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    納米二氧化硅為什么是CMP拋光的寵兒
    發表時間:2021-08-02     閱讀次數:

    化學機械拋光(CMP)是將機械削磨和化學腐蝕組合的技術,它借助超微粒子的研磨作用以及漿料的化學腐蝕作用,在被研磨的介質表面(如單晶硅片、集成電路上氧化物薄膜、金屬薄膜等)上形成光潔的平面,它克服了傳統的化學拋光所具有的拋光速度慢、容易導致拋光霧斑以及機械拋光所具有的易產生機械損傷、拋光精度低的缺點,現已成為半導體加工行業的主導技術。


    硅晶圓


    化學機械拋光作為目前僅有的全局化平坦技術,廣泛應用于藍寶石、集成電路、硬盤、光學玻璃等材料的表面精密加工。隨著半導體行業飛速發展,器件尺寸減小,銅線互聯層數增加,新材料如Ⅲ-V族半導體材料、摻雜氧化物材料和新結構如MEMS、TSV、3D結構和新型納米器件等的出現,對化學機械拋光提出了更多的要求和挑戰。


    CMP設備簡圖


    01磨料在拋光液中的作用

    磨料是CMP漿料中的主要成分,在CMP過程中起到的兩個作用為:(1)機械作用的實施者,起機械磨削作用;(2)傳輸物料的功能,不僅將新鮮漿料傳輸至拋光墊與被拋材料之間,還將反應物帶離材料表面,使得材料新生表面露出,進一步反應去除。選擇磨料時,應優先考慮分散性好,流動性好,硬度適中,易于清洗的磨料。

    02二氧化硅溶膠的優勢

    目前,在CMP工藝中,常用的磨料主要包括二氧化硅溶膠、二氧化鈰和氧化鋁,其中二氧化鈰的優點是其拋光速率快、硬度小、穩定性好,但目前采用的二氧化鈰大都是機械研磨形成的,其顆粒粒徑分散度大,粘度也較大,此外,它拋光時的高低選擇比也比較差,價格也較為昂貴。氧化鋁則因為其硬度較大,對軟質工件進行拋光時易劃傷工件表面,不太適用于較軟質地工件的拋光。而二氧化硅溶膠其膠粒尺寸在1-100nm,其膠粒具有較大的比表面積,高度的分散性和滲透性,因此拋光工件表面的損傷層極微;另外,二氧化硅的硬度和硅片的硬度相近,因此也常用于對半導體硅片的拋光??偟膩碚f二氧化硅溶膠具有粒徑可控、硬度適中、粘度較小、粘附性低、拋光后易清洗等優點。


    不同類型的拋光液(從左到右依次為二氧化硅拋光液、二氧化鈰拋光液和氧化鋁拋光液)


    03研制國產CMP拋光液迫在眉睫

    隨著電子消費市場的不斷擴大,全球CMP市場也在不斷擴大,對CMP消耗品的需求也在不斷增加,而在CMP拋光材料中拋光液的價值量占比無疑是巨大的。然而在全球CMP拋光液市場中,中國起步較晚,安集微電子在全球CMP拋光液的市場占有率也僅有2%。


    2014-2020年全球CMP消耗品市場規模增長圖


    (左)CMP拋光材料價值量占比圖;(右)全球CMP拋光液市場格局圖


    貿易爭端加劇,國內CMP材料企業應抓住國產替代良機。18年中興事件、19年華為被禁等,極大地推動半導體產業鏈國產化進程。以中芯國際為代表的國內下游晶圓制造廠商為了產業鏈安全可控,在半導體材料方面給予了國內企業更多的機會。由于集成電路設備和原材料具有較高的技術要求和較長的認證門檻,CMP拋光液的國產化進程只能采取循序漸進的過程,從小批量送樣開始,逐步過渡到大批量替代,從而完成全部的國產化過程。


    國產替代路徑


    參考來源:

    1)新型CMP用二氧化硅研磨料,劉玉嶺、張建新。

    2)藍寶石襯底的化學機械拋光工藝研究,趙之雯。

    3)納米磨料在二氧化硅介質CMP中的作用分析,檀柏梅、牛新環、時慧玲、劉玉嶺、崔春翔。

    4)化學機械拋光液的發展現狀與研究方向,彭進、夏琳、鄒文俊。

    5)氧化鋁/二氧化硅復合磨料的制備及其CMP性能研究,汪亞軍。

    6)二氧化硅磨粒結構對單晶硅表面微觀去除的影響研究,齊亞瓊。

    7)新型硅基拋光磨料的研究進展,王丹、秦飛、劉衛麗、孔慧、宋志棠、施利毅。

    8)藍寶石晶片化學機械拋光液的研制,李樹榮。

    9)科技創新大時代,半導體CMP核心材料迎來國產化加速期,國信證券經濟研究所。

    10)半導體材料系列報告(3):拋光液/墊:CMP工藝關鍵耗材,中信建投證券研究發展部。




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    來源:中國粉體網



     
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