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    新聞資訊

    ?化學機械拋光技術(CMP)中有哪些核心材料?

    • 分類:新聞資訊
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    • 來源:
    • 發布時間:2022-02-21
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    【概要描述】

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          化學機械拋光(ChemicalMechanicalPolishing,CMP)技術被譽為是當今時代能實現集成電路(IC)制造中晶圓表面全局平坦化的目前唯一技術,可達到原子級超高平整度,其效果直接影響到芯片最終的質量和成品率。

          按照被拋光的材料類型,具體可以劃分為三大類:1)襯底:主要是硅材料;2)金屬:包括Al/Cu金屬互聯層,Ta/Ti/TiN/TiNxCy等擴散阻擋層、粘附層;3)介質:包括SiO2/BPSG/PSG等ILD(層間介質),Si3N4/SiOxNy等鈍化層、阻擋層。

          在CMP工作過程中,CMP用的拋光液中的化學試劑將使被拋光基底材料氧化,生成一層較軟的氧化膜層,然后再通過機械摩擦作用去除氧化膜層,這樣通過反復的氧化成膜-機械去除過程,從而達到了有效拋光的目的。

    ▲CMP工作原理示意圖

          CMP技術對于半導體晶圓加工不可或缺,其加工質量與其中各類關鍵材料的作用息息相關,由下圖可知,在晶圓制造中,CMP拋光材料約占據總成本的7%,而在CMP材料細分占比當中,拋光液拋光墊是最核心的材料,價值量占比分別為49%和33%。其他拋光材料還包括拋光頭、研磨盤、檢測設備、清洗設備等。

    ▲晶圓制造材料細分占比

    ▲CMP材料細分占比

    拋光液

          拋光液是影響化學機械拋光質量和拋光效率的關鍵因素,一般通過測定材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Ra)的方法來評價拋光液性能優良程度。其組分一般包括磨料、氧化劑和其它添加劑,通常根據被拋光材料的物理化學性質及對拋光性能的要求,來選擇所需的成分配置拋光液。

     
    一、磨料
     

    磨料是拋光液最主要的組成部分,在拋光過程中通過微切削、微擦劃、滾壓等方式作用于被加工材料表面,達到機械去除材料的作用。

    ▲磨料機械去除原理示意圖

    1.單一磨料拋光液
     
     
    ▲▲▲

          化學機械拋光液在研究初期大多是使用單一磨料,如氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、二氧化鈰(CeO2)、氧化鋯(ZrO2)和金剛石微粒等,其中研究及應用最多的是Al2O3、SiO2和CeO2。

    ▲三種常用磨料透射電鏡圖

    (a)SiO2;(b)Al2O3;(c)CeO2

          Al2O3的硬度高,多用于光學玻璃、晶體和合金材料的拋光,但含Al2O3的拋光液具有選擇性低、分散穩定性不好、易團聚的問題,容易在拋光表面造成嚴重劃傷,一般需要配合各種添加劑使用才能獲得良好的拋光表面。

          SiO2具有良好的穩定性和分散性,不會引入金屬陽離子污染,其硬度與單質硅接近,對基底材料造成的刮傷、劃痕較少,適合用于軟金屬、硅等材料的拋光,是應用最廣泛的拋光液,但其材料去除率相對較低。

    ▲硅溶膠磨料

    a)40nm,異形結構;b)60nm,球形結構;c)90nm,球形結構

          CeO2具有較為適中的硬度,由于Ce元素具有多種價態且不同價態間易轉化,容易將玻璃表面物質氧化或絡合,因此CeO2被廣泛應用于手機屏幕、光學玻璃、液晶顯示器和硬盤等產品的化學機械拋光中。但是Ce為稀土元素,且現有加工工藝較為復雜,生產出的CeO2磨料的粒徑分布不均勻,而導致CeO2拋光液的使用成本較高,限制了CeO2拋光液的發展應用。

    2.混合磨料拋光液
     
     
    ▲▲▲

    隨著研究的深入,單一磨料已無法滿足使用需求,研究人員開始嘗試將不同粒徑、不同形貌的一種或多種粒子組合到一起使用。

    例如,在大粒徑硅溶膠中加入小粒徑的硅溶膠能明顯提高拋光速率,且粒徑相差越大提升率越高,這是因為在磨料總的質量分數不變的條件下,增大小粒徑磨料的占比能增加硅溶膠顆粒的總體數量,從而起到了提高拋光速率的作用。

    大量的研究成果表明,混合粒子的使用能夠不同程度的提高化學機械拋光的速率,但是對拋光后表面粗糙度的影響有好有壞,不同類型磨料混合使用對拋光結果的影響規律仍有待進一步研究。

    3.復合磨料拋光液
     
     
    ▲▲▲

    除了混合磨料外,目前也有各種新興的材料制備方法被用來制備復合磨料,常用的方法有納米粒子包覆和摻雜等。

    例如通過結構修飾改善納米粒子的分散性、復合其他類型材料提升在酸、堿性拋光液中的綜合性能等。

    復合磨料相比混合磨料和單一磨料,在材料去除率及表面粗糙度方面均有明顯的優勢,能實現納米級或亞納米級超低損傷的表面形貌。但復合磨料的制備工藝相對比較復雜,目前僅處于實驗室探索階段,距離復合磨料在大規模生產上的應用還有較遠的距離。

     
    二、氧化劑
     

    氧化劑的作用是將被拋光工件表面的材料氧化,生成一層質地較軟且與基底結合力較弱的氧化膜,然后通過磨粒的機械去除作用將氧化膜層去除,以達到拋光的目的。

    氧化劑的種類決定了氧化膜生成的速率及氧化膜去除的難易程度,對拋光速率以及拋光效果有顯著的影響。

    氧化膜的形成有利于提高機械拋光的效率,但也并非膜層越多越好,氧化劑的濃度需要達到一個合適的值:

    氧化劑濃度較低時,機械研磨過程起主導作用;

    當氧化劑濃度達到一定值時,氧化腐蝕過程與機械研磨過程達到動態平衡,此時去除效率最高;

    隨著氧化劑濃度繼續增加,一方面是氧化膜生成速率大于去除速率,氧化膜層朝著致密化和厚度增大的方向發展,另一方面多余的氧化劑也會降低拋光液的穩定性,這些因素反而會導致去除效率降低。

    ▲氧化劑作用過程

    以前針對一些金屬材料的拋光,拋光液中大多采用具有強氧化性的氧化劑,一般都包括重金屬離子,隨著綠色環保意識的提高,H2O2作為一種綠色環保的氧化劑已經被廣泛采納,但是H2O2僅在強酸性體系中穩定性較好,堿性體系中穩定性較差,且自身有自分解現象,導致了含H2O2的堿性拋光液不穩定。因此,采取合適的方法提高H2O2在堿性體系中的穩定性是目前亟待解決的問題.

     
    三.其他添加劑
     

    拋光液中磨粒、氧化劑和去離子水的含量一般占整個拋光液質量的99%以上,雖然添加劑含量較少,但是能顯著的改善拋光液的性能。常用的添加劑包括絡合劑(螯合劑)、緩蝕劑、pH調節劑和表面活性劑。

    絡合劑用于絡合CMP過程中的一些微溶產物,提高去除率;

    緩蝕劑則是減少一些材料的表面腐蝕程度;

    PH調節劑用于調節拋光液的酸堿度,酸性拋光液最早由化學腐蝕液改進而來,具有溶解性強、氧化劑選擇范圍大、拋光效率高等優點,常用于金屬材料的CMP工藝.堿性拋光液具有選擇性高、腐蝕性弱等優點,常用于非金屬材料的CMP工藝。傳統的pH調節劑一般選擇KOH、NaOH、HCl、HNO3等,但其中的Na+、K+、Cl及NO3會造成芯片性能下降,甚至失效等問題,因此,越來越多的研究者選擇有機酸或有機堿來作為pH調節劑;

    表面活性劑的作用是改善拋光液的分散穩定性,還可以起到降低拋光液表面張力的作用,有利于拋光液快速潤濕被拋光的工件表面及CMP工藝拋光后清洗流程的進行。

    拋光墊

    在化學機械拋光過程中,拋光墊的作用主要有:

    1)存儲拋光液及輸送拋光液至拋光區域,使拋光持續均勻的進行;

    2)傳遞材料,去除所需的機械載荷;

    3)將拋光過程中產生的副產物(氧化產物、拋光碎屑等)帶出拋光區域;

    4)形成一定厚度的拋光液層,提供拋光過程中化學反應和機械去除發生的場所。

    ▲拋光墊

    拋光墊根據材料可以分為硬質和軟質兩類,硬質拋光墊可以較好的保證工件表面的平面度,軟質拋光墊可以獲得表面損傷層薄和表面粗糙度低的拋光表面。常用的硬質拋光墊有粗布墊、纖維織物墊、聚乙烯墊等,軟質拋光墊有聚氨酯墊、細毛氈墊、絨毛布墊等。

    ▲聚氨酯拋光墊

    拋光墊表面包括一定密度的微凸峰,也有許多微孔,有些拋光墊上開有可視窗,便于線上檢測。隨著CMP過程的進行,其物理及化學性能會發生變化,具體包括表面殘留物質、微孔體積縮小和數量減少、表面粗糙度降低及表面分子重組而形成釉化層,這些都會導致拋光效率和拋光質量的降低。

    因此,拋光墊同拋光液一樣屬于消耗品,每經過一段時間的使用后都需要進行修整或更換。改進拋光墊材料、延長拋光墊的使用壽命、減少拋光墊修整加工時的損耗,是當前拋光墊研究的主要內容及方向。

    總結

    CMP拋光墊和拋光液作為關鍵晶圓制造材料,其需求量和晶圓產能直接相關。目前拋光液和拋光墊仍屬于技術壁壘較高、被國外龍頭壟斷的局面,在國家政策的扶持下CMP中低端領域中已基本完成了國外技術和產品的國產替代,但在高端設備、前沿技術領域中與國際巨頭仍有較大的差距。繼續深入研究CMP技術,產出具有自主知識產權的關鍵材料、設備或工藝,不僅可以促進我國IC制造業的良性發展,同時也能帶來巨額的經濟效益。

     

    參考來源:

    1.化學機械拋光技術研究現狀及發展趨勢,燕禾、吳春蕾、唐旭福、段先健、王躍林(廣州匯富研究院有限公司、湖北匯富納米材料股份有限公司);

    2.一文看懂半導體CMP核心材料:國外巨頭高度壟斷,國產化程度極低!

     

     

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