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化学机械抛光(CMP)工艺的应用领域有哪些?
发表时间:2023-12-20     阅读次数:

在现代科技快速发展的背景下,各类电子器件和光学器件也趋向于高精度、高性能的方向发展。然而,这些越来越精细的器件在制造过程面临的挑战也越来越严苛:如何获得高度平滑、精确的表面质量,以确保器件的性能和可靠性。传统的表面处理技术(如热流法、旋转玻璃法、回蚀法、选择淀积法等)只能做到局部的平坦化,平坦化能力从几微米到几十微米不等,而化学机械抛光(CMP)不但能够对器件表面进行局部处理,同时也可以进行全局处理,在众多表面处理技术中脱颖而出,逐渐成为不少先进制造领域的不可或缺的一环。


CMP技术的优势


化学机械抛光(CMP),是一种综合了化学反应和机械磨削的表面处理技术。化学反应过程是抛光液中化学反应剂与材料表面产生化学反应,将不溶物转化为易溶物或软化高硬度物质,生成比较容易去除的物质。而机械磨削是材料表面对抛光垫做相对运动,并利用研磨液中的磨粒与发生机械物理摩擦,从材料表面去除化学反应过程生成的易去除物,溶入流动的液体中带走。二者协同配合,具有以下几个优点:


CMP抛光原理


1、平整化效果佳:CMP技术术能够高度精确地平整化材料表面,去除凹凸和不均匀性,可实现全局平整落差5nm以内的超高平整度。

2、高度可控性:抛光剂是CMP研磨液中的重要组分,它可以降低表面张力、防止氧化和腐蚀这使得CMP技术具有良好的可控性,可以调节抛光压力、速度、磨料粒径和化学反应参数等,以满足不同材料和器件的加工要求。

3、多材料适用性:CMP技术适用于多种材料,包括硅、氮化硅、氮化铝、金属、氧化物等。这使得它在许多工业领域中都具有广泛的应用前景。

CMP的应用领域

自1988 年IBM 将CMP 技术运用于4M DRAM 的制造中之后,CMP 技术在世界各地各行各业迅速发展起来,并逐步拓展到多种材料的平整化和抛光,包括氧化硅、多晶硅、金属、氮化硅等,应用领域除了半导体制造领域,在光学器件制造、先进封装、先进陶瓷、外观件抛光等领域也有广泛的应用。

一、半导体制造

半导体技术作为现代社会的基石,推动着无数行业的进步和革新。由于半导体制造是一系列复杂而精密的工序,作为目前唯一能兼顾表面全局和局部平坦化的CMP技术成为了半导体制造领域的关键技术,其应用环节包括但不仅限于晶圆抛光,以下是CMP 的半导体中的应用环节:

1、晶圆的平整化

在晶圆制造过程中,不同的工艺步骤可能会导致晶圆表面的高度产生差异,影响后续制程的精确度。比如在光刻制程中,使用较短波长的光可以提高光敏剂图案化时的分辨率,但同时会降低焦深 (DOF,指光学成像时聚焦范围的深度),如果晶圆表面高低不平,在焦深范围之外,就会导致图像模糊或失真,影响芯片精度和品质。在薄膜沉积制程中,不平整的晶圆表面会导致薄膜沉积不均匀,影响薄膜层的厚度和质量。因此,在晶圆制造的许多环节之间都需要使用CMP将晶圆平整化。

平整度不同的晶圆光刻效果比较

2、去除氧化层:在半导体制造过程中,晶片表面会形成一层自然氧化层。这层氧化层会对晶片的电性能、界面特性以及其他方面产生影响,因此可以利用CMP将其有效去除或修整。

3、CMP在金属互连中的应用:金属互连工艺是利用金属的导电特性,将不同的器件连接起来形成电路,同时也可以把外部的电信号传输到芯片内部不同的部位,从而形成具有一定功能的芯片的技术。而CMP被用来平整每一层用来导电的金属层和隔离不同金属层的介电层,以确保下一层的平整度,避免短路和电流泄露等情况的发生。

金属互连技术

4、深槽隔离(STI):这是一种实现不同电子元件之间的电气隔离,防止电子信号的干扰和漏泄的工艺技术。STI的过程需要在硅中刻蚀出图案的沟槽,沉积一个或多个介电材料(如二氧化硅)来填充沟槽,然后使用CMP等技术去除多余的介电材料,使得材料表面达到高度的平整度,为后续的工艺步骤提供了良好的基础。

5、高K金属栅:高K栅介质与金属栅极技术广泛应用于 28mmn 以下高性能产品的制造,主要用于替代传统的硅二氧化物栅极介质或设备的其他介质层。C在高K金属栅的制造过程中,CMP被用来去除高k介电层和金属栅的过剩部分,使得表面达到高度的平整度,以此确保金属栅的精确形状和尺寸,从而实现高性能的栅极结构。



二、先进封装

先进封装是指在微电子器件制造中,将芯片(集成电路)封装在具有特定功能和性能的封装材料中,以保护芯片并提供连接芯片与外部电路接口的技术。在先进封装领域,CMP主要被用于界面、薄膜层等的平整化外,还可用通孔的平整化,使填充后的有通孔表面与周围材料保持平整,从而提高连接的质量和性能。另外,先进封装技术对对引线尺寸要求更小更细,因此刻蚀、光刻等工艺也被引入到了该领域中,而CMP作为每道工艺间的抛光工序,也得以广泛应用。

2.5D先进封装示意(来源:Globalfoundries)

三、光学器件制造

光学器件制造同样离不开高度平坦的表面和精确的尺寸控制,以确保光学性能的稳定和优化。CMP作为一种可以实现高精度、高效率的表面加工技术,在光学器件制造中也有广阔应用前景。

1、平面光学表面制备:光学器件通常需要具有非常平坦的光学表面,CMP通过将光学材料的表面加工至极高的平整度,消除表面的微小凹凸和缺陷,以确保光的准确传输和反射。


4、光学薄膜处理:光学薄膜通常用于增强或控制光的传输和反射特性,一般有反射膜、增透膜/减反射膜、偏光片/偏光膜、分束膜等。CMP可用于加工光学薄膜的表面,确保薄膜的平整度和均匀性,从而实现光学性能的一致性和优化。




四、先进陶瓷

先进陶瓷是一类具有优异性能和特殊应用的陶瓷材料,由于大部分先进陶瓷的熔点和硬度都很高,限制了单纯机械加工的可能性,而CMP同时利用机械和化学的抛光手段,可用于调整和优化先进陶瓷材料的表面形态、平整度和精度,从而提高其性能和可靠性。

1、陶瓷薄膜制备

陶瓷涂层是一种将陶瓷材料应用于基础材料表面的薄层,以赋予基础材料陶瓷特性的技术。当前在制造业、电子、能源、航空航天等领域得到广泛应用。CMP技术可以用于调整和优化陶瓷涂层的厚度和平整度,以获得所需的光学、电学或热学性能,满足不同领域的需求。


氮化硼耐高温陶瓷涂层

2、陶瓷微结构制造

在微纳米尺度下,陶瓷微结构的制造对于传感、微流体控制等应用具有重要意义。CMP可以用于调整和精确控制陶瓷微结构的形状、尺寸和表面特性。

3、陶瓷复合材料加工

陶瓷复合材料表面的平整度常常会受到基体材料、颗粒或纤维的分布、制备过程等因素的影响,CMP可用于加工陶瓷复合材料的表面,改善其平整度和精度。

4、陶瓷基板抛光

当对陶瓷基板表面要求较高时,CMP工艺为首选研磨技术,如部分光电器件(如激光器LD和VCSEL)对陶瓷基板固晶区质量要求进一步提高(要求表面粗糙度低于0.1μm,厚度极差小于10μm),则必须采用CMP。

氮化硅陶瓷基板

五、表面抛光

在一些消费电子、珠宝首饰等高端产品制造中,外观件的表面质量和光学效果对于产品的吸引力和价值至关重要。CMP技术可以用于改善金属、陶瓷、玻璃等材料的表面光洁度、平整度和光学反射性能,从而创造出更具镜面效果的表面。苹果公司的应用就是一个很好的例子,通过利用CMP工艺,MacBook、Iphone等产品上的Apple Logo在光线照射下呈现出闪闪发光的效果,增强了产品的视觉吸引力和品牌形象。

总结

CMP工艺作为一项重要的表面处理技术,不止局限应用于半导体制造领域,还广泛应用于光学器件制造、先进封装、先进陶瓷、外观件抛光等多个领域。它通过化学反应和机械磨削相结合的方式,去除材料表面的不平坦部分,获得高度平滑和精确的表面。CMP工艺的应用使得现代科技产品的性能和品质得到极大提升,推动了信息技术、光电子技术、智能电子等领域的持续发展。随着科技的不断进步,CMP工艺将持续在更多领域扩展并深入应用。



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来源:聚展网