芯耀
757
上周我们聊过芯片制造中的刻蚀工艺，将其比作芯片的雕刻大师，今天我们再聊聊半导体制程中的“磨皮大师”--化学机械抛光（CMP）。
半导体工艺的“雕刻大师”-- 聊聊刻蚀工艺的原理和关键点难点
化学机械抛光（CMP）技术作为集成电路制造中关键的全局平坦化手段，其应用与发展对半导体产业进步具有重要意义。
本文将从CMP工艺、抛光机、抛光垫、抛光液四大核心维度，结合技术细节与应用场景展开详细介绍。
一、化学机械抛光（CMP）工艺
1.1 工艺起源与定位
随着大规模集成电路的发展，器件特征尺寸不断缩小，为满足集成电路半导体制造中平坦化技术需求，化学机械抛光技术应运而生，且是目前最常用的全局平坦化技术。
1.2 工艺机理
CMP工艺通过化学过程与物理过程协同作用实现表面平坦化：
?化学过程：研磨液中的化学品和硅片表面发生化学反应，生成比较容易去除的物质，为后续去除步骤奠定基础。
?物理过程：研磨液中的磨粒和硅片表面材料发生机械物理摩擦，将化学反应生成的物质去除，最终实现表面平整。
1.3 工艺优缺点
（1）优点
?避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤，减少了抛光后表面缺陷。
?避免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，兼顾效率与质量。
（2）缺点
?属于新技术，工艺窗口窄，工艺变量控制相对较差，对操作精度要求高。
?厚度及均匀性的控制比较困难，需要加强终点检测以保障抛光效果。
?设备昂贵，增加了生产投入成本。
1.4 工艺应用场景
CMP工艺在集成电路制造中应用广泛，主要包括STI氧化硅抛光、LI氧化硅抛光、LI钨抛光、ILD氧化硅抛光、钨塞抛光、双大马士革铜抛光等，每种应用对应不同的制造环节与功能需求，例如STI氧化硅抛光用于实现器件间的隔离平坦化，双大马士革铜抛光则服务于铜互连结构的精准成型。
STI氧化硅抛光：
双大马士革铜抛光：
二、化学机械抛光机
2.1 核心结构
抛光机主要由磨头、抛光垫、Si片、磨料喷头、转盘、定位环、背膜、真空吸附装置、下压力系统等部件构成，其中带多个磨头的CMP设备是常见类型，各部件协同工作以实现稳定的抛光操作，例如磨头负责固定晶片并施加压力，转盘带动抛光垫转动，磨料喷头持续供给抛光液。
2.2 关键影响参数
CMP工艺效果受多类参数影响，其中抛光机相关的设备参数是重要调控对象，具体分类及内容如下表所示：
| 参数类别 | 具体参数 |
| 设备参数 | 抛光时间、研磨盘转速、抛光头转速、抛光头摇摆度、背压、下压力、粘滞系数 |
| 研磨液参数 | 磨粒大小、磨粒含量、磨粒的凝聚度、酸碱度、氧化剂含量、流量 |
| 抛光垫/背垫参数 | 硬度、密度、空隙大小、弹性、背垫弹性、修整情况 |
| CMP对象薄膜参数 | 种类、厚度、硬度、化学性质、图案密度 |
这些参数共同作用，直接影响抛光效率、表面平整度及加工质量，需根据具体抛光对象与需求进行精准设置。
三、化学机械抛光垫
依抛光皮的材质不同，抛光垫主要分为不织布磨皮、发泡聚氨酯磨皮、阻尼布磨皮三类，不同材质的抛光垫在性能与适用场景上存在差异，可满足不同抛光需求。
3.2 作用机理与开槽设计
（1）作用机理
?研磨对象物在磨皮上方加压移动产生负压，使最初存在磨皮开孔部位的磨液流入磨皮和研磨对象物之间进行研磨，同时抛光垫还具有缓冲效果，对研磨对象物平坦度有一定改善作用。
?磨粒被压入磨皮，通过刮擦作用移除研磨对象物；且抛光垫与研磨对象物实际接触面积小，刮擦作用以外的接触部分由磨粒的冲突作用移除研磨对象物。
（2）开槽设计
?作用：抛光皮开槽能提高抛光皮自身的追从性，其沟槽形状对抛光液的运送及均匀分布、化学反应速度、反应产物及其浓度、材料去除速率会产生重要影响。
?种类：主要包括正螺旋对数型、负螺旋对数型、圆环型、网络型四种，不同类型的开槽适用于不同的抛光场景与需求。
3.3 制造工艺
（1）不织布磨皮制造
将薄状聚酯纤维层叠后，用针反复撞击使纤维结合在一起成为毛毡状，再将其浸在聚氨树脂或乳胶（SBR、NBR等橡胶）中，最后经过切片、抛光处理，完成最终产品制作。
（2）聚氨酯硬质磨皮制造
将聚氨酯预聚物和硬化剂（增链剂）、发泡剂按照规定量混合，注入定型容器中做成块状，然后通过切片机加工成最终片状磨皮。
3.4 性能影响因素
抛光垫的性能受多种因素影响，具体包括：
?硬度：决定抛光皮保持面形精度的能力，硬度不同适用的抛光场景不同。
?压缩比：反映抛光皮的抗变形能力，压缩比合理可保障抛光稳定性。
?涵养量：指单位体积的抛光皮存储抛光液的质量，影响抛光液供给效率。
?粗糙度：即抛光皮表面的凹凸不平程度，对磨粒作用与表面加工质量有直接影响。
?密度：代表抛光皮材料的致密程度，关系到抛光垫的耐用性与研磨效果。
四、化学机械抛光液
4.1 组成成分与作用
抛光液由多种成分组成，各成分功能明确，具体如下：
?磨料：借助机械力，将材料表面经化学反应后的钝化膜去除，实现表面平整化。
?氧化剂：提高抛光效率和表面平整度，加快加工表面形成软而脆的氧化膜。
?分散剂：防止抛光液中的磨料发生聚集现象，保证抛光液的稳定性。
?PH调节剂：调节抛光液PH值，适配不同材料的抛光需求。
?此外，还包含润滑剂、缓蚀剂、稳定剂、去离子水等成分，共同保障抛光液性能与抛光效果。
4.2 基本要求与生产流程
（1）基本要求
抛光液需满足流动性好、不易沉淀和结块、悬浮性能好、无毒、低残留、易清洗的基本要求，以确保在抛光过程中稳定发挥作用，且减少对环境与后续工艺的影响。
（2）生产流程
主要包括配料、预分散、研磨、分散搅拌、过滤、充填包装等环节，每个环节都需严格控制工艺参数，以保障抛光液的成分均匀性与性能稳定性。
4.3 性能影响与市场格局
（1）性能影响
抛光液性能对抛光效果影响显著，磨料的粒径、硬度、形状、浓度、分散性、流动性，氧化剂的氧化性、浓度、种类，抛光液的PH值（酸性适用于金属，碱性适用于硅、氧化物等），分散剂的浓度、种类等，均会影响抛光效率、表面质量与加工稳定性；同时，抛光机参数（如时间、流速、抛头压力、抛头转速、下盘转速、粘度、接触模式、均布方式等）及抛光温度等物理因素，也会与抛光液性能协同作用，共同决定抛光效果。
（2）市场格局
?国外生产厂家：主要有美国Rodel公司、美国Dupon公司、美国Cabot公司、美国Eka公司、美国Ferro公司、日本Fujimi公司、日本Hinomoto公司、韩国ACE公司等，在技术与市场占有率方面具有较强优势。
?国内生产厂家：包括北京国瑞升科技有限公司、上海安集微电子有限公司、深圳力合材料有限公司、天津晶岭电子材料科技有限公司、南通海迅天恒纳米科技有限公司、浙江湖磨抛光模具有限公司、上海杰信抛磨材料有限公司、广东三和研磨材料有限公司等。
?行业现状：抛光液行业主要集中在美国、日本和韩国，虽然国内现已发展到有几十家企业，但抛光液的配方一直是商业机密，无论是产品质量上，还是在市场占有率方面，国内企业都与国外厂家存在相当的差距。
4.4 研发方向与技术挑战
化学机械抛光的抛光液开发主要围绕如何提高抛光性能、如何避免碱金属离子的沾污、如何避免对环境的沾污、如何保持抛光浆液的稳定性、如何保持抛光浆液的适用性等方向展开。
CMP机理还有待进一步研究，化学机械抛光作为一门独立技术，系统的理论还基本未形成，该技术涉及的理论基础覆盖腐蚀电化学、流体力学、磨擦磨损、溶液化学、纳米技术等多个学科，过程机理非常复杂，建立化学机械抛光的抛光过程模型，模拟抛光过程中抛光液中各组分的作用过程及机理，为将来抛光液的开发提供理论依据，是当前面临的重要技术挑战。同时，我国的抛光液生产与国外相比有很大差距，急需高效无污染的抛光液的研究和开发。
完整报告已上传知识星球，更多关于半导体行业市场和技术报告精彩内容，欢迎微信扫码加入星球获取。在这里有志同道合的伙伴，让我们走的更远！
