在半導體製程中，晶圓上不斷的經過沉積→曝光→顯影→蝕刻，而堆砌出一層層的微電路（如下方影片）；然而，若每層微電路都凹凸不平，勢必影響層間的疊加，必須符合相當的平坦化標準，才有辦法做出性能佳的積體電路。
因此，在80年代末，IBM公司將CMP化學機械研磨技術引進半導體製程中，從此CMP製程就扮演了平坦化的重要角色！本文將用簡單的方式說明CMP的意思、CMP製程原理、化學機械研磨的優缺點、以及有哪些CMP廠商。
想用樂高秒懂半導體4大製程，看這片▼
CMP的意思，CMP中文是什麼?
CMP是英文縮寫簡稱，全名為 Chemical Mechanical Planarization。CMP的中文為化學機械研磨，或稱化學機械平坦化，都可以。
利用CMP化學機械研磨技術，可以將每層製作完的電路表面磨平，才可在進行下一層電路的製作；就像在蓋房子一樣，如果一樓蓋的歪七扭八，那在蓋二樓時就會很難蓋。
在台灣的半導體晶圓代工廠商，例如知名的台積電 (tsmc)、聯電 (UMC)...等，都有使用CMP製程。
額外分享：閒暇時，可以填問卷賺錢
CMP製程的原理
從CMP製程的中文名「化學機械研磨」，字面上的意思就是在研磨時，合併著化學移除力與機械移除力，將 Wafer 上多餘的東西移除。因此，實際上要達到這兩個力量，有3個CMP製程中需要的關鍵耗材：
1. CMP Slurry (研磨漿液)
CMP slurry 中有化學物質與研磨粒子 (abrasive)，化學物質扮演 水合/氧化/腐蝕/保護 待磨物的功能；由於不同製程研磨物不同，因此 CMP slurry 中的化學物質相當多樣，扮演的角色也各不相同，舉例像是研磨氧化矽的CMP製程，CMP slurry 與氧化矽進行水合作用，降低氧化矽的硬度；另外像是金屬的CMP，CMP slurry 扮演了氧化的金屬的作用，降低金屬的硬度 (這些在 維基百科 中都有提到)。
而研磨粒子則扮演機械力移除的功能，這些被 chemical 軟化的物質，被 CMP slurry 中的研磨粒子+CMP Pad，順利的移除（想了解更多CMP Slurry看 這篇）。
2. CMP Pad (CMP研磨墊)
在化學機械研磨製程中，Wafer 會直接被壓在 CMP Pad 上進行研磨，CMP Slurry 也會在 Pad 上面不斷的流動。由此可知，CMP Pad 的軟硬程度、表面形貌、以及溝槽形貌等都會影響研磨表現，可以說 CMP Pad 扮演 CMP 製程中超級關鍵角色。
3. CMP Disk (CMP鑽石碟)
CMP Disk 又稱為 CMP conditioner。如上所述，CMP Pad 的表面形貌對研磨表線影響很大，因此鑽石碟修整器 (CMP Disk) 主要的目的就是對 CMP Pad 表面進行修整，移除掉髒汙與再生 Pad 的表面形貌。CMP Disk 的鑽石大小、形貌、與分佈皆會影響 CMP Pad 表面修整的狀況。
CMP機台的作動長這樣▼
有哪些CMP耗材廠商
CMP Pad 廠商 (CMP研磨墊廠商)
美國杜邦(DUPONT) 應該算是目前全球主要的研磨墊供應商，其他還有包含 美國CMC Materials 、 美國TWI。而在台灣，近期默默竄起的 智勝科技 (iVT)，在本土CMP Pad廠商中，是最有能力與其他大廠競爭的。
CMP Disk 廠商 (CMP鑽石碟廠商)
常聽到的廠牌有 Kinik、Saesol、3M、Asahi、SHINHAN
CMP Slurry 廠商 (CMP研磨液廠商)
常聽到的廠牌有 DUPONT 、 CMC Materials 、 AGC 、 ACE
CMP製程步驟流程
CMP化學機械研磨的製程流程分為 Platen 1、Platen 2、Platen 3、Clean這4個步驟：
CMP Platen 1 (CMP 第一盤研磨)
粗磨，剛沉積完wafer，除了導線處有沉積物外，其它地方也有大量沉積物需要被移除，因此第一個platen會快速的移除大量的沉積物。
CMP Platen 2 (CMP 第二盤研磨)
細磨，沉積物已大幅的在platen 1被移除，因此在此階段必須精確的研磨到露出導線，因此抓研磨終點的能力非常重要，可看 研磨終點偵測方式。
CMP Platen 3 (CMP 第三盤研磨)
以拋光墊將wafer表面殘留物移除並拋光wafer表面。
CMP Clean Step (CMP 最後清潔)
收尾階段，通常以PVA brush進行wafer清潔，一般會搭配chemical添加劑幫助particle移除。
看這個影片可能會有一點感覺▼
CMP研磨頭的大致組成
研磨頭最主要的功能再於移動 wafer 與加壓研磨，wafer 必須要被吸在研磨頭上並移動到 pad 上進行研磨，這就要靠研磨頭上的 membrane。
membrane 是個彈性的矽膠膜，可以藉由吸氣 / 洩氣之機制來吸放 wafer；membrane 中也有分成好幾個不同的環狀區塊，目的是調整 wafer 下壓到 pad 時的壓力分佈，以控制 wafer 研磨均勻性。
而 Retainer ring 壓在 wafer 周圍，確保在研磨時 wafer 不會輕易滑出造成破片。
CMP製程種類 與 CMP表現評估指標
CMP 製程種類是由製程來區分，常聽到的有 Oxide (氧化矽)、STI (淺溝槽絕緣)、W (鎢)、Cu (銅) 等，每個製程的研磨條件與需求不太一樣。
研磨表現評估指標：RR (研磨速率)、NU% (研磨均勻度)、Defect (wafer刮傷、particle殘留)、Step height (平坦化)。(評估指標的細節內容可參考「CMP表現5大參考指標」)
CMP化學機械研磨缺點與優點
直接將 Wafer 壓在 Pad 上研磨，這種方是需要精細的控制，包含機台參數 與 耗材物性化性的控制，因此，化學機械研磨有可能產生的缺陷包含刮傷與髒汙。刮傷，可能因CMP中的異物或某區域瞬間受力不均而導致；髒汙，可能因CMP中所產生的汙染物質殘留於Wafer上，或許是Pad Particle、或許是Slurry abrasive...
這些化學機械研磨的缺陷，必須靠不斷的研發優化而改善。現今，可以說化學機械研磨對平坦化的優點，仍是大於缺點很多的，也因此持續的普遍於半導體的製程當中~
以上參考資料來源：Chemical Mechnical Planarization (CMP)
專業知識之外，也要學習如何「理財」與「賺錢」▼
留言列表