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拋光液:材料界的‘SPA’專家!


來源:中國粉體網(wǎng)   山林

[導(dǎo)讀]  拋光液,CMP的超強輔助

中國粉體網(wǎng)訊  化學機械拋光(CMP)技術(shù)能夠消除芯片表面的高點及波浪形。CMP通過拋光液中化學試劑的化學腐蝕和機械磨削的雙重耦合作用,在原子水平上去除表面缺陷,獲得全局平坦化表面,因此,拋光液對拋光效果起到至關(guān)重要的影響


 

CMP工藝  來源:何潮等,半導(dǎo)體材料CMP過程中磨料的研究進展


CMP拋光液作為影響化學機械拋光質(zhì)量和拋光效率的關(guān)鍵因素,其組分一般包括磨料、氧化劑和其它添加劑。添加劑一般包括絡(luò)合劑、螯合劑、緩蝕劑、表面活性劑,以及pH調(diào)節(jié)劑等。通常根據(jù)被拋光材料的物理化學性質(zhì)及對拋光性能的要求,來選擇所需的成分配置拋光液。


 

化學機械拋光液各組分  來源:王東哲等,化學機械拋光液的研究現(xiàn)狀


化學機械拋光液各組分


1. 磨料


作用:磨料是CMP拋光液中最直接參與去除材料的部分。它們通過物理摩擦作用,幫助去除工件表面因氧化劑反應(yīng)生成的軟質(zhì)薄膜。


粒徑和硬度的影響:


粒徑:磨料的大小直接影響到拋光效率和表面質(zhì)量。過大粒徑會增加劃痕和其他表面損傷的風險;而過小粒徑雖然可以提供更好的表面光滑度,但會顯著降低材料去除率。


硬度:磨料的硬度需要與被拋光材料相匹配。過硬可能導(dǎo)致表面刮傷或產(chǎn)生更多缺陷;過軟則會導(dǎo)致材料去除率低下。


選擇:根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇合適的磨料類型(如SiO2、Al2O3、CeO2等),并精確控制其粒徑分布及硬度。


 

不同尺寸的CeO2顆粒

來源:范永宇,CeO2復(fù)合磨料制備及其在化學機械拋光中的應(yīng)用


2. pH調(diào)節(jié)劑


用:通過調(diào)整拋光液的酸堿度來優(yōu)化化學反應(yīng)條件,確保化學反應(yīng)按照預(yù)期進行。


酸性拋光液:適用于金屬材料拋光,具有較強的溶解能力和較高的拋光效率。然而,它對設(shè)備有較高要求,并可能缺乏良好的選擇性。


堿性拋光液:更適合非金屬材料,擁有較好的選擇性和較低的腐蝕性,但在尋找高效氧化劑方面存在挑戰(zhàn)。


應(yīng)用:根據(jù)待拋光材料特性和所需表面特性選擇適當pH值范圍內(nèi)的拋光液。


3.氧化劑


作用:氧化劑與工件表面發(fā)生化學反應(yīng),形成一層容易被機械移除的軟質(zhì)物質(zhì),從而實現(xiàn)高效且均勻的材料去除。


重要性:正確選擇氧化劑對于保證拋光過程的有效性和最終產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。不同材料對應(yīng)不同的最佳氧化劑。


考慮因素:除了活性外,還需要考慮到與其他成分之間的兼容性以及對環(huán)境的影響等因素。


4.抑制劑


作用:抑制劑用來控制化學侵蝕的程度,使得整個拋光過程更加可控和平穩(wěn)。它可以提高局部區(qū)域的選擇性蝕刻效果,同時減少對設(shè)備本身的損害。


效果:通過添加特定類型的抑制劑,可以在一定程度上改善拋光液的選擇性,使其能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的處理需求。


5.表面活性劑


選擇合適的表面活性劑可以同時起到磨料分散、表面潤濕、去污、腐蝕抑制等多種效果,應(yīng)用潛能巨大。


第一,可以改善磨料的分散性。堿性拋光液中CeO2磨料帶負電荷,加入陰離子表面活性劑可以增強其Zeta電位,增大磨料間靜電斥力,實現(xiàn)拋光液穩(wěn)定。此外,非離子型表面活性劑的結(jié)構(gòu)中有聚合的長鏈,吸附在磨料表面可以形成較強的空間位阻,同樣能增加不溶性磨料的懸浮穩(wěn)定性。


第二,增強拋光液對工件的潤濕性。通過降低表面張力,增強對工件表面的潤濕,使拋光液與凹陷表面充分接觸并發(fā)揮作用,提高拋光性能。


第三,減少工件表面的污染。拋光后工件表面會殘留大量磨料和有機試劑,且吸附方式會慢慢從物理吸附轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W吸附,增大去除難度。合適的表面活性劑可優(yōu)先于污染物吸附在工件表面,從源頭減少污染,提高拋光潔凈度。第四,降低腐蝕速率。在硅襯底的拋光中加入FA/O表面活性劑使得去除凸起部位過程中,對表面凹陷進行類似腐蝕抑制劑的緩蝕保護,避免過度腐蝕。


拋光液種類繁多,大多是根據(jù)客戶的工藝進行定制化


根據(jù)研磨顆粒,大致分為二氧化硅拋光液、氧化鈰拋光液、氧化鋁拋光液和納米金剛石拋光液。


• 二氧化硅拋光液:以高純度硅粉為原料,經(jīng)特殊工藝生產(chǎn)的一種高純度低金屬離子型拋光產(chǎn)品。廣泛用于多種材料納米級的高平坦化拋光。


• 氧化鈰拋光液:穩(wěn)定性能好,顆粒均勻,平均粒徑100納米,用于光學玻璃拋光。


• 氧化鋁拋光液:氧化鋁拋光液以分級后氧化鋁微粉為原料,按特殊配方充分混合制備而成,用于各類工件粗拋、中拋、精拋工序。


• 納米金剛石拋光液:由優(yōu)質(zhì)金剛石微粉、復(fù)合分散劑和分散介質(zhì)組成,配方多樣化,適用性強,廣泛用于硬質(zhì)材料的研磨和拋光。


 

來源:上海蔡康光學儀器有限公司


根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域,大致分為硅拋光液、銅及銅阻擋層拋光液、鎢拋光液、鈷拋光液、層間介質(zhì)層拋光液、淺槽隔離層拋光液和3D封裝硅通孔拋光液。


• 硅拋光液:用于單晶硅/多晶硅的拋光,主要用于硅晶圓初步加工。


• 銅及銅阻擋層拋光液:芯片中銅及阻擋層的去除和平坦化。生產(chǎn)邏輯、存儲芯片需大量使用。


• 鎢拋光液:芯片中鎢塞和鎢通孔的平坦化。生產(chǎn)存儲芯片需大量使用,邏輯芯片只用于部分工藝。


• 鈷拋光液:用于10nm節(jié)點以下芯片中鈷的去除和平坦。


• 介質(zhì)層拋光液:用于集成電路制造工藝中層間電介質(zhì)和金屬間電介質(zhì)的去除和平坦化


• 淺槽隔離層(STI)拋光液:用于集成電路制造工藝中淺槽隔離的拋光。


• 3D封裝硅通孔(TSV)拋光液:用于對硅通孔(TSV)的拋光。


 

來源:東菀市創(chuàng)力半導(dǎo)體科技有限公司


參考來源:

[1] 雷紅等,化學機械拋光(CMP)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用及存在問題

[2] 嚴嘉勝等,硅晶片化學機械拋光液的研究進展

[3] 何潮等,半導(dǎo)體材料CMP過程中磨料的研究進展

[4] 燕禾等,化學機械拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

[5] 王東哲等,化學機械拋光液的研究現(xiàn)狀

[6] 范永宇,CeO2復(fù)合磨料制備及其在化學機械拋光中的應(yīng)用

[7] 中國科學院半導(dǎo)體研究所、芯小虎

[8] 上海蔡康光學儀器有限公司官網(wǎng)、東菀市創(chuàng)力半導(dǎo)體科技有限公司官網(wǎng)、吉致電子科技有限公司官網(wǎng)


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山林)

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