2020年半导体原材料行业深度分析(上)

化学机械抛光：主要的平面化工艺

化学机械抛光工艺简介

化学机械抛光是集成电路制造中获得全局平坦化的一种手段，它是专门设计来获得没有划痕和杂质的平坦表面的。与传统的纯机械或纯化学抛光方法不同，化学机械抛光工艺通过表面化学作用和机械研磨技术实现了在微米/纳米级去除晶片表面的不同材料，从而实现了晶片表面的高(纳米级)平面化效果，使下一步的光刻工艺得以进行。

化学机械抛光的主要工作原理是在一定压力和抛光液的作用下，被抛光的晶片相对于抛光垫运动，依靠纳大米磨料的机械研磨作用和各种化学试剂的化学作用的高度有机结合，使被抛光的晶片表面满足高平整度、低表面粗糙度和低缺陷的要求。根据不同工艺和技术节点的要求，每个晶圆在生产过程中会经历几个甚至几十个CMP抛光工艺步骤。

化学机械抛光的主要检测参数包括磨削速度、磨削均匀性和缺陷数量。磨削率是指单位时间内，盘片表面磨削材料的总量。研磨均匀性分为晶圆内研磨均匀性和晶圆间研磨均匀性。晶片中的研磨均匀性是指某个晶片研磨速率的标准方差与研磨速率的比率。晶片之间的研磨均匀性用于指示相同条件下不同晶片的研磨速率的一致性。对于化学机械抛光来说，主要缺陷包括表面颗粒、表面划痕、磨料残留等，这些都会直接影响产品的成品率。

化学机械抛光后器件的材料损耗小于整个器件厚度的10%。也就是说，不仅要有效去除材料，还要准确控制去除率和最终效果。随着器件特征尺寸的缩小，缺陷对工艺控制和最终成品率的影响越来越明显。减少缺陷是化学机械抛光工艺的核心技术要求。

化学机械抛光技术中使用的设备和耗材包括：抛光机、抛光液、抛光垫、化学机械抛光后清洗设备、抛光终点测量和过程控制设备、废物处理和检测设备等。化学机械抛光设备主要分为两部分，即抛光部分和清洗部分。抛光部分由四个部分组成，即三个抛光转盘和一个晶片装卸模块。清洁部分负责清洁和旋转干燥晶片，以实现晶片的“干入和干出”。

抛光垫：化学机械抛光工艺技术的核心

抛光垫是输送和容纳纳浆料的关键部件。在化学机械抛光过程中，抛光垫具有以下功能：

1)抛光液被有效且均匀地输送到抛光垫的不同区域；

2)抛光后的反应物、碎屑等顺利排出，达到去除效果；

3)保持抛光垫表面的抛光液膜，使化学反应充分进行；

4)保持抛光过程稳定，表面不变形，以获得更好的晶圆表面形貌；

根据是否有研磨抛光垫，可以分为研磨抛光垫和非研磨抛光垫。按材质可分为聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、复合抛光垫；根据表面结构，可分为平面抛光垫、栅格抛光垫和螺旋线抛光垫。另外，抛光垫也可以分为硬抛光垫和软抛光垫。

一般来说，硬抛光垫可以保证工件表面的平整度和较高的材料去除率，而软抛光垫可以获得加工变质层和表面粗糙度较小的抛光表面。其中硬抛光垫包括各种粗布垫、纤维织物垫、聚乙烯垫等。而软抛光垫包括各种绒毛垫、聚氨酯垫和细毡垫等。

因为化学机械抛光是基于选择性去除抛光表面凸起材料的工作原理，更硬的抛光垫更有利于材料去除，可以获得更高的平整度，但硬度过高容易造成表面损伤和材料去除不均匀。而软抛光垫可以获得表面粗糙度小、加工变质层的光滑表面，但其接触面容易变形，没有凸峰材料的选择性去除，抛光效率低，平整度差。

抛光垫的物理特性与化学机械抛光的效率和质量密切相关：

(1)抛光垫的硬度很大程度上决定了其保持表面形状精度的能力。较硬的抛光垫有利于获得平整度较好的抛光表面，而较软的抛光垫可以保证良好的表面质量和浅的加工变质层。

(2)抛光垫的弹性模量和剪切模量是影响加工性能的关键因素。高弹性模量的抛光垫接触承载能力强，抛光效率高。剪切模量决定了抛光垫抵抗旋转方向向上力的能力，材料去除速率与其成反比。此外，温度对抛光垫的剪切模量有影响。弹性模量和剪切模量保持能力强的抛光垫使用寿命长，抛光效果好。

(3)抛光垫与晶片表面的结合程度受其压缩性能的影响，抛光效率和加工表面的平整度与此密切相关。

为了达到高抛光效率，抛光垫应该选择性地去除工作表面的凸起部分，并尽可能避免与表面的凹陷部分相互作用。可压缩性好的抛光垫可以避免与凹面接触，选择性去除凸峰材料，抛光效率高。但是抛光垫的可压缩性太大，不利于抛光表面材料的均匀去除，所以压缩性要控制在合适的范围内。

抛光液：化学机械抛光技术中最昂贵的部分

抛光液是一种不含任何硫、磷、氯添加剂的水溶性抛光剂，具有良好的脱脂、防锈、清洁、光亮性能，能使金属制品超过原有光泽。该产品性能稳定，无毒，无环境污染。抛光液的主要产品按主要成分可分为以下几类：金刚石抛光液(聚晶金刚石抛光液、单晶金刚石抛光液)

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