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        梅特勒托利多小課堂:為什么晶圓表面需要極度平坦?

        發布時間:2023-01-09 來源:中國自動化網 類型:行業資訊 人瀏覽
        關鍵字:

        半導體 控制 過程

        導  讀:

        硅片,又稱為晶圓,是制造芯片和各種半導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,制程中反復將晶圓打磨拋光,是為了滿足生產中的平坦化需要,尤其是光刻過程中的晶圓表面更是要求極致的平坦??刂?

        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,制程中反復將晶圓打磨拋光,是為了滿足生產中的平坦化需要,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,光刻機的鏡頭要實現納米級的成像分辨率,需要增大鏡片的數值孔徑,但同時會導致焦深下降。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。因此晶圓表面不夠平坦,厚度不平均,將導致高低處的光刻出現問題。

        02- 什么是 CMP 技術?

        芯片廠最主要的拋光技術叫做化學機械研磨或者化學機械平坦化,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行旋轉打磨,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 技術的核心。

        (1)拋光液

        拋光液的配方屬于廠商機密,一般由液態的刻蝕溶劑、分散劑、ph 調節劑和固態的細小磨料組成。在研磨過程中,腐蝕性溶液負責軟化晶圓表面,因此液體中的各種濕法化學品的純度、配比和濃度變化的控制都要非常精細,才能保證穩定的腐蝕速度,實現較高的選擇比。拋光液中的固體磨料用來幫助機械打磨,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生沉降和聚集。

        拋光液必須現場調配,立即使用。通過測量容積或液位實時確保各種成分的配比,實現現配現磨。先進的芯片制程采用非接觸式的稱重計量法來做配比,采用自動化的高精密稱重模塊來實現每次 0.5g 的調配精度。

        * 高精度稱重解決方案

        * 耐顆粒物、耐腐蝕的 pH 傳感器系列

        配置好的拋光液再通過密度,pH 值等檢測后,在打磨過程中持續注入,讓液體時刻保持流動,有效帶走研磨中產生的熱量和碎屑。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構的高分子材料制成,多孔結構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更換,定期維護。新的拋光墊也需要段時間的磨合才能達到均勻的表面粗糙度,實現最好的打磨效率和均勻性。

        03- CMP 如何引入芯片制造領域?

        早在芯片誕生前,CMP 已經作為一種精加工手段用于給望遠鏡鏡片之類的精密儀器做表面拋光處理。和單一材質的鏡片相比,芯片的結構更加精密復雜,且生產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,這才嘗試引進了 CMP 技術。在經過多次實驗后,IBM 逐漸掌握了打磨技巧,并在打磨后結合濕法清洗,CMP 這才變成芯片制造中非常重要的工藝,很快在半導體到領域被推廣開來。

        0.35 微米以下芯片的制程,CMP 已經成為各大芯片廠不可缺少的晶圓平坦化技術。隨著半導體制程越來越小,芯片結構越來越復雜,CMP 工藝也變得越發重要。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 30 次,拋光液種類超過 20 種。

        CMP 技術也存在許多不足。例如,機械研磨的過程容易過度打磨,難以保證高選擇比,依賴設備的終點檢測,旋轉拋光容易造成晶圓表面的回旋型套殼偏差,影響后續光刻的質量。當未來芯片對于平坦化的要求進一步提高,在拋光過程中如何實現更加嚴格的污染和精度控制將是 CMP 打磨技術必須跨越的挑戰。

        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 光刻機鏡頭的鏡片,使用水流型無影接觸拋光技術和等離子體撞擊拋光技術。和 CMP 相比精度高,成本高,打磨效率也有待提高,我們仍在期待著更加高效精細的研磨和測量技術的突破和誕生。

        | 梅特勒托利多助力 CMP 工藝過程 |

        梅特勒托利多可以為晶圓制造中的機械化學平坦化工藝中的研磨液配比提供高精度稱重方案、耐顆粒物的在線 pH 傳感器、密度儀和滴定儀,助力研磨液供給系統(SDS)中的自動化配液并確保研磨液的各項參數穩定可靠,預防由機械化學平坦化(CMP)工藝造成的良率問題。

        梅特勒托利多作為儀器檢測行業提供商,為您提供一站式解決方案:

        1. 濕電子化學品濃度及 pH 檢測、硅片稱重、光刻膠水分含量測定、電鍍液金屬離子含量檢測、封裝基板熱性能檢測;

        2. 生產過程中配料控制、料位監控、原料計量等關鍵工藝點稱重數據管理;

        3. 超純水 pH、電導率、溶解氧、TOC 等各項關鍵指標在線監控;

        4. 濕電子化學品及光刻膠自動灌裝方案。

        免責聲明:市場有風險,選擇需謹慎!此文僅供參考,不作買賣依據。

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