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CMP抛光垫生产现状

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CMP抛光垫生产现状
Prepared on 24 November 2020
CMP抛光垫
化学机械抛光（CMP），目前已成为公认的纳米级全局平坦化精密超精密
加工技术。CMP技术将磨粒的机械研磨作用与氧化剂的化学作用有机地结合起
来，可实现超精密无损伤表面加工，满足集成电路特征尺寸在μm以下的全局
平坦化要求。
图1 晶圆制造过程
CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光浆料、抛光垫、后
CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。抛光
机、抛光浆料和抛光垫是CMP工艺的3大关键要素，其性能和相互匹配决定
CMP能达到的表面平整水平。其中抛光浆料和抛光垫为消耗品。通常一个抛光
垫使用寿命约仅为45至75小时。
图2 CMP工作系统
CMP抛光垫，又称CMP研磨垫，英文名为CMP Pad，主要用于半导体和
蓝宝石等方面。CMP抛光垫由含有填充材料的聚氨酯材料组成，用来控制毛垫
的硬度。抛光垫的表面微凸起直接与晶片接触产生摩擦，以机械方式去除抛光
层在离心力的作用下，将抛光液均匀地抛洒到抛光垫的表面，以化学方式去除
抛光层，并将反应产物带出抛光垫。抛光垫的性质直接影响晶片的表面质量，
是关系到平坦化效果的直接因素之一。
CMP是提供超大规模集成电路制造过程中表面平坦化的一种新技术，于
1965年首次由美国的Monsanto提出，最初是用于获取高质量的玻璃表面。自
从1991年IBM将CMP成功应用到64M DRAM的生产中以后，CMP技术在世
界各地迅速发展起来。区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法，CMP通过化
学的和机械的综合作用，从而避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯
化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。它利用了
磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛
光。在一定压力及抛光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫作相对运动，借
助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合，在被研磨的工
件表面形成光洁表面。CMP技术最广泛的应用是在集成电路（IC）和超大规模
集成电路中（ULSI）对基体材料硅晶片的抛光。而国际上普遍认为，器件特征
尺寸在μm以下时，必须进行全局平面化以保证光刻影像传递的精确度和分辨
率，而CMP是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术，其应用范围正日益
扩大。
目前全球生产半导体抛光垫的企业主要是陶氏（罗门哈斯），其垄断了集
成电路芯片所需抛光垫约79%的市场份额。国外其他生产商有美国卡博特、日
本东丽、台湾智胜科技有限公司、日本Fujibo Holdings, Inc、韩国KPX
Chemical Co., Ltd.、日本Nitta-Haas Incorporated等。
国内企业在化学机械抛光领域起步较晚，目前与国际先进水平仍有较大差
距，国内有少数企业采用国外公司主要是3M技术少量生产中低端产品，但缺
乏独立自主知识产权和品牌，庞大的国内市场完全被外资产品所垄断。
美国、日本、德国和韩国的抛光垫相关专利申请量在2003~2006年达到高
峰，我国相关专利申请项自2000年起步，2003年开始呈现稳步增长态势，表
明我国在化学机械抛光技术领域的研发力度逐渐增强，在半导体特征尺寸逐渐
向小型化方向发展的态势下，在加工过程中需要对化学机械平坦化过程进行监
控，我国中芯国际率先取得突破，提出了涉及化学机械抛光终点侦测装置和方
法。2016年8月湖北鼎龙控股股份有限公司采用自主技术建设的一期10万片/
年项目投产，2017年底进入芯片客户系统，标志着我国自主技术CMP垫真正
进入芯片市场。到目前为止，我国已经有近10家生产商。
我国半导体用CMP垫片主要生产企业情况 单位：万片/年
此外，湖北鼎龙控股股份有限公司计划建设二期40万片/年项目；2016年
11月，宁波江丰电子材料股份有限公司和美国嘉柏微电子材料股份有限公司正
式宣布就半导体集成电路化学机械研磨用（CMP）抛光垫项目进行合作；2017
年12月投产的苏州观胜半导体科技有限公司也有进一步扩能的计划。
以中美贸易争端为契机，预计未来几年我国半导体产业将飞速发展，处于
短板的相关材料产业也将迎来国产化机遇。
根据国际半导体协会（SEMI）发布的报告预计，2020年之前全球将新建
62座晶圆厂，而中国大陆地区将占26座。晶圆建厂浪潮将拉动CMP抛光垫需
求激增。合格的国产材料将具有明显的价格和服务等优势，由中国大陆地区引
领的建厂热潮有望驱动国内半导体材料厂商加速发展，CMP抛光垫作为半导体
核心材料之一，国产化进度有望提速。
目前CMP垫基材为聚氨酯，生产工艺主要为聚醚多元醇（或聚酯型多元
醇、聚丙烯醚二醇等）真空脱水后，加入异氰酸酯，制备预聚体。部分多元醇
加入扩链剂、发泡剂、各种助剂、抛光粉，混合搅拌发泡后加入预聚体重，注
入模具，然后冷却、切片。
我国半导体产值约占世界总产值的五分之一，而且保持继续增长的态势。
但是我国在许多关键材料方面近乎空白，存在巨大风险。我国CMP抛光垫对外
依赖率为%，也属于高风险产品。抛光垫作为抛光工艺的技术核心和价值核
心，技术壁垒高、认证时间久，更是我国必须发展自有生产技术的产品，其战
略意义不可估量。

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半导体-第十四讲-CMP

半导体-第十四讲-CMP

抛光压力：在抛光过程中，压力必须分布均匀，会造成表面各 点的抛光速率不同，引起缺陷
抛光液流量：如果抛光液流量过低,不能及时带走抛光下来的化 学反应物, 如果抛光液流量过高，不经济
抛光时间：为防止过抛,根据去除率选择抛光时间,一般为1一3 分钟
抛光液
抛光液的成分决定着抛光液的性能,抛光液中 的化学成分主要用于加强抛光去除率及钝化保护 凹处。影响其成分的主要因素有络合剂、表面活 性剂、氧化剂、pH值、磨料
表面材料与磨料发生化学反应生成一层 相对容易去除的表面层，这一表面层通过磨 料中的研磨剂和研磨压力与抛光垫的相对运 动被机械地磨去。
在化学机械研磨的处理过程中，晶片表面薄膜与研磨剂， 研磨垫相互运动的机制里，包含了机械与化学作用。因此 在同样的机台下，配合晶片表面薄膜的材料特性。可能需 要不同的研磨剂与研磨垫的组合，才能获取工艺的最佳状 况。然而从实际生产的角度而言，主要的应用是在晶片后 段工艺介质膜的平坦化。
为了满足上述工艺的目标，第一代CMP机台功能已 具备：(1)以热交换系统，控制研磨平台的常温状 况；(2)精确控制与均匀的晶片施压；(3)精确控 制旋转速率；(4)维持机台乾净；(5)晶片装卸自 动化。最早完成的商品化设备为IPEC／Westech 372系列产品。此372系列可略分为9种功能：(1) 电脑监控及显示；(2)研磨剂帮浦与流量控制；(3) 研磨平台及排放：(4)卸晶片区：(5)上晶片区； (6)载具清洁区：(7)研磨垫整容器：(8)主臂驱动 装置；(9)研磨主旋臂。IPEC／Westech因为成功 开发出这种化学机械抛光设备，在1995年时拥有 全球75％以上市场。
对于钨CMP工艺，氧化铝(矾土)是最常用的 研磨料，由于它比其他大多数研磨料都更 接近于钨的硬度。钨通过不断的，自限制 的钨表面的氧化和随之以后的机械研磨被 去除。这种膏剂形成含水钨氧化物，被数 量级为200nm的氧化铝颗粒选择性去除。已 经表明，对于典型的CVD钨，当膜变薄时去 除速率增加。这与钨晶粒尺寸的改变相关。
CMP在非金属平坦化中的应用

CMP在非金属平坦化中的应用

由于IC 产业的快速发展, 加上线宽的进一步缩小, 使得晶片表面的高低起伏严重影响了制程技术的可靠性。

由于晶片表面层的高低起伏, 所以我们每沉积一层薄膜, 会使得表面的起伏变得更大, 这种情况如果一直继续下去, 到表面金属层时, 在制程上会发生两个大问题：一方面，在镀上金属膜时, 凹陷下去的部分和其它地方的厚度不均匀, 在此处，由于横截面积的减小，根据R=PL/S,会引起电阻值增高, 另外，因为电子迁移而容易造成线路断路, 会造成元件具的可靠性很差。

另一方面, 如果在这种凸凹不平的表面上涂覆光阻,在光阻显影时, 会因为光阻深度不一, 造成用来显影的光线在聚焦时,无法得到良好的解析度。

通常线宽越窄, 对解析度的要求越高, 便需要提供愈短的距离来聚焦, 这个距离称为聚焦深度。

在CMP（Chemical Mechanical Planarization 化学机械平坦化）平坦工艺出现之前, 集成电路工艺常用的平坦化方法包括:热流法(Thermal flow )、旋涂式玻璃法(s Pin o n G la ss)、回蚀法(E te hB ac k)、电子环绕式共振法(Ele e tro n C yelo -tro n R e s o n a n e e )。

通过上述工艺方法只能获得晶片的局部平坦化。

而国际上普遍认为，器件特征尺寸在0.35 5m以下时，必须进行全局平面化以保证光刻影像传递的精确度和分辨率，而CMP是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术，它能够将整个晶片上的高低起伏全部磨成理想的厚度。

这是这也是目前许多半导体厂在他们的制程中大量采用C MP抛光法的最大原因。

简单而言, CMP抛光工艺就是在一定压力及抛光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫作相对运动，借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合，在被研磨的工件表面形成光洁表面。

CMP制程中最重要的两大组件便是浆料和研磨垫。

浆料通常是将一些很细的氧化物粉末(粒径人约在5 0nm ) 分散在水溶液中而制成。

化学机械抛光工艺(CMP)全解

化学机械抛光工艺(CMP)全解

化学机械抛光液（CMP）氧化铝抛光液具体添加剂摘要：本文首先定义并介绍CMP工艺的基本工作原理，然后，通过介绍CMP系统，从工艺设备角度定性分析了解CMP的工作过程，通过介绍分析CMP工艺参数，对CMP作定量了解。

在文献精度中，介绍了一个SiO2的CMP平均磨除速率模型，其中考虑了磨粒尺寸，浓度，分布，研磨液流速，抛光势地形，材料性能。

经过实验，得到的实验结果与模型比较吻合。

MRR 模型可用于CMP模拟，CMP过程参数最佳化以及下一代CMP设备的研发。

最后，通过对VLSI 制造技术的课程回顾，归纳了课程收获，总结了课程感悟。

关键词：CMP、研磨液、平均磨除速率、设备Abstract：This article first defined and introduces the basic working principle of the CMP process, and then, by introducing the CMP system, from the perspective of process equipment qualitative analysis to understand the working process of the CMP, and by introducing the CMP process parameters, make quantitative understanding on CMP.In literature precision, introduce a CMP model of SiO2, which takes into account the particle size, concentration, distribution of grinding fluid velocity, polishing potential terrain, material performance.After test, the experiment result compared with the model.MRR model can be used in the CMP simulation, CMP process parameter optimization as well as the next generation of CMP equipment research and development.Through the review of VLSI manufacturing technology course, finally sums up the course, summed up the course.Key word: CMP、slumry、MRRs、device1.前言随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸缩小，要求晶片表面平整度达到纳米级。

CMP抛光材料关键工艺及材料成本

CMP抛光材料关键工艺及材料成本

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CMP是芯片制造的关键技术，根据不同工艺制程和技术节点的要求，每一片晶 圆在生产过程中都会经历几道甚至几十道的CMP抛光工艺步骤，主要用于硅片及硅 片以上金属层、层间介质层（ILD）和其他结构的表面平坦化。
硅片平坦化：在集成电路生产中，最小特征尺寸小于0.35μm芯片的硅片表面必 须进行全局平坦化，否则会对刻蚀的精确度和效率产生影响，导致接触不良，漏电 ， 电子转移等问题。CMP是目前唯一能实现全局平坦化的技术（其他技术只能做 到局 部平坦化），是芯片制造的关键技术。 图2：平坦化工艺前后的器件表面对比
硅片上的金属层、层间介质层（ILD）和其他结构：芯片的金属层和层间介质层 （ILD）数量会随工艺进步而增加,130nm芯片包含六层金属,而5nm芯片预期至少会 有14层金属，每层金属之间沉积有一层层间介质层（ILD），隔离上下两层金属层， 最底部层间介质层（IDL）以下还可能存在钨塞、浅槽隔离层(STI)、硅通孔（TSV） 等结构。这些金属层、层间介质层和其他结构表面都需要使用CMP进行平坦化处理。 根据杜邦披露，目前7nm以下逻辑芯片中CMP抛光步骤约三十步，最先进芯片可达 四十二步。
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图3：晶圆内部金属层、层间介质层（ILD）和其他结构均需使用CMP工艺
表1：金属层、氧化物层和硅片表面处理均需使用CMP
CMP 应用领域
应用的芯片
铜及铜阻挡层
Logic、3D NAND、DRAM
金属层
钨及钨阻挡层
3D NAND、DRAM、部分Logic
铝
Metal gate（28nm及以下）
钴
10nm以下芯片
CMP 抛光是晶圆平坦化的关键工艺
CMP即化学机械抛光，是通过表面化学腐蚀和机械研磨的技术结合来实现晶圆 表面微米/纳米级不同材料的去除，从而达到晶圆表面的高度（纳米级）平坦化效应。 CMP工作原理是在一定压力下及抛光液的存在下，被抛光的晶圆对抛光垫做相对运 动，借助纳米磨料的机械研磨作用与各类化学试剂的化学作用之间的高度有机结 合， 使被抛光的晶圆表面达到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。 图1：CMP工艺原理图