□化学死板扔光(CMP)手艺、配置及投资概略

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  作家/李丹 赛迪垂问 集成电道财富筹议中央高级理解师 (北京 100048)

  化学板滞扔光(Chemical Mechanical Polishing□□□□□,CMP)技能的观念是1965年由Monsanto初次提出□□□□□,该技能最初是用于获取高质地的玻璃轮廓□□□□□,如军用千里镜等。CMP工艺由 IBM 于1984年引入集成电道筑设工业□□□□□,它最先用于后道工艺金属间绝缘介质(IMD)层的平整化□□□□□,之后用于金属钨(W)的平整化□□□□,随后又用于浅沟槽隔断(ST)和铜(Cu)的平整化。总共CMP工艺只消短短的30秒就能告竣□□□,包含退出CMP编制前的研磨后洁净(对晶圆实行洗涤、冲洗和干燥)。一切这些工序整合到沿途□□□,可完成极佳的平整度。玻璃抛光机设备

  CMP正在二十世纪90年代中期真正起源升起□□□□,当时半导体业生机用导电速率更疾的铜电道庖代铝电道□□□□,来提升芯片的本能。铝互连线的筑制是先重积一层金属层□□□□□,然后再用反响性气体把不要的一面腐化掉□□□□□,铜金属层无法行使这种本领轻松去除□□□,于是开荒出了铜CMP 技能。今禀赋产的每一块微处分器都行使铜连线□□□□□,而CMP筑造更是任何芯片筑设商弗成或缺的必备用具。CMP工艺正在芯片筑设中的操纵包含浅沟槽隔断平整化(STI CMP)、众晶硅平整化(Poly CMP)、层间介质平整化(ILD CMP)、金属间介平整化(IMD CMP)、铜互连平整化(Cu CMP)。

  CMP从观念上很简略□□□□□,但纳米级CMP原本是一项很庞大的工艺。正在晶圆轮廓堆叠的分别薄膜各自具有分别的硬度□□□□,需以分别的速度实行研磨。这也许会导致“凹陷”外象□□□,也即是较软的一面会凹到较硬质料的平面之下。区别于古板的纯板滞或纯化学的扔光本领□□□□□,CMP通过化学的和板滞的归纳用意□□□□□,最大水准裁减较硬质料与较软质料正在质料去除速度上的区别□□□□,也有用避免了由纯洁板滞扔光酿成的轮廓毁伤和由纯洁化学扔光易酿成的扔光速率慢、轮廓平整度和扔光相同性差等毛病。

  CMP工艺平整化道理是□□□□□,应用板滞力用意于圆片轮廓□□□,同时由研磨液中的化学物质与圆片轮廓质料发作化学反响来添加其研磨速度(如图1)。CMP技能所采用的筑造及花费品包含□□□:扔光机、扔光浆料、扔光垫、后CMP洗刷筑造、扔光尽头检测及工艺把握筑造、废物处分和检测筑造等。CMP技能难点是干和湿羼杂、要正在化学和板滞之间找好平均。

  CMP工艺中最主要的两大构成一面是研磨液和研磨垫□□□□□,扔光液和扔光垫均为花费品□□□□□,扔光垫的行使寿命广泛为45~75小时。扔光液分为酸性扔光液和碱性扔光液□□□□□,是平均阔别胶粒的乳白色胶体□□□□,重要起到扔光、润滑、冷却的用意。以碱性SiO 2 扔光液为例□□□□,其因素重要蕴涵研磨剂(SiO 2 胶粒)、碱、去离子水、轮廓活性剂、氧化剂、安谧剂等。扔光垫是一种具有必然弹性松散众孔的质料□□□□□,通常是聚亚氨酯类□□□,重要用意是存储和传输扔光液□□□,对硅片供给必然的压力并对其轮廓实行板滞摩擦。

  正在CMP工艺中□□□□,玻璃抛光机设备最先让研磨液填充正在研磨垫的空闲中□□□□,圆片正在研磨头发动下高速挽回□□□□,与研磨垫和研磨液中的研磨颗粒发作用意□□□□□,同时需求把握研磨头下压力等其他参数。CMP 筑造重要分为两一面□□□□,即扔光一面和洗刷一面□□□,扔光一面由4一面构成□□□,即3个扔光转盘和一个圆片装卸载模块。洗刷一面管任圆片的洗刷和甩干□□□□,完成圆片的“干进干出”(如图2)。

  CMP的重要检测参数包含研磨速度、研磨平均性和缺陷量(如外1)。研磨速度是指单元岁月内圆片轮廓质料被研磨的总量。研磨平均性又分为圆片内研磨平均性和圆片间研磨平均性。圆片内研磨平均性是指某个圆片研磨速度的模范方差与研磨速度的比值;圆片间研磨平均性用于默示分别圆片正在统一前提下研磨速度的相同性。看待CMP而言□□□,重要的缺陷包含轮廓颗粒、轮廓刮伤、研磨剂残留等□□□□□,它将直接影响产物的制品率。半导体业界看待CMP工艺也有相应的“潜条例”□□□□□,即CMP工艺后的器件质料损耗要小于总共器件厚度的10%。也即是说不但要使质料被有用去除□□□□□,还要不妨精准地把握去除速度和最终成效。跟着器件特性尺寸的不绝缩小□□□□,缺陷看待工艺把握和最终良率的影响愈发的显明□□□□,下降缺陷是CMP工艺的中枢技能请求。

  CMP是一种集板滞学、流体力学、质料化学、细致加工、把握软件等众领城最先辈技能于一体的筑造□□□□□,是各式集成电道临盆筑造中较为庞大和研制难度较大的筑造之一。跟着圆片直径的增大和工艺庞大性的不绝提升□□□□,CMP的筑造价钱也正在渐渐延长。通常来说□□□□,用于200 mm圆片的CMP筑造价钱约为300 万美元□□□,用于300 mm圆片的CMP筑造价钱约为400 万美元。

  目前□□□□□,美邦和日本正在CMP筑造筑设范畴处于领先职位□□□□,重要的临盆商有美邦的操纵质料(AppliedMaterials□□□□,AMAT)公司和日本的荏原板滞(Ebara)公司。邦内CMP筑造的重要研发单元有天津华海清科和中邦电子科技集团公司第四十五筹议所□□□□,个中华海清科的扔光机已正在中芯邦际临盆线月□□□□,华海清科的Cu &Si CMP筑造进入上海华力。

  CMP筑造仍然是美邦操纵质料一家独大□□□□□,具有环球71%的商场份额。美邦操纵质料2003年逗留8英寸筑造的临盆□□□□,主攻12 英寸CMP筑造□□□,操纵质料公司的 Mirra CMP 为硅、浅沟槽隔断 (STI)、氧化物、众晶硅、金属钨和铜镶嵌操纵供给了经临盆验证的高本能150 mm 和 200 mm 平整化办理计划。它的高速平整化转盘和众区研磨头具有低下压力□□□□,可完成极佳的平均度和效能。集成的 CMP(化学板滞平整化)后Mesa 洗刷器(同样实用于 150 mm 和 200 mm 操纵)能有用去除浆料、制止残渣造成□□□□□,最大限制裁减微粒和水痕。看待铜镶嵌操纵□□□□,也可能抉择 200 mmDesica 洁净和冲洗技能□□□□□,应用 Marangoni 蒸气干燥器□□□□□,可完成敏捷、有用的无水印干燥。操纵质料公司的 Mirra CMP 编制采用全套端点本领□□□,供给同线胸襟和先辈的工艺把握才华□□□□,确保精采的晶圆内和晶圆间工艺把握和可反复性□□□,适合一切平整化操纵。先辈的扔光技能(如操纵质料公司的 Titan Profiler(150 mm)和Titan Contour (200 mm) 扔秃子产物)和众转盘筑设□□□□□,通过调治跨晶圆轮廓和距晶圆边沿3 mm内的去除率□□□,可满意要害平均性目标。这些先辈的功用和其他已发外的升级□□□,为完成更高的产能和良率供给了更众加工才华保证。

  荏原筑制所总公司位于日本东京都大田区□□□□□,策画并筑设社会根源举措和工业用板滞筑造□□□,于东京证券交往所一部上市。亦是美邦临盆压缩机和汽轮机Elliott公司的母公司□□□□,主营奇迹有风水力板滞奇迹、情况奇迹和严紧电子奇迹。日本东京荏原的200 mm和300 mm CMP扔光筑造均具有高牢靠性和高临盆率□□□□□,荏原具有的12英寸晶圆10~20 nm级CMP筑造□□□,能正在必然水准上完成对美邦产物的取代。

  荏原正在欧洲、日本等环球的研发团队接续促进最先辈的操纵序次定位于行业临盆和新技能请求的前沿。除了MEMS / SOI /磁介质行业的寻事外□□□□,荏原的高通量F-REX系列CMP编制正正在运转当今最苛苛的操纵□□□□□,如用于IC筑设的氧化物、ILD、STI、钨和铜。它们具有精采的牢靠性□□□□,本能超越250小时MTBF。实用于200和300 mm晶圆直径的F-REX200和F-REX300SII平台离别供给最先辈的策画和本能□□□,以满意最先辈的器件筑设需求。它们供给面向用户的编制筑设□□□□□,旨正在完成最大模糊量和一切干燥/干燥晶圆处分功用。F-REX200用具代外了实用于200 mm晶圆的最新CMP技能(也可用150 mm)。它采用了EB原专利的干进干出晶圆处分技能。洁净模块集成正在CMP用具内□□□□□,从而将干晶片输送到后续工艺中。F-REX200编制装备2个压板□□□,每个压板1个头和4个洁净站□□□□□,可选配4个盒式SMIF兼容装载端口和CIM主机通讯。其他选项包含端点指向、扔光板和正在线年起□□□,清华大学板滞系雒筑斌院士、“长江学者”道新春教导指挥筹议团队从事扔光技能筹议□□□□□,正在扔光技能与扔光设备筹议范畴上均赢得了特出的劳绩□□□, 2012年□□□□□,清华大学获胜研制出具有自立学问产权的邦内首台12英寸“干进干出”CMP筑造。2013年3月□□□,清华控股合伙天津市

  设立华海清科□□□□□,促进该项科技成效的财富化经过。2014年□□□,通过清华大学科技成效转化□□□□,华海清科研制出邦内首台12英寸“干进干出”CMP贸易机型—Universal-300□□□,2015年该机台进入中芯邦际北京厂□□□□,2016年通过中芯邦际调查并完成发售。这填充了我邦集成电道筑设范畴CMP筑造技能的空缺□□□□□,冲破了海外垄断。截至2019年4月□□□,该机台已累计加工60000余片硅片。2017年2月□□□□,华海清科第二台CMP工艺筑造进入中芯邦际北京厂□□□□□,仅用78天的岁月就告竣了装机、调试□□□,并临盆了过百片晶圆□□□,创设了首台邦产中枢工艺筑造正在集成电道大临盆线上线的最高效能□□□,荣获了中芯邦际授予的“特出成果奖”。2018年1月18日□□□□,继正在中芯邦际亨通告竣IMD/ILD/STI工艺产物大量量临盆之后□□□,清华控股成员企业华海清科的Cu &Si CMP筑造进入上海华力。这是邦产CMP机台第一次进入上海华力□□□□,也符号着邦产首台12英寸铜制程工艺CMP筑造正式进入集成电道大临盆线所研发的邦产首台200 mm CMP商用机通过了肃穆的万片马拉松式测试□□□□□,起程发往中芯邦际(天津)公司实行上线验证。这意味着电科设备45所的筑造获得了用户的认同□□□,产物从中低端迈向了高端□□□□,也符号着电科设备向委实现集成电道中枢设备自立可控□□□□□,担起大邦重器的仔肩迈出了主要的一步。杭州众德是新设置的一家公司□□□,由中电科45所中的CMP技能专家创业创立。

  2.5 盛美半导体盛美半导体的CMP筑造重要用于后段封装的65~45 nm铜互联工艺。盛美操纵晶圆无应力扔光技能□□□□,采用该技能的样机已被Intel和美邦LSI Logic公司所采购。正在2019年3月上海“SEMICON China2019”上□□□,盛美半导体再次发外先辈封装扔铜筑造□□□□□,新推出的封装扔铜筑造则针对人工智能(AI)芯片封装工艺开荒。分别于古板芯片□□□□□,AI芯片具有更众的引脚□□□□□,需求全新的立体封装工艺和封装筑造□□□□□,个中的扔光工艺需求高本钱的扔光粉。针对2.5D封装工艺需求□□□□□,盛美半导体的这款扔光筑造采用湿法电扔光工艺□□□□□,不但裁减约90%扔光粉(CMP)花费量□□□□□,还可能对扔光液中的铜实行接收。因为电扔光的化学液可能反复轮回行使□□□,云云可能俭约80%以上的耗材用度。

  CMP筑造商场是一个高度垄断的商场□□□□□,商场份额重要纠集于美邦操纵质料和日本荏原两家巨头□□□□,二者攻陷了环球CMP筑造98%的商场份额。个中美邦操纵质料更是一家独大□□□□,2018年商场份额高达71%□□□□,排名第二的日本荏原只占领27% [1] 。邦产CMP筑造目前重要为中低端产物□□□,12英寸的高端CMP筑造也重要处正在产物验证阶段。固然出货量较少□□□□□,然则相较其他半导体筑造□□□□,邦产CMP筑造赢得了较大的成果□□□,华海清科和中电45所自立研发的12英寸CMP筑造填充了我邦CMP筑造商场的空缺□□□□□,为我邦半导体筑造邦产化取代做出了主要的奉献。

  从商场前景的角度理解□□□□,一方面□□□□,2018年中邦半导体筑造商场范畴增速快要60%□□□□,占环球20%的商场份额。据SEMI估计□□□□,2017-2020年间□□□□□,环球将新增半导体产线条新增产线%□□□□□,新增产线将为半导体筑造带来伟大的商场空间。另一方面□□□,跟着新能源汽车、5G通讯以及物联网操纵的振起□□□,MOSFET功率器件、电源统治芯片、5G射频芯片、物联网芯片、MEMS器件以及化合物半导体器件需求特别兴隆□□□□,而这些芯片公共是正在200 mm的产线上临盆告竣的□□□□,环球集成电道行业正在200 mm晶圆厂产能和筑造方面都主要缺少□□□□,晶圆筑设厂连续正在寻求放大200 mm筑设产能。但目前邦际龙头企业依然根本停产200 mm筑造□□□□□,玻璃抛光机设备二手200 mm筑造价钱也正在水涨船高□□□,200 mm筑造的商场空间伟大。邦内CMP筑造厂商200 mm英寸筑造技能相对较成熟□□□,邦产筑造厂商可能收拢集成电道财富敏捷成长的大好地势□□□□,依附财富计谋导向□□□,抢抓时机、抢占商场□□□□,依附产物价钱上风渐渐正在个人产物或细分范畴挤占邦际厂商的商场空间□□□□,做大做强、完成逾越式成长□□□,为中邦极大范畴集成电道筑设做出主动奉献。

  邦内半导体工业的相对落伍导致了半导体筑造财富起步较晚□□□□,更加正在要害筑造范畴与海外巨头的差异仍有好几十年□□□□,受到技能、资金以及人才的限度□□□□,邦内半导体筑造真相薄、根源弱□□□□□,财富总体展现出企业范畴偏小、技能秤谌偏低、以及财富结构阔别的特性。而邦际半导体筑造成长斗劲成熟□□□□,CMP筑造露出高度垄断的特性□□□,正在现有的角逐格式下□□□□,邦产筑造通过研发进入再重头做起□□□,肯定会花费大方的岁月和元气心灵□□□□,产物不才逛操纵施行历程中还要和海外巨头角逐□□□□□,而下逛厂商对取代也会考量本钱要素□□□,能否掀开下逛商场是企业红利存活的要害要素。

  [1]李丹.化学板滞扔光(CMP)筑造商场大概.电子产物全邦□□□,2019(5):11-13

  李丹□□□,理学博士□□□□□,中级工程师□□□□□,筹议偏向□□□:集成电道质料与筑造、化合物半导体、人工智能芯片。

  本文由来于科技期刊《电子产物全邦》2019年第6期第31页□□□□,接待您写论文时援用□□□□,并声明来由

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