01 - 什么是硅片？為什么硅片表面如此光滑？

硅片，又稱為晶圓，是制造芯片和各種半導(dǎo)體器件的重要原材料。晶圓通常擁有完美拋光的表面，宛如鏡面或者珠寶，那為什么要將晶圓打磨得如此光滑？晶圓打磨后被切分成一枚枚芯片，制程中反復(fù)將晶圓打磨拋光，是為了滿足生產(chǎn)中的平坦化需要，尤其是光刻過程中的晶圓表面更是要求極致的平坦。

隨著芯片制程的縮小，***的鏡頭要實(shí)現(xiàn)納米級的成像分辨率，需要增大鏡片的數(shù)值孔徑，但同時(shí)會導(dǎo)致焦深下降。要保證光刻圖像清晰，晶圓表面的高低起伏必須落在焦深范圍內(nèi)。因此晶圓表面不夠平坦，厚度不平均，將導(dǎo)致高低處的光刻出現(xiàn)問題。

02- 什么是 CMP 技術(shù)？

芯片廠最主要的拋光技術(shù)叫做化學(xué)機(jī)械研磨或者化學(xué)機(jī)械平坦化，簡稱 CMP。CMP 工藝過程中，晶圓被固定在儀器，面朝下壓在拋光墊上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)打磨，期間注入拋光液，讓晶圓表層充分腐蝕氧化后再物理去除，最終打磨極致光滑的表面。拋光液和拋光墊是 CMP 技術(shù)的核心。

（1）拋光液

拋光液的配方屬于廠商機(jī)密，一般由液態(tài)的刻蝕溶劑、分散劑、ph 調(diào)節(jié)劑和固態(tài)的細(xì)小磨料組成。在研磨過程中，腐蝕性溶液負(fù)責(zé)軟化晶圓表面，因此液體中的各種濕法化學(xué)品的純度、配比和濃度變化的控制都要非常精細(xì)，才能保證穩(wěn)定的腐蝕速度，實(shí)現(xiàn)較高的選擇比。拋光液中的固體磨料用來幫助機(jī)械打磨，定量去除被腐蝕的表面。分散劑是為了防止拋光液中的小顆粒發(fā)生沉降和聚集。

拋光液必須現(xiàn)場調(diào)配，立即使用。通過測量容積或液位實(shí)時(shí)確保各種成分的配比，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)配現(xiàn)磨。先進(jìn)的芯片制程采用非接觸式的稱重計(jì)量法來做配比，采用自動化的高精密稱重模塊來實(shí)現(xiàn)每次 0.5g 的調(diào)配精度。

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配置好的拋光液再通過密度，pH 值等檢測后，在打磨過程中持續(xù)注入，讓液體時(shí)刻保持流動，有效帶走研磨中產(chǎn)生的熱量和碎屑。因此拋光液是一種消耗品，制成越是精密，廢液越難回收。

（2）拋光墊

拋光墊也是一種需要定期更換的耗材。拋光墊一般由多孔結(jié)構(gòu)的高分子材料制成，多孔結(jié)構(gòu)既形成了粗糙的打磨表面，也有利于研磨過程中對拋光液的容納吸收。但隨著使用時(shí)間增長，拋光墊的表面粗糙度會逐漸下降降低打磨性能，還會導(dǎo)致每次研磨的殘余物在孔隙中積累，造成對晶圓造成劃傷。所以拋光墊需要及時(shí)更換，定期維護(hù)。新的拋光墊也需要段時(shí)間的磨合才能達(dá)到均勻的表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)最好的打磨效率和均勻性。

03- CMP 如何引入芯片制造領(lǐng)域？

早在芯片誕生前，CMP 已經(jīng)作為一種精加工手段用于給望遠(yuǎn)鏡鏡片之類的精密儀器做表面拋光處理。和單一材質(zhì)的鏡片相比，芯片的結(jié)構(gòu)更加精密復(fù)雜，且生產(chǎn)過程對于潔凈度的要求非常高，因此盡管 CMP 的打磨效果很好，但由于采用細(xì)顆粒物作為磨料，芯片廠一直不敢采用這種加工工藝。

直到 80 年代，在日本廠商的競爭壓力下，IBM 為了制造多層金屬的芯片，必須要將晶圓的每一層磨得更平，這才嘗試引進(jìn)了 CMP 技術(shù)。在經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后，IBM 逐漸掌握了打磨技巧，并在打磨后結(jié)合濕法清洗，CMP 這才變成芯片制造中非常重要的工藝，很快在半導(dǎo)體到領(lǐng)域被推廣開來。

0.35 微米以下芯片的制程，CMP 已經(jīng)成為各大芯片廠不可缺少的晶圓平坦化技術(shù)。隨著半導(dǎo)體制程越來越小，芯片結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，CMP 工藝也變得越發(fā)重要。90 納米以下，制程 CMP 步驟通常不超過十次，拋光液種類不超過五六種；14 納米以下的制程，CMP 步驟多達(dá) 30 次，拋光液種類超過 20 種。

CMP 技術(shù)也存在許多不足。例如，機(jī)械研磨的過程容易過度打磨，難以保證高選擇比，依賴設(shè)備的終點(diǎn)檢測，旋轉(zhuǎn)拋光容易造成晶圓表面的回旋型套殼偏差，影響后續(xù)光刻的質(zhì)量。當(dāng)未來芯片對于平坦化的要求進(jìn)一步提高，在拋光過程中如何實(shí)現(xiàn)更加嚴(yán)格的污染和精度控制將是 CMP 打磨技術(shù)必須跨越的挑戰(zhàn)。

目前最光滑的人造品是表面粗糙度僅為 0.02 納米的新一代 EUV ***鏡頭的鏡片，使用水流型無影接觸拋光技術(shù)和等離子體撞擊拋光技術(shù)。和 CMP 相比精度高，成本高，打磨效率也有待提高，我們?nèi)栽谄诖痈咝Ь?xì)的研磨和測量技術(shù)的突破和誕生。

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編輯：黃飛

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