机械抛光后，通过清洗单元有效去除晶圆表面的颗粒污染物，并干燥晶圆。清洗单元一般包含兆声清洗模组、刷洗模组及干燥模组等。兆声清洗模组利用兆声波能量及化学液的腐蚀作用实现大颗粒的去除。刷洗模组利用清洗化学品的腐蚀和机械刷洗双重作用去除晶圆表面的强附着力颗粒，并用超纯水冲洗残留的沾污。干燥模组通过高速旋转产生的离心力，异丙醇溶剂产生的马兰戈尼效应去除晶圆表面的水渍，实现晶圆干燥。

4、CMP技术用在哪些场景？

在硅片制造领域，半导体抛光片生产工艺流程中，在完成拉晶、硅锭加工、切片成型环节后，在抛光环节，为了得到平整洁净的抛光片需要通过CMP设备及工艺来实现。

在集成电路制造领域，芯片制造过程按照技术分工主要可分为薄膜淀积、CMP、光刻、刻蚀、离子注入等工艺环节，各工艺环节实施过程中均需要依靠特定类型的半导体专用设备。

如果将芯片制造过程比作建造高层楼房，每搭建一层楼都需要让楼层足够平坦齐整，才能在其上方继续搭建另一层，否则楼面就会高低不平，影响整体性能和可靠性。随着线宽越来越小、层数越来越多，对CMP的技术要求越来越高，CMP工艺的使用频率也越来越高，在先进制程芯片的生产过程中每一片晶圆都会经历几十道的CMP工艺步骤。

在先进封装领域，CMP工艺会越来越多被引入并大量使用，其中硅通孔（TSV）技术、扇出（Fan-Out）技术、2.5D转接板（interposer）、3D IC等将用到大量CMP工艺，这将成为CMP设备除IC制造领域外一个大的需求增长点。

5、CMP发展趋势

1991年，IBM公司*成功将CMP技术应用到芯片生产当中，从多层金属互连开始，CMP设备就成为芯片制造关键和必需设备之一，没有CMP技术，低于0.35μm 技术节点的光刻将无法实施，摩尔定律也无法继续。

随着晶圆尺寸的增长、技术节点不断进步，CMP设备也在不断升级其自身的技术，例如采用更先进的分区压力控制技术和更先进的终点检测技术制造出12英寸CMP 设备来应用于主流的12英寸晶圆大生产线，高端12英寸 CMP 设备中采用7分区抛光头技术，在先进制程领域的鳍式场效应晶体管（FinFET）及硅通孔（TSV）先进封装等工艺中要求CMP设备也需具备更好的平坦化效果、控制精度、系统集成度和后清洗技术。

随着芯片技术节点的持续下降，对CMP设备的平坦化效果、控制精度、系统集成度和后清洗技术要求越来越高。CMP设备也将向着抛光头分区精细化、工艺控制智能化、清洗单元多能量组合化、预防性维护精益化的方向发展。本文参考华海清科公告。

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