化学机械抛光设备产品生产技术发展趋势分析

第一节 产品生产技术发展现状

1、国外技术现状

应用材料公司于1997年推出其第一台Mirra CMP产品，之后凭借其全球服务和性能保证资源优势从以前CMP设备市场领先的SpeedFam IPEC公司中赢得了市场。该公司通过兼并Obsidian公司增强了其CMP技术的开发实力。应用材料公司的旋转型CMP设备，由于采用了氧化铈(Ce)研磨液，且已具备了对铈研磨液提高研磨液混合比、流量等控制性能的硬件，在STI CMP工艺方面已经成熟。荏原制作所的旋转式抛光机在用于65nm节点的铜／超低k的低压研磨中投入新技术，以电场研磨、蚀刻手法相结合，加入触媒材料使得电解加工成为可能，以电化学反应来研磨(除去)膜层。Novellus公司2002年开发的“Momentum”新式CMP抛光机，采用“APT”硅圆片的经验，将圆片平面从中心部位至外围部位分割成4块进行加压控制。Lam Research公司的CMP设备开发是基于其CMP后清洗设备与技术的基础上起步的，该公司开发的直线型CMP设备，片子固定在抛光头上做自旋转运动。

2、国内技术现状

“十二英寸硅片化学机械抛光机（CMP）β机研发”项目是“十一五”国家科技部重点支持项目，通过项目实施，2011年，45所创造出了20项专利（其中国内发明专利11项，国际发明专利3项）

第二节 产品生产工艺特点或流程

CMP技术的目的是消除芯片表面的高点及波浪形。CMP的基本原理是将圆晶体片在研磨浆(如含有胶体SiO2悬浮颗粒的KOH溶液)的存在下相对于一个抛光垫旋转，并施加一定的压力，借助机械磨削及化学腐蚀作用来完成抛光。

CMP技术所采用的设备及消耗品包括：CMP设备、研浆、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、研浆分布系统、废物处理和检测设备等。其中研浆和抛光垫为消耗品，其余为抛光及辅助设备。CMP工艺是摩擦学、流体力学和化学的结合，因此会受到来自芯片本身和磨抛机械等因素的影响。一个完整的CMP工艺主要由抛光、后清洗和计量测量等操作组成，CMP工艺中的要素包括以下内容：

1、抛光机。其基本组成为一个转动的圆盘和一个圆晶片固定装置。两者都可施力于圆晶片并使其旋转，在研浆(如含有胶状SiO2悬浮颗粒的KOH溶液)的帮助下完成抛光，用一个自动研浆添加系统就可保证抛光垫湿润程度均匀，适当地送入新研浆及保持其成分不变。

2、抛光垫，抛光垫是输送研磨浆的关键部件，它用于将研磨浆中的磨蚀粒子送入片子表面并去除副产品，平坦化的获得是因为圆晶片上那些较高的部分接触抛光垫而被去除。抛光垫的机械性能，如弹性和剪切模量、可压缩性及粗糙度对抛光速度及最终平整度起着重要作用。抛光垫的硬度对抛光均匀性有明显的影响，硬垫可获得较好的模内均匀性(WID)和较大的平面化距离，软垫可改善片内均匀性(WIW)，为获得良好的WID和WIW，可组合使用软、硬垫，在圆片及其固定装置间加一层弹性背膜(backingfilm)，可满足刚性及弹性的双重要求。抛光垫常为含有聚氨基甲酸酯的聚酯纤维毡。抛光垫使用后会逐渐“釉化”，使去除速度下降，用修整的方法可以恢复抛光垫的粗糙面，改善其容纳浆料的能力，从而使去除速度得到维持且延长抛光垫的寿命。因而改进抛光垫、延长其使用寿命从而减小加工损耗是CMP技术的主要挑战之一。

3、研浆。研浆是CMP的关键要素之一，研浆的化学作用在金属CMP中起主要作用，研浆的组成、pH值、颗粒粒度及浓度、流速、流动途径对去除速度都有影响。研浆一般由研磨剂(SiO2、Al2O3等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成，最具代表性的抛光浆液由一个SiO2抛光剂和一个碱性组分水溶液组成，SiO2粒度范围为1~100nm，且非常均匀，SiO2浓度为1.5~50%，碱性组成一般使用KOH、氨或有机胺，pH值为9.5~11。抛光不同的材料所需的抛光浆液组成均不同，在镶嵌W CMP工艺中典型使用铁氰酸盐、磷酸盐和胶体SiO2或悬浮Al2O3粒子的混合物，溶液的pH值在5.0~6.5之间。抛光氧化物的浆料一般以SiO2为磨料，pH值一般控制在pH>10，而抛光金属则以Al2O3作添加剂的基础材料，以便控制粘性和腐蚀及去除副产品，研磨料的性能、分散稳定性对于CMP浆都是很重要的。

4、CMP后清洗。圆晶片经CMP加工后，会有少量浆料残留在片子上，从而影响其表面的质量及下道工序，因而CMP的后清洗是CMP加工的重要部分，其目的是把CMP中的残留粒子和金属沾污减少到可接受的水平。现在对0.35um及以下的CMOS工艺，要求后清洗提供的片子上附着物不多于500个/m*0.12um，碱金属粒子数不大于5*1011原子/cm2。CMP后清洗已成功地使用了湿式化学浴处理、喷射处理、去离子水及NH4OH擦洗、超声及两步抛光等方法，这些方法单用或组合使用。湿式化学处理台、酸处理器、用PVA刷加去离子水擦洗对氧化物CMP后处理特别有效。稀HF作为湿式化学浴处理的一部分可去除大部分粒子和金属玷污，在浸泡时使用超声亦可加强清洗效果。

5、终点检测。CMP设备开发的难点之一就是如何精确控制和检测被抛去的量，在CMP工艺中，必须有性能良好的检测技术，以避免过抛或抛光不足而导致的成品率下降。

6、抛光片的监测抛光片的监测项目主要有：平整度、表面缺陷及损伤情况。

1)、平整度：抛光片的平整度一般用平整度测试仪测试，表面轮廓仪可用于检测氧化层CMP的平面化效果和镶嵌金属CMP的蝶形化和侵蚀程度，AFM用于检查表面微粗糙度也有过报道。

2)、表面缺陷：抛光片的表面宏观缺陷较多，一般有划道、蚀坑、波纹、桔皮、麻点、雾状等，常用激光粒子计数器、TEM、FTIR、TXRF(全反射X射线荧光光谱分析技术)、C-V法等检测表面缺陷。

第三节 国内外生产技术发展趋势分析

随着计算机、通信及网络技术的高速发展，对作为其基础的集成电路的性能要求愈来愈高。集成电路芯片增大而单晶体管元件减小及多层集成电路芯片是发展的必然趋势，使得CMP在集成电路行业的重要性越来越显著，这对CMP技术提出了更高的要求。

1、在CMP设备方面，正在由单头、双头抛光机向多头抛光机发展；结构逐步由旋转运动结构向轨道抛光方法和线形抛光技术方面发展；开发带有多种在线检测装置的设备，如组装声学信号、力学信号、薄膜厚度及抛光浆料性质等在线测量装置，并且结合目前的干进干出要求，将抛光后清洗装置与抛光机集成来进行开发。在CMP抛光浆料方面，关键是要开发新型抛光浆料，特别是复合磨料抛光浆料，使其能提供高的抛光速率、好的平整度、高的选择性以及利于后续清洗过程，以使磨料粒子不会残留在芯片表面而影响集成电路性能。