CMPPAD及CMP技术应用浅析

2013-06-09

CMP,即Chemical Mechanical Polishing,化学机械抛光。

CMPPAD,即Chemical Mechanical Polishing Pad,化学机械抛光垫。


一、CMP基本原理

从宏观上来说,CMP基本原理是:将旋转的被抛光晶片压在与其同方向旋转的CMPPAD弹性抛光垫上,而抛光浆料在晶片与底板之间连续流动。上下盘高速反向运转,被抛光晶片表面的反应产物被不断地剥离,新抛光浆料补充进来,反应产物随抛光浆料带走。新裸露的晶片平面又发生化学反应,产物再被剥离下来而循环往复,在衬底、磨粒和化学反应剂的联合作用下,形成超精表面。


二、CMP的应用

CMP技术的概念是1965 年由Monsanto 首次提出。该技术最初是用于获取高质量的玻璃表面,如军用望远镜等。1988IBM 开始将CMP 技术运用于4M DRAM 的制造中,而自从1991 IBMCMP 成功应用到64M DRAM 的生产中以后,CMP 技术在世界各地迅速发展起来。区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法,CMP 通过化学的和机械的综合作用,从而避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由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。它利用了磨损中的“软磨硬”原理,即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光。在一定压力及抛光浆料存在下,被抛光工件相对于抛光垫作相对运动,借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合,在被研磨的工件表面形成光洁表面。CMP 技术最广泛的应用是在集成电路(IC)和超大规模集成电路中(ULSI)对基体材料硅晶片的抛光。而国际上普遍认为,器件特征尺寸在0.35 μm 以下时,必须进行全局平面化以保证光刻影像传递的精确度和分辨率,而CMP 是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术,其应用范围正日益扩大。

目前,CMP技术已经发展成以化学机械抛光机为主体,集在线检测、终点检测、清洗等技术于一体的CMP技术,是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物。同时也是晶圆由200mm300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。



三、CMP技术设备及消耗品

CMP,即Chemical Mechanical Polishing,化学机械抛光。CMP技术所采用的设备及消耗品包括:抛光机、抛光浆料、CMPPAD抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。抛光机、抛光浆料和CMPPAD抛光垫是CMP工艺的3大关键要素,其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平。其中抛光浆料和CMPPAD抛光垫为消耗品。



四、CMP过程中的主要问题

抛光浆料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浆料。此外还要考虑易清洗性、对设备的腐蚀性、废料的处理费用及安全性等问题。

降低缺陷是CMP工艺,乃至整个芯片制造的永恒话题。半导体业界对于CMP工艺也有相应的“潜规则”,即CMP工艺后的器件材料损耗要小于整个器件厚度的10%。也就是说slurry不仅要使材料被有效去除,还要能够精准的控制去除速率和最终效果。随着器件特征尺寸的不断缩小,缺陷对于工艺控制和最终良率的影响愈发的明显,致命缺陷的大小至少要求小于器件尺寸的50%


五、CMP的发展前景

以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带第三代半导体材料近年来发展十分迅速,氮化镓(GaN)基半导体材料具有发光效率高、良好的导热率、耐高温、抗辐射、高强度和高硬度等特性,可制成高效蓝、绿光发光二极管和激光二级管(又称激光器)。但氮化镓(GaN)材料本身不能生长出单晶,必须生长在与其结构相类似的衬底材料上。目前国际上公认的衬底材料为蓝宝石晶体。随着氮化镓(GaN)材料市场需求的增长,对蓝宝石的需求也会随之高速增长。

                           

                           CMP抛光示意图