晶圆为什么要抛光？半导体|光刻机

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失效分析赵工半导体工程师 2024-03-01 11:44 北京为什么要把晶圆打磨的这么光滑？
晶圆的最终命运是被切成一枚枚芯片（die) ，封装在暗无天日的小盒子里，只露出几枚引脚，芯片会看阈值，阻值，电流值，电压值，就是没人看它的颜值，我们在制程中，反复给晶圆打磨抛光，还是为了满足生产中的平坦化需要，尤其是在每次做光刻时，晶圆的表面一定要极致的平坦，这是因为随着芯片制程的缩小，光刻机的镜头要实现纳米级的成像分辨率，就得拼命增大镜片的数值孔径（Numerical Aperture) ，但这同时会导致焦深（DoF）的下降，焦深是指光学成像的聚焦深度，要想保证光刻图像清晰不失焦，晶圆表面的高低起伏，就必须落在焦深范围之内。
简单说就是光刻机为了提高成像精度，牺牲了对焦能力，像新一代的EUV光刻机，数值孔径0.55 ，但垂直方向上的焦深，总共只有45纳米，光刻时的最佳成像区间则会更小。假如放上去的晶圆不够平坦，厚度不平均，表面有起伏，就会导致高低处的光刻出问题。

当然也不只有光刻才会要求晶圆表面的丝滑，还有很多造芯片的工序，都需要打磨晶圆，湿法刻蚀后要打磨，紧致腐蚀的粗糙面，方便涂胶沉积，浅槽隔离（STI）后要打磨，磨平多余的氧化硅完成沟槽填充，金属沉积后要打磨，去除溢出的金属层，防止器件短路。
因此一枚芯片的诞生，中间要经历很多次打磨来降低晶圆的粗糙度和高低起伏，去除表面多余的物质，另外晶圆上各种工艺问题，导致的表面缺陷（defect) ，经常也要等到每次打磨完成后，才会暴露出来，所以负责研磨的工程师责任重大，他们既是芯片制程中承上启下的C位，也是生产会议中接盘背锅的T位，他们既要会湿法刻蚀，又得懂物理输出，因为芯片厂最主要的抛光技术。
晶圆的抛光方法有哪些？

抛光工艺根据抛光液和硅片表面间的作用在原理上可分为以下3大类?

1.机械抛光法
机械抛光是靠切削、材料表面塑性变形去掉被抛光后的凸部而得到平滑面的抛光方法，一般使用油石条、羊毛轮、砂纸等，以手工操作为主，特殊零件如回转体表面，可使用转台等辅助工具，表面质量要求高的可采用超精研抛的方法。超精研抛是采用特制的磨具，在含有磨料的研抛液中，紧压在工件被加工表面上，作高速旋转运动。利用该技术可以达到Ra0.008μm的表面粗糙度，是各种抛光方法中高的。光学镜片模具常采用这种方法。
2.化学抛光法
化学抛光是让材料在化学介质中表面微观凸出的部分较凹部分优先溶解，从而得到平滑面。这种方法的主要优点是不需复杂设备，可以抛光形状复杂的工件，可以同时抛光很多工件，效率高。化学抛光的核心问题是抛光液的配制。化学抛光得到的表面粗糙度一般为数10μm 。
3.化学机械抛光法(CMP)
前两种抛光法都有自己独特的优点，若将这两种方法结合起来，则可在工艺上达到优缺互补的效果。化学机械抛光采用将机械摩擦和化学腐蚀相结合的工艺，在CMP工作过程中， CMP用的抛光液中的化学试剂将使被抛光基底材料氧化，生成一层较软的氧化膜层，然后再通过机械摩擦作用去除氧化膜层，这样通过反复的氧化成膜-机械去除过程，从而达到了有效抛光的目的。

当前化学机械抛光（CMP）领域面临一些挑战和问题，这些问题包括技术性、经济性和环境可持续性等方面：

（1）工艺一致性：实现CMP过程的高度一致性仍然是一个挑战。即使在同一生产线上，不同批次之间或不同设备之间的工艺参数可能存在微小差异，影响最终产品的一致性。
（2）新材料适应性:随着新材料的不断涌现， CMP技术需要不断适应新材料的特性。一些先进材料可能对传统CMP工艺不够兼容，需要开发适应性更强的抛光液和磨料。
（3）尺寸效应：随着半导体器件尺寸的不断缩小，尺寸效应带来的问题变得更为显著。在微小尺寸下，表面平整度的要求更高，因此需要更精密的CMP工艺。
（4）材料去除率控制：在一些应用中，对不同材料的精确去除率控制变得尤为关键。确保不同层材料在CMP过程中的去除率一致性对于制造高性能器件至关重要。
（5）环境友好:CMP过程中使用的抛光液体和磨料可能包含一些环境有害的成分。研究和开发更环保、可持续的CMP工艺和材料是一个重要的挑战。
（6）智能化与自动化:CMP系统的智能化和自动化程度逐渐提高，但仍需应对复杂多变的生产环境。如何实现更高程度的自动化和智能监测，以提高生产效率，是一个需要解决的问题。
（7）成本控制：CMP工艺涉及到高昂的设备和材料成本。制造商需要在提高工艺性能的同时，努力降低生产成本，以保持市场竞争力。
来源：旺材芯片半导体工程师
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