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半导体CMP抛光垫的作用和种类

CMP 技术是目前国际公认唯一可以提供全局平坦化的技术,它是半导体技术中的重要应用突破,而CMP抛光垫(Chemical Mechanical Polishing Pad,CMP Pad)正是这一工艺中的重要耗材。(https://www.ab-sm.com)


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图  CMP抛光垫,来源:杜邦

1、CMP抛光垫的作用


CMP技术是使被抛光材料在化学和机械的共同作用下,材料表面达到所要求的平整度的一个工艺过程。抛光液中的化学成分与材料表面进行化学反应,形成易抛光的软化层,抛光垫和抛光液中的研磨颗粒对材料表面进行物理机械抛光将软化层除去。

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图源:鼎龙股份

在CMP制程中,抛光垫的主要作用有:

①使抛光液有效均匀分布至整个加工区域,且可提供新补充的抛光液进行一个抛光液循环;

②从工件抛光表面除去抛光过程产生的残留物(如抛光碎屑、抛光碎片等);

③传递材料去除所需的机械载荷;

④维持抛光过程所需的机械和化学环境。除抛光垫的力学性能以外,其表面组织特征,如微孔形状、孔隙率、沟槽形状等,可通过影响抛光液流动和分布,来决定抛光效率和平坦性指标。


抛光垫必须对抛光液具有良好的保持性,在加工时可以涵养足够的抛光液,使CMP中的机械和化学反应充分作用。为了保持抛光过程的稳定性、均匀性和可重复性,抛光垫材料的物理性质、化学性质以及表面形貌等特性,都需要保持稳定。

2、CMP 抛光垫的种类


抛光垫种类可按材质结构主要有:聚合物抛光垫、无纺布抛光垫、带绒毛结构的无纺布抛光垫、复合型抛光垫。

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①聚合物抛光垫

聚合物抛光垫的主要成分是发泡体固化聚氨酯,聚氨酯抛光垫具有抗撕裂强度高、耐磨性强、耐酸碱腐蚀性优异的特点,是最常用的抛光垫材料之一。

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图  聚氨酯抛光垫微观结构

在抛光过程中,聚氨酯抛光垫表面微孔可以软化和使抛光垫表面粗糙化,并且能够将磨料颗粒保持在抛光液中,可以实现高效的平坦化加工。聚氨酯抛光垫表面的沟槽有利于抛光残渣的排出。但聚氨酯抛光垫硬度过高,抛光过程中变形小,加工过程中容易划伤芯片表面。粗抛选用发泡固化聚氨酯抛光垫。

②无纺布抛光垫

无纺布又称不织布,由定向的或随机的纤维构成,微观组织对抛光垫性能产生重要影响。无纺布抛光垫的原材料聚合物棉絮类纤维渗水性能好,容纳抛光液的能力强,但是其硬度较低、对材料去除率低,因此会降低抛光片平坦化效率。常用在细抛工艺中。

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图 无纺布抛光垫微观结构

③带绒毛结构的无纺布抛光垫

带绒毛结构的无纺布抛光垫是以无纺布为基体,中间一层为聚合物,表层结构为多孔的绒毛结构,绒毛的长短和均匀性影响抛光效果。当抛光垫受压时,抛光液进入空洞中,压力释放时恢复原来的形状,将旧的抛光液和反应物排出,并补充新的抛光液。

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图  带绒毛的无纺布抛光垫微观结构图

带绒毛结构的无纺布抛光垫硬度小、压缩比大、弹性好,在精抛工序中常被采用。

④复合型抛光垫

复合型抛光垫采用“上硬下软”的上下两层复合结构,兼顾平坦度和非均匀性要求。复合型抛光垫含有双重微孔结构,将目前抛光垫的回弹率大幅降低,减少了抛光垫的凹陷和提高了均匀性,解决了因抛光垫使用过程中易釉化的问题。

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图  复合型抛光垫微观结构

基体中加入了能溶于抛光液的高分子或无机填充物,如聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等,这些填充物在抛光过程中溶于抛光液,形成二级微孔,延长抛光垫的使用寿命并降低缺陷率,减少抛光液的使用量。

随着半导体产业的高速发展,使得 CMP 技术应用显著增加,对 CMP 抛光垫的需求量也显著增长。然而CMP抛光垫的制备技术门槛高,涉及力学、界面化学、摩擦学、高分子材料学、固体物理和机械工程学等诸多学科领域。目前,全球抛光垫生产几乎被美日韩企业所垄断,国产替代加速推进。


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