化学机械平坦化

✍ dations ◷ 2025-08-25 15:43:50 #半导体器件制造,化学工程,半导体物理学

化学机械平坦化 (英语:Chemical-Mechanical Planarization, CMP),又称化学机械研磨(Chemical-Mechanical Polishing),是半导体器件制造工艺中的一种技术,使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理。

CMP技术早期主要应用于光学镜片的抛光和晶圆的抛光。

20世纪70年代,多层金属化技术被引入到集成电路制造工艺中,此技术使芯片的垂直空间得到有效的利用,并提高了器件的集成度。但这项技术使得硅片表面不平整度加剧,由此引发的一系列问题(如引起光刻胶厚度不均进而导致光刻受限)严重影响了大规模集成电路(LSI)的发展。针对这一问题,业界先后开发了多种平坦化技术,主要有反刻、玻璃回流、旋涂膜层等,但效果并不理想。80年代末,IBM公司将CMP技术进行了发展使之应用于硅片的平坦化,其在表面平坦化上的效果较传统的平坦化技术有了极大的改善,从而使之成为了大规模集成电路制造中有关键地位的平坦化技术。

化学机械平坦化是表面全局平坦化技术中的一种,既可以认为是化学增强型机械抛光也可以认为是机械增强型湿法化学刻蚀。该工艺使用具有研磨性和腐蚀性的磨料,并配合使用抛光垫和支撑环。抛光垫的尺寸通常比硅片要大。抛光垫和硅片被一个可活动的抛光头压在一起,而塑料的支撑环则用于保持硅片的位置。硅片和抛光垫同时转动(通常是以相反的方向转),但是它们的中心并不重合。在这个过程中硅片表面的材料和不规则结构都被除去,从而达到平坦化的目的。平面化后的硅片表面使得干式刻蚀中的图样的成型更加容易。平滑的硅片表面还使得使用更小的金属图样成为可能,从而能够提高集成度。

化学机械平坦化是在机械抛光的基础上根据所要抛光的表面加入相应的化学添加剂从而达到增强抛光和选择性抛光的效果。

氧化硅抛光主要被应用于平坦化金属层间淀积的层间介质(ILD),其基本机理是Cook理论。磨料中的水和氧化硅发生表面水合作用,从而使氧化硅的硬度、机械强度等有效降低,在机械力的作用下将氧化硅去除。氧化硅的去除速率主要由Preston方程表达。

金属抛光与氧化硅抛光机理有一定的区别,采用氧化的方法使金属氧化物在机械研磨中被去除。

磨料是平坦化工艺中研磨材料和化学添加剂的混合物,研磨材料主要是石英,二氧化铝和氧化铈,其中的化学添加剂则要根据实际情况加以选择,这些化学添加剂和要被除去的材料进行反应,弱化其和硅分子联结,这样使得机械抛光更加容易。在应用中的通常有氧化物磨料、金属钨磨料、金属铜磨料以及一些特殊应用磨料。台湾主要的厂商有长兴科技公司。

抛光垫通常使用聚亚胺脂(Polyurethane)材料制造,又称聚氨酯抛光垫、抛光阻尼布、氧化铈抛光垫,利用这种多孔性材料类似海绵的机械特性和多孔特性,表面有特殊之沟槽,提高抛光的均匀性,垫上有时开有可视窗,便于线上检测。通常抛光垫为需要定时整修和更换之耗材,一个抛光垫虽不与晶圆直接接触,但使用寿命约仅为45至75小时。在全球不断并购下,目前主要生产厂商为陶氏化学集团(DOW CHEMICALS)及中国龙头合肥宏光研磨科技生产。

CMP设备与晶圆生产中的抛光设备有相似之处(见上图),但集成电路硅片中很多材料的加入以及金属层的增加使得CMP设备不能如同抛光设备那样简单,而需要加入特别的过程获得平坦化的效果。这主要体现在对抛光厚度、抛光速率的检测上,被称作终点检测,通常有电机电流终点检测、光学终点检测。

在抛光工艺过程中,磨料和被抛光对象都会造成硅片的沾污,清洗的主要目的就是为了清除这些沾污物质,使硅片的质量不致受到影响。所采用到的清洗设备有毛刷洗擦设备、酸性喷淋清洗设备、超声波清洗设备、旋转清洗干燥设备等。清洗步骤主要有氧化硅清洗、浅沟槽隔离清洗、多晶硅清洗、钨清洗、铜清洗等。

化学机械抛光主要用于以下几个方面

相关

  • 条是台湾的一种长度单位,可用来量测纸张厚度,或在精密量测、车床加工或数控机床加工中使用。1条等同于0.01毫米(mm),人的头发粗细约100微米,相当于10条。大陆称丝或道,是机械行业中
  • 沙棘沙棘(学名:Hippophae rhamnoides),或作海沙棘,是沙棘属的一种带有棘刺的落叶灌木,原产于亚洲和欧洲的温带、寒温带地区。沙棘可防风固沙,其果实可以食用或用来制作饮料,此外沙棘果在
  • 堪萨斯州奥拉西奥拉西 (Olathe, Kansas;.mw-parser-output .IPA{font-family:"Charis SIL","Doulos SIL","Linux Libertine","Segoe UI","Lucida Sans Unicode","Code2000","Gentium","Genti
  • 萧伯芝萧伯芝,原名尚伯芝,字子玉。明朝武官。万历三十九年(1611年)为盖州卫中所试百户,当时巡按辽东的熊廷弼评价他“束发从戎,矢心灭虏,敢战风云,若壮久防,霜露为劳”,列入推荐名单。万历四
  • 田义祥田义祥(1961年6月-)籍贯不详,中国人民解放军少将。田义祥曾任中国人民解放军总参谋部作战部应急办公室主任。任内曾在2008年汶川大地震期间兼任军队处置突发事件领导小组办公室
  • 色佛尔条约塞夫尔条约(法语:Traité de Sèvres),又译塞夫勒条约、色佛尔条约,是协约国与奥斯曼帝国在1920年8月10日于法国塞夫尔签订的一项条约,属于1919年巴黎和会系列条约的一部分。内容
  • 三大都市圈三大都市圈是一种对国家三个重要都会区的合称,通常是该国发展程度最高的经济核心区域,各都会区的中心都市也是该国内的区域核心。可以指:
  • 陶继侃陶继侃(1913年10月28日-),浙江嘉兴人,经济学家、教育家。陶继侃1931年进入北京大学经济系就读,曾师从知名经济学家赵乃抟。毕业后考入南开大学经济研究所。1937年毕业后,受南开经济
  • 卢卡斯数列卢卡斯数列是斐波那契数和卢卡斯数的推广,以法国数学家爱德华·卢卡斯命名。给定两个整数和,满足:则第一类卢卡斯数列(,)和第二类卢卡斯数列(,)由以下递推关系定义:以及卢卡斯数
  • MatzkaMatzka(玛斯卡)(1982年10月4日-),汉名宋唯农,台湾台东排湾族歌手、音乐创作人、制作人,MATZKA乐团主唱。2011年6月,所在乐队MATZKA凭借专辑《MATZKA》获得第22届金曲奖最佳乐团奖。2