CMP工藝技術淺析

在芯片制造制程和工藝演進到一定程度、摩爾定律因沒有合適的拋光工藝無法繼續(xù)推進之時，CMP技術應運而生，是集成電路制造過程中實現(xiàn)晶圓表面平坦化的關鍵工藝。傳統(tǒng)的機械拋光和化學拋光去除速率均低至無法滿足先進芯片量產(chǎn)需求，而結合了機械拋光和化學拋光各自長處的CMP技術則是目前唯一能兼顧表面全局和局部平坦化的拋光技術，在目前先進集成電路制造中被廣泛應用。如果晶圓（芯片）制造過程中無法做到納米級全局平坦化，既無法重復進行光刻、刻蝕、薄膜和摻雜等關鍵工藝，也無法將制程節(jié)點縮小至納米級的先進領域，因此隨著超大規(guī)模集成電路制造的線寬不斷細小化而產(chǎn)生對平坦化的更高要求和需求，CMP在先進工藝制程中具有不可替代且越來越重要的作用。

圖：先進封裝工藝流程

工作原理

化學機械研磨/化學機械拋光（CMP）與傳統(tǒng)的純機械或純化學的拋光方法不同，CMP工藝是通過表面化學作用和機械研磨的技術結合來實現(xiàn)晶圓表面微米/納米級不同材料的去除，從而達到晶圓表面的高度（納米級）平坦化效應，使下一步的光刻工藝得以進行。它的主要工作原理是在一定壓力下及拋光液的存在下，被拋光的晶圓對拋光墊做相對運動，借助納米磨料的機械研磨作用與各類化學試劑的化學作用之間的高度有機結合，使被拋光的晶圓表面達到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。拋光液和拋光墊是CMP工藝的核心原材料。

核心材料

CMP工藝過程中所采用的設備及消耗品包括：拋光機、拋光液、拋光墊、后CMP清洗設備、拋光終點檢測及工藝控制設備、廢物處理和檢測設備等。其中CMP材料主要包括拋光液、拋光墊、調(diào)節(jié)器、CMP清洗以及其他等耗材，而拋光液和拋光墊占CMP材料細分市場的80%以上，是CMP工藝的核心材料。

1、拋光墊。

在化學機械拋光過程中，拋光墊具有儲存和運輸拋光液、去除加工殘余物質(zhì)、維持拋光環(huán)境等功能。目前的拋光墊一般都是高分子材料，如合成革拋光墊、聚氨醋拋光墊、金絲絨拋光墊等，其表面一般含有大小不一的孔狀結構，有利于拋光漿料的存儲與流動。拋光墊的性能受其材料特性、表面組織、表面溝槽形狀及工作溫度等因素的影響。在這些影響因素中，拋光墊的表面溝槽形狀及寸是拋光墊性能的關鍵參數(shù)之一，它直接影響到拋光區(qū)域內(nèi)拋光液的分布和運動，并且影響拋光區(qū)域的溫度分布。拋光墊也是一種耗材，必須適時進行更換，長時間不更換的拋光墊，被拋光去除的材料殘余物易存留在其中會對工件表面造成劃痕，同時拋光后的拋光墊如果不及時清洗，風干后粘結在拋光墊內(nèi)的固體會對下一次拋光質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2、拋光液。

拋光液又稱“化學機械研磨液”，由納米級研磨顆粒和高純化學品組成，是化學機械拋光工藝過程中使用的主要化學材料?；瘜W機械拋光液的主要原料包括研磨顆粒、各種添加劑和水，其中研磨顆粒主要為硅溶膠和氣相二氧化硅?；瘜W機械拋光液原料中添加劑的種類根據(jù)產(chǎn)品應用需求有所不同，如金屬拋光液中有金屬絡合劑、腐蝕抑制劑等，非金屬拋光液中有各種調(diào)節(jié)去除速率和選擇比的添加劑。半導體行業(yè)作為全球經(jīng)濟增長支柱性產(chǎn)業(yè)，受到國家大力扶持和推進。公司利用打印耗材傳統(tǒng)優(yōu)勢，進軍半導體678行業(yè)中高分子材料細分領域，深耕晶圓制造中的CMP拋光墊、清洗液及柔性OLED屏的PI漿料的開發(fā)與銷售，通過集中資源加速技術開發(fā)和新業(yè)務布局，目前CMP拋光墊已有部分產(chǎn)能投產(chǎn)，將于今年實現(xiàn)量產(chǎn)，全面覆蓋客戶應用的主流制程；PI漿料引入了國內(nèi)首條涂覆烘烤線，將進一步提高公司檢測能力并縮短研發(fā)周期。

相關企業(yè)

華海清科

成立于2013年，主要從事化學機械拋光（CMP）、研磨等設備和配套耗材的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，以及晶圓再生代工服務。公司拋光系列主要產(chǎn)品包括8英寸和12英寸的化學機械拋光（CMP）設備，高端CMP設備的工藝技術水平已在14nm制程驗證中。公司CMP設備主要應用于28nm及以上制程生產(chǎn)線，14nm制程工藝正處于驗證階段。公司研發(fā)的12英寸系列CMP設備（Universal-300型、Universal-300Plus型、Universal-300Dual型、Universal-300X型）在國內(nèi)已投產(chǎn)的12英寸大生產(chǎn)線上實現(xiàn)了批量產(chǎn)業(yè)化應用，8英寸系列CMP設備（Universal-200型、Universal-200Plus型）也已在國內(nèi)集成電路制造商中實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應用。2020年新研發(fā)的3DIC制造用12英寸晶圓減薄拋光一體機Versatile-GP300設備也已進入生產(chǎn)驗證。在晶圓再生業(yè)務方面，公司于2020年起已成功獲得業(yè)務訂單并形成規(guī)?；a(chǎn)?；贑MP設備的銷售和客戶關系，公司也從事CMP設備有關的耗材、配件銷售以及維保等技術服務并形成規(guī)?；N售。

鼎龍股份

鼎龍股份是一家從事集成電路芯片設計及制程工藝材料、光電顯示材料、打印復印通用耗材等研發(fā)、生產(chǎn)及服務的企業(yè)。此外，公司拓展泛半導體材料領域，形成光電半導體材料產(chǎn)業(yè)布局，泛半導體材料業(yè)務主要包括半導體制程工藝材料、半導體顯示材料、半導體先進封裝材料三個板塊，半導體制程工藝材料產(chǎn)品包括CMP拋光墊、拋光液、清洗液三大CMP環(huán)節(jié)核心耗材。在CMP拋光墊方面，公司從2013年開始CMP拋光墊項目的研發(fā)，是國內(nèi)唯一一家全面掌握拋光墊全流程核心研發(fā)和制造技術的CMP拋光墊供應商，已成為部分客戶的第一供應商，在該領域國內(nèi)市場的優(yōu)勢地位已經(jīng)確立；公司也在積極開拓海外市場，經(jīng)過在客戶端驗證，于2021年11月取得首張海外訂單。CMP拋光液方面，公司在Oxide，SiN，Poly，Cu，Al等CMP制程拋光液產(chǎn)品多線布局，客戶端驗證反饋情況良好，部分產(chǎn)品也已通過各項技術指標測試：Oxide制程某拋光液產(chǎn)品已取得小量訂單；Al制程某拋光液產(chǎn)品在28nm技術節(jié)點HKMG工藝中通過客戶驗證，進入噸級采購階段。清洗液方面，公司在Cu制程CMP清洗液實現(xiàn)突破，獲得三家國內(nèi)主流客戶驗證通過，另有3家客戶已進入大規(guī)模驗證階段并取得小量訂單。

安集科技

在化學機械拋光液板塊，公司在用于28nm技術節(jié)點HKMG工藝的鋁拋光液取得重大突破，打破國外廠商壟斷；基于氧化鈰磨料的拋光液實現(xiàn)國產(chǎn)自主供應，目前已在3DNAND先進制程中實現(xiàn)量產(chǎn)并逐步上量；襯底拋光液取得突破性進展，已進入量產(chǎn)的準備階段；公司通過合資成立子公司山東安特納米建立了關鍵原材料硅溶膠的自主可控生產(chǎn)供應能力、通過自研自建的方式持續(xù)加強了氧化鈰顆粒的制備和拋光性能的自主可控能力，推進核心原材料自主可控取得了突破性進展。在功能性濕電子化學品板塊，28nm技術節(jié)點后段硬掩模銅大馬士革工藝刻蝕后清洗液技術實現(xiàn)進口替代，并已在重要客戶上線穩(wěn)定使用；14nm-7nm技術節(jié)點后段硬掩模銅大馬士革工藝刻蝕后清洗液的研究及驗證正在按計劃進行；拋光后清洗液已經(jīng)量產(chǎn)，并應用于12英寸芯片制造；功能性刻蝕液成功建立技術平臺，并開始客戶端驗證。

審核編輯：湯梓紅