隨著先進制程向3nm及以下節(jié)點的突破，晶圓全局平坦化精度要求已進入亞埃級別，晶圓表面極其微小的不平整都可能導(dǎo)致電路短路、信號延遲甚至器件失效，對產(chǎn)品性能和產(chǎn)品良率產(chǎn)生深遠影響，化學(xué)機械平坦化（CMP）作為半導(dǎo)體制造的核心工藝之一，承擔著消除晶圓表面平整化的關(guān)鍵使命，而作為CMP制程重要耗材的拋光墊也對晶圓良率和拋光效率有著重要作用。本篇文章從拋光墊材質(zhì)和表面結(jié)構(gòu)兩個方面看它是如何對CMP拋光效果產(chǎn)生影響的。

拋光墊材質(zhì)

CMP拋光墊一般由拋光層、基材層、海南沖層、粘合劑層等構(gòu)成，其中拋光層是拋光墊的核心部分，主要由無紡布或聚氨酯、環(huán)氧樹脂、磺化聚異戊二烯共聚物、海藻酸鈉等聚合物等作為基體材料，可添加一些磨料（也可不添加）制備而成的具有微孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡材料。通常，拋光墊材料的物理和化學(xué)性能將會影響拋光界面(晶片-拋光液-拋光墊界面)的接觸狀態(tài)和接觸力，從而影響材料去除速率及晶片表面粗糙度。

1、聚氨酯拋光墊

聚氨酯拋光墊最常用的CMP拋光墊材料之一，這種拋光墊除了具有抗撕裂強度高、耐酸堿腐蝕性優(yōu)異、耐磨性好、形變性小和拋光效率高等優(yōu)點，還通過聚氨酯發(fā)泡工藝形成了具有均勻微孔的結(jié)構(gòu)，一方面可以使拋光液均勻的分布在晶圓表面，并使拋光殘渣的排出，另一方面還能使拋光墊表面粗糙化，從而實現(xiàn)高效的平坦化加工。不過由于聚氨酯拋光墊硬度較高，拋光過程中變形小，加工過程中容易劃傷芯片表面。因此，聚氨酯拋光墊廠多用于粗拋階段。

來源：合成材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院

2、無紡布拋光墊

無紡布拋光墊的原材料聚合物棉絮類纖維滲水性能好，容納拋光液的能力強，但是其硬度較低、對材料去除率低，因此會降低拋光片平坦化效率，常用在細拋工藝中。值得注意的是，無紡布通常還可通過表面打毛的方式形成多孔絨毛結(jié)構(gòu)，并在中間層采用聚合物，具有硬度小、壓縮比大、彈性好等優(yōu)勢，因此這種帶絨毛結(jié)構(gòu)的無紡布拋光墊在受到壓力時拋光液會進入到空洞中，而在壓力釋放時會恢復(fù)到原來的形狀，將舊的拋光液和反應(yīng)物捧出，并補充新的拋光液，大大提高了拋光精度、打磨強度和使用壽命，適用于晶片的精拋工序中。

帶絨毛結(jié)構(gòu)無紡布拋光墊（來源：半導(dǎo)體視界）

3、生物基凝膠拋光墊

部分研究者創(chuàng)新性地采用海藻酸鈉等生物高分子凝膠體系作為基體材料，并通過添加磨料，或?qū)⑻砑幽チ虾蟮慕M合物涂覆于無紡布、PCM布料基材上制成柔性拋光墊，可用于CMP精拋。該拋光墊具備兩大核心優(yōu)勢：一是凝膠原材料來源于生物體，為環(huán)保型CMP工藝提供產(chǎn)業(yè)化可行路徑。二是這種生物質(zhì)凝膠具有優(yōu)異的持水性能，降低了體積收縮率，同時提升了與無紡布的結(jié)合情況，減少了凝膠破損、凝膠與基材布料的脫離。不過，該拋光墊制備較為復(fù)雜，在產(chǎn)業(yè)上還未形成規(guī)模化應(yīng)用。

4、復(fù)合型拋光墊

復(fù)合型拋光墊采用"上硬下軟"的上下兩層復(fù)合結(jié)構(gòu)，兼具了軟質(zhì)拋光墊拋光精度高和硬質(zhì)拋光墊拋光效率高的優(yōu)點，其中硬質(zhì)層作為支撐，可將大幅降低拋光墊的回彈率，減少了拋光墊的凹陷和提高了均勻性，解決了因拋光墊使用過程中易釉化的問題。而且由于這種拋光墊能夠很好地儲存拋光液，并使其不滲透到拋光墊的內(nèi)部，拋光效果也十分穩(wěn)定。

拋光墊表面結(jié)構(gòu)

拋光墊的表面結(jié)構(gòu)特性包括微表面形貌(孔隙率、微孔密度)、表面溝槽紋理圖案、拋光墊表面微凸體高度及分布等，拋光墊的表面結(jié)構(gòu)特性不僅影響墊本身的性能，還會進一步影響CMP過程以及加工效果。

1、表面微形貌

拋光墊通常表面充滿微孔，其中，微孔可用于儲存運輸拋光液和磨料顆粒，并且能耐受拋光液中化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，能及時排除拋光產(chǎn)物，從而對材料去除產(chǎn)生影響。因此孔隙率和孔隙均勻性是影響拋光墊性能的重要指標。一般來說，孔徑越大的拋光墊，其運輸能力越強，但孔徑過大時又會影響拋光墊的密度和強度。而孔隙分布較為規(guī)則的拋光墊的吸水性更好，拋光液分布更加均勻，拋光性能更穩(wěn)定。

來源：chip919

2、表面溝槽設(shè)計

為了提高拋光墊儲存、運送拋光液能力，改善拋光液的流動性，同時改善拋光墊表面的摩擦系數(shù)和剪切應(yīng)力，通常會在其表面進行開槽。拋光墊表面溝槽的幾何形狀、深度、寬度、密集度等都會影響拋光墊的特性。

從溝槽深度、密集度來看，擁有更深、更密集溝槽的拋光墊，不僅擁有更大的廢屑排出能力，而且能夠在拋光過程中持續(xù)提供充足的拋光液，使得磨粒的機械作用和拋光液化學(xué)作用越強，材料去除能力更高，拋光質(zhì)量也更好。此外，隨著使用時間的增加，拋光墊表面會逐漸磨損，深溝槽能實現(xiàn)更長的使用壽命。不過溝槽過大、過寬、過于密集的拋光墊，又不利于拋光液化學(xué)成分的充分利用，因此在拋光墊的設(shè)計與選擇上，需要在溝槽存儲能力、廢屑排出能力等方面尋求一個精妙的平衡點。

從溝槽的幾何形狀來說，表面溝槽的形狀會影響晶片與拋光墊之間的接觸模式，只有合理設(shè)計徑向與周向溝槽才能使拋光達到高效率、高質(zhì)量。目前常見的溝槽形式有放射型、網(wǎng)格型、圓環(huán)型以 及正、負螺旋對數(shù)型等。其中，經(jīng)研究人員實驗發(fā)現(xiàn)，負螺旋對數(shù)型拋光墊的溝槽有助于新拋光液的運送和均布，同時負對數(shù)溝槽的形成方向與拋光墊旋轉(zhuǎn)方向相反，在離心力的作用下，有助于排出舊拋光液及拋光產(chǎn)物，使得新拋光液能及時進入加工區(qū)域，晶片與拋光墊之間的摩擦系數(shù)較大，拋光效率最高。而正對數(shù)溝槽的形成方向與拋光墊旋轉(zhuǎn)方向一致，晶片與拋光墊之間容易產(chǎn)生過多的拋光液，摩擦系數(shù)減小，拋光效率有所降低。

參考文獻：

1、周國營,周文.芯片超精密拋光用CMP拋光墊研究進展[J].廣東化工.

2、劉海軍.電子產(chǎn)品制造過程中CMP材料的應(yīng)用研究[J].電子產(chǎn)品世界.

3、王林,郭東明,周平.拋光墊微觀接觸對化學(xué)機械拋光材料去除的影響及其跨尺度建模方法[J].金屬加工(冷加工).

4、梁斌,高寶紅,劉鳴瑜,等.CMP拋光墊表面及材料特性對拋光效果影響的研究進展[J].微納電子技術(shù).

5、胡偉,魏昕,謝小柱.化學(xué)機械拋光中拋光墊表面溝槽的研究[J].制造技術(shù)與機床.

6、半導(dǎo)體視界. CMP拋光墊簡介.

7、Tom聊芯片智造 . cmp拋光墊有哪些重要指標？

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