CMP工艺技术浅析

在芯片制造制程和工艺演进到一定程度、摩尔定律因没有合适的抛光工艺无法继续推进之时，CMP技术应运而生，是集成电路制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键工艺。传统的机械抛光和化学抛光去除速率均低至无法满足先进芯片量产需求，而结合了机械抛光和化学抛光各自长处的CMP技术则是目前唯一能兼顾表面全局和局部平坦化的抛光技术，在目前先进集成电路制造中被广泛应用。如果晶圆（芯片）制造过程中无法做到纳米级全局平坦化，既无法重复进行光刻、刻蚀、薄膜和掺杂等关键工艺，也无法将制程节点缩小至纳米级的先进领域，因此随着超大规模集成电路制造的线宽不断细小化而产生对平坦化的更高要求和需求，CMP在先进工艺制程中具有不可替代且越来越重要的作用。

图：先进封装工艺流程

工作原理

化学机械研磨/化学机械抛光（CMP）与传统的纯机械或纯化学的抛光方法不同，CMP工艺是通过表面化学作用和机械研磨的技术结合来实现晶圆表面微米/纳米级不同材料的去除，从而达到晶圆表面的高度（纳米级）平坦化效应，使下一步的光刻工艺得以进行。它的主要工作原理是在一定压力下及抛光液的存在下，被抛光的晶圆对抛光垫做相对运动，借助纳米磨料的机械研磨作用与各类化学试剂的化学作用之间的高度有机结合，使被抛光的晶圆表面达到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。抛光液和抛光垫是CMP工艺的核心原材料。

核心材料

CMP工艺过程中所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光液、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。其中CMP材料主要包括抛光液、抛光垫、调节器、CMP清洗以及其他等耗材，而抛光液和抛光垫占CMP材料细分市场的80%以上，是CMP工艺的核心材料。

1、抛光垫。

在化学机械抛光过程中，抛光垫具有储存和运输抛光液、去除加工残余物质、维持抛光环境等功能。目前的抛光垫一般都是高分子材料，如合成革拋光垫、聚氨醋抛光垫、金丝绒抛光垫等，其表面一般含有大小不一的孔状结构，有利于抛光浆料的存储与流动。抛光垫的性能受其材料特性、表面组织、表面沟槽形状及工作温度等因素的影响。在这些影响因素中，抛光垫的表面沟槽形状及寸是抛光垫性能的关键参数之一，它直接影响到抛光区域内抛光液的分布和运动，并且影响抛光区域的温度分布。抛光垫也是一种耗材，必须适时进行更换，长时间不更换的抛光垫，被抛光去除的材料残余物易存留在其中会对工件表面造成划痕，同时抛光后的抛光垫如果不及时清洗，风干后粘结在抛光垫内的固体会对下一次抛光质量产生影响。

2、抛光液。

抛光液又称“化学机械研磨液”，由纳米级研磨颗粒和高纯化学品组成，是化学机械抛光工艺过程中使用的主要化学材料。化学机械抛光液的主要原料包括研磨颗粒、各种添加剂和水，其中研磨颗粒主要为硅溶胶和气相二氧化硅。化学机械抛光液原料中添加剂的种类根据产品应用需求有所不同，如金属抛光液中有金属络合剂、腐蚀抑制剂等，非金属抛光液中有各种调节去除速率和选择比的添加剂。半导体行业作为全球经济增长支柱性产业，受到国家大力扶持和推进。公司利用打印耗材传统优势，进军半导体678行业中高分子材料细分领域，深耕晶圆制造中的CMP抛光垫、清洗液及柔性OLED屏的PI浆料的开发与销售，通过集中资源加速技术开发和新业务布局，目前CMP抛光垫已有部分产能投产，将于今年实现量产，全面覆盖客户应用的主流制程；PI浆料引入了国内首条涂覆烘烤线，将进一步提高公司检测能力并缩短研发周期。

相关企业

华海清科

成立于2013年，主要从事化学机械抛光（CMP）、研磨等设备和配套耗材的研发、生产、销售，以及晶圆再生代工服务。公司抛光系列主要产品包括8英寸和12英寸的化学机械抛光（CMP）设备，高端CMP设备的工艺技术水平已在14nm制程验证中。公司CMP设备主要应用于28nm及以上制程生产线，14nm制程工艺正处于验证阶段。公司研发的12英寸系列CMP设备（Universal-300型、Universal-300Plus型、Universal-300Dual型、Universal-300X型）在国内已投产的12英寸大生产线上实现了批量产业化应用，8英寸系列CMP设备（Universal-200型、Universal-200Plus型）也已在国内集成电路制造商中实现了产业化应用。2020年新研发的3DIC制造用12英寸晶圆减薄抛光一体机Versatile-GP300设备也已进入生产验证。在晶圆再生业务方面，公司于2020年起已成功获得业务订单并形成规模化生产。基于CMP设备的销售和客户关系，公司也从事CMP设备有关的耗材、配件销售以及维保等技术服务并形成规模化销售。

鼎龙股份

鼎龙股份是一家从事集成电路芯片设计及制程工艺材料、光电显示材料、打印复印通用耗材等研发、生产及服务的企业。此外，公司拓展泛半导体材料领域，形成光电半导体材料产业布局，泛半导体材料业务主要包括半导体制程工艺材料、半导体显示材料、半导体先进封装材料三个板块，半导体制程工艺材料产品包括CMP抛光垫、抛光液、清洗液三大CMP环节核心耗材。在CMP抛光垫方面，公司从2013年开始CMP抛光垫项目的研发，是国内唯一一家全面掌握抛光垫全流程核心研发和制造技术的CMP抛光垫供应商，已成为部分客户的第一供应商，在该领域国内市场的优势地位已经确立；公司也在积极开拓海外市场，经过在客户端验证，于2021年11月取得首张海外订单。CMP抛光液方面，公司在Oxide，SiN，Poly，Cu，Al等CMP制程抛光液产品多线布局，客户端验证反馈情况良好，部分产品也已通过各项技术指标测试：Oxide制程某抛光液产品已取得小量订单；Al制程某抛光液产品在28nm技术节点HKMG工艺中通过客户验证，进入吨级采购阶段。清洗液方面，公司在Cu制程CMP清洗液实现突破，获得三家国内主流客户验证通过，另有3家客户已进入大规模验证阶段并取得小量订单。

安集科技

在化学机械抛光液板块，公司在用于28nm技术节点HKMG工艺的铝抛光液取得重大突破，打破国外厂商垄断；基于氧化铈磨料的抛光液实现国产自主供应，目前已在3DNAND先进制程中实现量产并逐步上量；衬底抛光液取得突破性进展，已进入量产的准备阶段；公司通过合资成立子公司山东安特纳米建立了关键原材料硅溶胶的自主可控生产供应能力、通过自研自建的方式持续加强了氧化铈颗粒的制备和抛光性能的自主可控能力，推进核心原材料自主可控取得了突破性进展。在功能性湿电子化学品板块，28nm技术节点后段硬掩模铜大马士革工艺刻蚀后清洗液技术实现进口替代，并已在重要客户上线稳定使用；14nm-7nm技术节点后段硬掩模铜大马士革工艺刻蚀后清洗液的研究及验证正在按计划进行；抛光后清洗液已经量产，并应用于12英寸芯片制造；功能性刻蚀液成功建立技术平台，并开始客户端验证。

审核编辑：汤梓红