—硅片表面抛光与主流的CMP工艺

—CMP工艺过程及主要的影响因素

—全球及中国CMP设备、材料供应情况

—首届中国半导体大硅片论坛将于年10月25-26日在苏州召开。CMP技术与中国CMP设备、材料发展将是重要议题之一。

—硅片表面抛光与主流的CMP工艺

硅片生产过程中，切片、研磨等加工过程会使得硅片表面形成损伤层，从而形成一定的粗糙度。硅片抛光是硅片生产过程中最终的加工工序，通常利用机械或化学方法提高硅片表面的平整度。硅片在抛光前（研磨片）的粗糙度约为10-20微米，而在抛光后（抛光片）的粗糙度仅为几十纳米。

硅抛光片部分几何尺寸参数

硅片尺寸

2英寸

3英寸

4英寸

5英寸

6英寸

8英寸

12英寸

硅片直径

50.8mm

76.2mm

mm

mm

mm

mm

mm

硅片厚度

um

um

um

um

um

um

um

厚度允许偏差

±20um

±20um

±20um

±15um

±15um

±15um

±20um

总厚度变化

≤8um

≤10um

≤10um

≤8um

≤6um

≤5um

≤2um

弯曲度

≤25um

≤30um

≤40um

≤40um

≤60um

≤65um

≤50um

翘曲度

≤25um

≤30um

≤40um

≤40um

≤50um（70um）

≤50um（70um）

≤50um

总平整度

≤5um

≤6um

≤6um

≤5um

≤5um

≤3um

≤1um

*括号内为背面为多晶且背封时的数值

目前抛光方法主要分为机械抛光、化学抛光和化学机械抛光（CMP）。CMP因为包含了机械与化学方法的双重优点，成为了目前主流的抛光工艺，也是目前唯一的大面积表面平整化工艺。

CMP利用碱与表面的硅（或是SiO2）发生化学反应，生成可溶性的比较疏松的硅酸盐（生成在表面，阻碍深层反应），再通过SiO2胶粒和抛光垫的机械摩擦进行去除，此过程重复多次以实现对硅片的高度抛光。在硅片生产过程中，进行CMP前还需进行化学减薄，在CMP后还须进行后清洗。

CMP工艺所需要的设备和材料主要由：抛光机、抛光液、抛光垫、后清洗设备、其余一些检测设备及废物处理设备。抛光机、抛光液、抛光垫为CMP工艺的三大核心要素，其中抛光液和抛光垫均为消耗品，抛光垫的使用寿命通常为45-75小时。

抛光液分为酸性抛光液和碱性抛光液，是均匀分散胶粒的乳白色胶体，主要起到抛光、润滑、冷却的作用。以碱性SiO2抛光液为例，其成分主要包含研磨剂（SiO2胶粒）、碱、去离子水、表面活性剂、氧化剂、稳定剂等。

（1）SiO2胶粒主要作用是进行机械摩擦并吸附腐蚀产物，要求硬度适当，尺寸在1-nm。

（2）碱性溶液在抛光过程中主要起到腐蚀作用，因避免引入Na+、K+等金属离子，其组成通常是有机胺，其PH值一般为9.4-11.1之间。

（3）氧化剂用于加速腐蚀反应速率，由于Si本身与碱反应速率较慢，而SiO2与碱反应速率较快，氧化剂可以将表层Si进行氧化，从而获得比较快的腐蚀速度。

（4）表面活性剂用于不溶性颗粒，防止胶粒凝聚沉淀。

抛光垫是一种具有一定弹性，疏松多孔的材料，一般是聚亚氨酯类，主要作用是存储和传输抛光液，对硅片提供一定的压力并对其表面进行机械摩擦。利用这种多孔性材料类似海绵的机械特性和多孔特性，表面有特殊的沟槽，提高抛光的均匀性，垫上有可视窗便于检测。通常抛光垫需要定时整修与更换，一个抛光垫虽不与硅片直接接触，但其寿命往往仅为45-75小时。

抛光机按照抛光方式可以分为有蜡单面抛光机、无蜡单面抛光机和无蜡双面抛光机三种。在实际应用中单面抛光效果往往优于双面抛光。

抛光方式

有蜡单面抛光

无蜡单面抛光

无蜡双面抛光

简述

利用蜡将硅片的一面固定粘在陶瓷板上，对另一面进行抛光

利用表面张力将硅片和载体板媳妇在一起，再进行抛光

上下磨盘，中间载体，载体中间的空隙用于放置硅片

优点

抛光效果较好

避免了蜡的污染

避免了蜡的污染

缺点

需要去蜡和清洗工艺

抛光精度略有降低

抛光精度略有降低

适用范围

多用于大硅片

适用于小尺寸硅片

适用于小尺寸硅片

—CMP工艺过程及主要的影响因素

在实际应用中，为了获得高精度、更高平整度的硅片，有时需要进行粗抛光→细抛光→精抛光的多步抛光。

粗抛光

细抛光

精抛光

作用

去除损伤层

平坦化

去雾

抛光液PH值

10-11

10-11

9-10

压力kg/cm2

0.25

0.1

0.05

转速r/min

60

40

30

抛光速率um/min

1.0

0.8

0.3

以有蜡抛光为例，其工艺流程为硅片清洗→原始厚度测量→上蜡粘片→压片→二次厚度测量→化学减薄→研磨→多次抛光→融蜡取片→终点检测→CMP后清洗。

影响抛光效果的因素

设备参数

抛光液参数

抛光垫参数

表面硅薄膜参数

抛光时间

磨粒大小、凝聚度等

硬度

厚度

研磨盘转速

酸碱度

密度

硬度

抛光头转速

氧化剂含量

空隙大小

抛光头摇摆度

表面活性剂含量

弹性

背压

流量

下压力

粘滞系数

—全球及中国CMP设备、材料供应情况

1.CMP抛光机

CMP设备不仅用于硅片平坦化，还是构造集成电路平坦化及多层互连结构的关键工艺设备，是集成电路制造进入0.35微米以下技术节点而引入的工艺技术，用于支撑集成电路制造特征线宽不断微细化对光刻景深的要求，目前CMP已经成为集成电路制造的标准工艺，而国产设备的应用还处于空白状态。

目前全球CMP抛光机主要由AppliedMaterials（美国）、Ebara（日本）、IPECPlanar（美国）、SpeedFam（美国）、LOGITECH（英国）供应，这五家控制了全球80%以上的CMP抛光机市场。如今在国内，电科装备与华清海科研发的CMP设备已经进入中芯国际产线进行验证。

2.CMP抛光液

据SEMI统计，年全球半导体CMP抛光液市场约为13.1亿美元。目前全球半导体抛光浆料市场主要被美国、日本、韩国企业所垄断，包括Cabot、Hitachi、Fujimi、HinomotoKenmazai、杜邦、DOW、Rodel、Eka、ACE，这些企业占据全球90%以上的高端市场份额。

我国市场CMP浆料中低端领域已国产化，但半导体CMP浆料基本依赖进口。

生产企业

地点

产能

浙江新创纳电子科技

嘉兴

0.4t/a

湖北海力天恒纳米科技

湖北

0.2t/a

海讯天津晶岭电子材料科技

天津

0.2t/a

安集微电子

上海

0.2t/a

北京国瑞升科技

北京

0.1t/a

上海新安纳电子科技

上海

0.05t/a

来源：CNCET

3.CMP抛光垫

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，全球市场参与者较少。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90%的市场份额。国外其他生产商有Cabot、Hitachi、台湾智胜科技、日本FujiboHoldings,Inc、韩国KPXChemicalCo.,Ltd.、日本Nitta-HaasIncorporated等。

目前国内进入CMP抛光垫生产或研发的企业有鼎龙股份、江丰电子、安集微电子、苏州观胜科技、安阳方圆研磨材料等。

由亚化咨询联合国际龙头企业和国内协会举办的首届中国半导体大硅片论坛将于年10月25-26日在苏州召开。CMP技术与中国CMP设备、材料发展将是重要议题之一。