CMP技術(shù)概述

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP，Chemical Mechanical Polishing）作為一種關(guān)鍵的半導(dǎo)體制造工藝，近年來(lái)隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其重要性日益凸顯。CMP通過(guò)化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓表面的超精密平坦化處理，是先進(jìn)制程（如7nm、5nm及以下）中不可或缺的技術(shù)。

CMP技術(shù)平坦化處理對(duì)晶片表面影響示意圖 圖源：公開(kāi)網(wǎng)絡(luò)

CMP的平坦化機(jī)理

1、基本原理

CMP的平坦化過(guò)程是通過(guò)化學(xué)腐蝕和機(jī)械研磨的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的。具體步驟如下：

化學(xué)反應(yīng)層的形成：

拋光液中的化學(xué)試劑（如酸性或堿性溶液）與晶圓表面的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一層較軟的化學(xué)反應(yīng)層。例如，在銅CMP過(guò)程中，氧化劑（如過(guò)氧化氫）會(huì)將銅氧化成氧化銅（CuO），形成一層氧化層。這層化學(xué)反應(yīng)層比原始材料更軟，更容易被機(jī)械研磨去除。

機(jī)械研磨去除：

拋光墊上的磨料顆粒（如二氧化硅、氧化鋁等）在拋光墊的壓力作用下，與晶圓表面接觸，通過(guò)物理磨損的方式去除化學(xué)反應(yīng)層。

拋光過(guò)程中的壓力和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)研磨效率和表面質(zhì)量有重要影響。較高的壓力和速度可以提高去除速率，但可能會(huì)增加表面粗糙度。

表面平坦化:

通過(guò)化學(xué)和機(jī)械作用的協(xié)同作用，晶圓表面的凹凸不平被逐漸去除，最終實(shí)現(xiàn)平坦化的表面。化學(xué)反應(yīng)層被去除后，新的材料表面暴露出來(lái)，重復(fù)上述化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械研磨過(guò)程，直到達(dá)到所需的平坦化效果。

2、影響平坦化效果的因素

化學(xué)因素:拋光液成分、化學(xué)反應(yīng)速率等。

機(jī)械因素:拋光墊特性、磨料顆粒特性、壓力、旋轉(zhuǎn)速度等。

工藝參數(shù):溫度、拋光時(shí)間等。

CMP的市場(chǎng)規(guī)模與需求分析

1、當(dāng)前市場(chǎng)規(guī)模

2023年市場(chǎng)規(guī)模：全球CMP材料市場(chǎng)規(guī)模約為25億美元。

其中，拋光液占比最大，約為60%，拋光墊占比約為30%，其他材料（如清洗液、添加劑等）占比約為10%。

2024年第一季度市場(chǎng)規(guī)模：全球CMP材料市場(chǎng)規(guī)模約為7億美元，同比增長(zhǎng)約10%。

主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自半導(dǎo)體制造業(yè)的持續(xù)擴(kuò)張，尤其是先進(jìn)制程和新型材料（如金剛石、碳化硅、氮化鎵等）的需求增加。

2、需求分析

半導(dǎo)體制造業(yè)的需求：CMP工藝是半導(dǎo)體制造中不可或缺的步驟，尤其是在晶圓平坦化、多層金屬布線、先進(jìn)封裝等領(lǐng)域。

隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步，對(duì)CMP工藝的平坦化精度和材料去除速率要求越來(lái)越高。

先進(jìn)制程的需求：先進(jìn)制程（如7nm、5nm及以下）對(duì)CMP工藝的需求尤為迫切，因?yàn)檫@些制程對(duì)表面平坦化和缺陷控制的要求極高。

新型材料的需求：金剛石、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等新型半導(dǎo)體材料的應(yīng)用增加，對(duì)CMP工藝提出了新的挑戰(zhàn)和需求。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

高精度平坦化:CMP技術(shù)將朝著更高的平坦化精度和更低的表面粗糙度方向發(fā)展，以滿足先進(jìn)制程的需求。

新材料應(yīng)用:開(kāi)發(fā)新的拋光液和拋光墊，以適應(yīng)金剛石、碳化硅、氮化鎵等新型材料的需求。

環(huán)保和可持續(xù)性:開(kāi)發(fā)更環(huán)保的拋光液和回收利用拋光墊等，推動(dòng)CMP技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

CMP作為半導(dǎo)體制造中的關(guān)鍵工藝，其平坦化機(jī)理通過(guò)化學(xué)和機(jī)械作用的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，CMP的市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，需求不斷增加。未來(lái)，CMP技術(shù)將朝著高精度、新材料應(yīng)用和環(huán)保可持續(xù)的方向發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將持續(xù)增長(zhǎng)。