一文了解化学机械抛光CMP设备及工艺技术

一、CMP技术发展及原理

化学机械抛光技术也叫化学机械平坦化技术(Chemical Mechanical Planarization)，CMP是自20世纪90年代以来在集成电路制造过程中最主要的平坦化技术。

传统抛光方法可分为化学抛光和机械抛光两种，化学抛光的表面质量较好，表面粗糙度低、产生破坏深度较浅，但相对的抛光速度很慢且容易产生雾斑。

机械抛光产生的破坏深度则较深，表面质量较差但是加工表面的面型精度较高，这两种抛光技术各有利弊。

CMP是结合两者优点于一身的抛光技术，利用抛光液与工件进行化学反应，软化工件表面，再通过微粒的机械式摩擦去除工件表面反应物，得以进行高效及高表面质量和高面型精度的抛光。

化学机械抛光系统由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的旋转工作台以及抛光液供给装置等三大部分组成，如下图所示。

化学机械抛光过程是使硅片与弹性抛光垫接触并做相对运动，同时抛光液供给系统提供含有磨粒、氧化剂、活化剂的酸性或碱性抛光液，浸润在抛光液中的硅片表面在抛光液的化学腐蚀与磨粒的机械摩擦相互作用下去除材料并达到平坦化。

在化学机械抛光过程中，化学腐蚀所产生的反应层降低了基体材料强度使材料机械去除得以进行，而磨粒与抛光垫的机械作用将加工的基体材料不断暴露出来，使化学腐蚀速度得到提高，从而使材料的去除率比单纯的化学腐蚀与机械加工要高几倍。

二、CMP设备及工艺参数

在化学机械抛光过程中，如果机械性质参数如速度、压力等过大，加工中的机械作用过大，硅片抛光表面易有薄膜剥落、高损伤层及划痕缺陷，材料去除率也将受到影响。

如果化学性质参数，如抛光液腐蚀能力过大，硅片抛光表面易产生腐蚀坑、桔皮状波纹、金属材料的过度蚀刻、金属层凹陷、粗糙度增加等缺陷。

合理调配工艺参数使化学作用与机械作用达到较好的匹配才能获得高的材料去除率及好的抛光表面质量。

CMP过程中的变因很多，它的基本工艺参数调配主要是变化抛光盘转速、夹持器转速和抛光压力、抛光液流量等。

当转速非常高时，抛光压力不能克服流体动力，硅片就会打滑。此时硅片的抛光速率会很低，并且均匀性不好控制。

如果压力加大，抛光盘传动系统将无法克服摩擦力使抛光盘转动而且硅片表面材料去除均匀性会随着压力的过分增大而变差。

常用于作为材料去除率经验公式的Preston方程在低速CMP系统中保持的很好。

抛光液是化学机械抛光过程中的主要耗材，它的性能直接影响抛光表面质量。

抛光液主要由磨粒、酸或碱、超纯水及添加剂等构成，抛光液的配比需要综合考虑材料的去除性能、浆料对设备的腐蚀及浆料成本等。

针对不同的被抛光材料，往往采用不同的抛光液组分。一般情况下当抛光液中的磨粒含量或粒径大小增加时，抛光速率也会相对增加，增加比例过高时，反而会刮伤薄膜表面。

对于碱性抛光液，当值增加时抛光速率也会随之增加，但过快的化学反应作用将降低抛光薄膜的平坦度。

对大多数CMP工艺，抛光液的流量一般为50-125ml/min，通常情况下流量过小将导致抛光速率不稳定，流量过大将增加工艺成本从而降低生产效益。

抛光液研究的最终目的是找到化学作用和机械作用的最佳结合，以致能获得去除速率高、平面度好、膜厚均匀性好及选择性高的抛光液。此外还要考虑稳定性、易清洗性、对设备的腐蚀性、废料的处理费用及安全性等问题。

抛光垫是化学机械抛光过程中的另一重要耗材，其材质为聚合物材料，带有30-50um大小的孔，通常为聚氨脂或聚酯中加入饱和的聚氨酯。

抛光垫的主要功能是将抛光液均匀有效的输送到抛光区域，维持接触表面的抛光液膜，使化学反应充分进行。

同时，抛光垫负责将抛光后的反应物、碎屑等顺利排出，维持抛光区温度稳定等。

按材质和结构的不同，常用抛光垫主要可分为聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、带绒毛结构的无纺布抛光垫及复合式抛光垫四种。

抛光垫的类型、可压缩性、硬度、密度、弹性模量、孔隙率等对抛光质量及抛光速率影响较大。

抛光垫的物理及力学性质都将影响到加工硅片的表面质量及抛光速率，使用较硬的抛光垫可以获得较好的全局平坦度及较高的晶片内均匀性。使用较软的抛光垫可获得较好的表面质量并改善芯片内部的均匀性。

多孔性和表面粗糙度影响抛光液的传输和接触面积，抛光垫越粗糙，则接触面积越大，材料去除率增大，孔隙率增加。

抛光垫储存抛光液的能力增加，材料去除率增加。抛光垫在使用后表面变得光滑，孔隙将被堵塞，使抛光速率下降，必须进行修整来恢复其粗糙度以改善传输抛光液的能力。

三、CMP设备夹持方式介绍

目前，CMP设备厂家普遍通过改进硅片夹持器等措施来减小材料去除非均匀性。

随着硅片尺寸不断增大，特征尺寸不断减小，掩膜层数不断增加，光刻机的焦深变得越来越短，对每一层的全局都提出了更高要求。

化学机械抛光的加工力较小，所以对夹持系统的吸附力大小要求不高，但要求对硅片有较高的平整能力。

目前CMP主要使用的夹持方式有石蜡粘结、水的表面张力吸附、多孔陶瓷式真空吸盘、静电吸盘和薄膜式真空吸盘吸附等方法。

(1)机械夹持与石蜡粘结技术

早期的硅片固定方法有机械式夹钳以及石蜡粘接等机械夹持方法，这种方法容易使硅片发生翘曲变形或者损坏硅片的边缘区域，目前已很少使用。

石蜡粘结方法是另一种使用较早的方法之一。所使用的粘结剂和溶剂对硅片洁净度有很大影响，通常使用的粘结剂是以松脂为主要成分的石蜡，使用三氯乙烯等有机溶剂去蜡。

例如在以黄蜡粘结时，先将硅片置于夹具加热，然后将熔化的黄蜡渗入硅片和夹具之间‚施加一定的压力使石蜡将硅片粘到平整的基板上。

通常需要熔化过滤粘结剂以清除杂质，保证硅片粘结的可靠性。粘结层的存在会对硅片平行度和厚度产生影响。这种方法如果能将石蜡的厚度做的非常均匀，可达到很高的抛光精度，但是石蜡的剥下和清洗时很费时，又要对石蜡过滤，所以效率不是太高。而且实现石蜡层的均匀分布以及去除石蜡中所包含的气泡是不太容易的。

(2)水表面张力吸附夹持技术

与用石蜡粘结类似，利用水的张力固定硅片。具体方法为将网状泡沫聚氨醋布粘在不锈钢基板表面，利用泡沫聚氨酷表面水的张力将硅片吸附住。

用多孔挡板和外圆导向和定位硅片以防止硅片在抛光加工中脱落和滑动。在水中将硅片置于夹具上施加一定压力使硅片与基板紧密结合，然后将夹具置于干燥皿中，直至形成水分子膜。再以熔化的沥青及石蜡等油性物质隔离在硅片的周围进行防水处理。这种方式的夹持精度可达0.1um。

(3)静电吸盘夹持技术

静电吸盘主要在化学气相沉积等真空环境下使用，同时也可以在小尺寸硅片的CMP加工中使用。

在化学气相沉积和干法腐蚀加工中，因为加工环境是真空的，所以真空吸盘无法使用。早期的机械式夹持系统在移动硅片和进行加工时，一方面会对硅片造成污染，另一方面会导致加工中硅片变形，因此在这些加工中一般采用静电吸盘。

静电吸盘作用在吸盘上的力是分散的，没有应力集中产生硅片在吸盘表面也不会发生变形。硅片在运输过程中可以快速移动以提高生产效率。

静电吸盘上世纪70年代，由Wardly首先提出并将其应用于夹持硅片。之后由于静电吸盘其存在很多优点，很多学者和企业研究机构对静电吸盘进行研究，开发出了多种形式的静电吸盘。

主要分为两类：一类是“平板电容式静电吸盘 ” ，单晶硅片本身也被通上高电压，另一类是“整体电极式静电吸盘”，不对硅片直接加压，也无需对硅片通电，但吸附力较小。

静电吸盘对硅片的夹持力的分布并不是固定的。通过在一般环境下对不同介质厚度情况下的夹持力的分布进行测量发现，一般环境下的夹持力比真空条件下减小很多。静电吸盘的夹持力是各种夹持机构中最小的，比较适于对小尺寸的硅片进行夹持，应用范围较窄。

(4)真空吸盘夹持技术

真空吸盘是目前CMP主要的夹持方法，主要有包括普通的多孔陶瓷式真空吸盘，与硅片接触部分为橡胶的真空吸盘，活塞式真空吸盘等。

活塞式真空吸盘又分为单活塞和多活塞两种。另外还可将真空吸盘分为有区域压力调整和无区域压力调整两种。

四、CMP应用领域

化学机械抛光技术广泛应用于半导体制造领域的层间绝缘膜，如金属层间绝缘膜、浅沟道隔离、多晶硅、金属、大马士革等的平坦化，如图所示。

这些工艺是对CMP要求最严格的制程，这些工艺中涉及到多种不同材料，如氧化物、金属、单晶硅、多晶硅等。

在集成电路制造中，绝缘层或隔离材料多采用以CVD方法沉积的氧化硅薄膜。为了保证膜层的平整，过多的沉积材料以CMP方式去除。

浅沟道隔离的抛光对象主要是在刻蚀后的沟槽内以沉积方法形成的氧化硅膜，此时沟槽内的氧化硅膜是多层布线结构中层内电路的绝缘隔离体，如图所示。

在浅沟道隔离工艺中，一般需要比氧化硅膜腐蚀速度慢的停止层材料，如氮化硅。

在沟道电容制造过程中，沉积的氧化硅或氮化硅膜作为沟道电容的绝缘材料，多晶硅作沟道电容的填充材料，而后用去除沟道外多余的多晶硅。

在硅片生产厂，CMP也被用于硅抛光片制备中的最后一道工序，用于去除损伤层的去除及硅片表面的平坦化。此外，CMP还被应用于磷化镍铝镁基板、镜头、薄膜液晶显示器、光学玻璃、导电玻璃、陶瓷、微机电系统抛光等高表面加工要求产品。

好了，关于化学机械抛光CMP的知识就介绍到这儿，欢迎阅读《半导体全解》的其它文章！

参考文献：

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(5)王林 抛光垫微观接触对化学机械抛...除的影响及其跨尺度建模方法[D].