半导体表面平坦化核心工艺

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）是半导体制造中的核心工艺，主要用于实现晶圆表面的高精度平坦化。以下是关于该工艺的详细介绍：

一、基本原理

1. 协同作用机制

   CMP通过化学腐蚀与机械研磨的协同作用，去除晶圆表面多余材料。化学腐蚀由抛光液中的氧化剂、催化剂等与待抛光材料发生反应生成化学反应膜，机械研磨则通过抛光垫上的磨粒和摩擦力去除该反应膜。

2. 工艺流程

   • 晶圆通过承载器以面朝下的方式固定在旋转的抛光垫上，同时施加气压或机械背压。

   • 抛光液中的磨粒与抛光垫摩擦，配合化学活性剂作用，逐层去除材料。

   • 通过终点检测系统实时监测膜厚，调节压力以避免过抛。

二、关键特点

1. 高精度与均匀性

   • 实现纳米级（3-10nm分辨率）平坦化，满足先进制程对表面粗糙度的严格要求。

   • 可全局分区施压，独立控制多个环状区域的抛光形貌。

2. 材料适应性

   • 支持衬底（如硅）、金属层（如Al/Cu）、介质层（如SiO₂、AlN）及特殊材料（如ITO）的抛光。

3. 工艺优势

   • 相比传统单一机械或化学抛光，CMP成本更低、操作更简便，已成为主流表面平整处理技术。

三、应用领域

• 前道制程 ：薄膜沉积后、光刻前多次应用，确保多层立体布线结构的平坦性。

• 后段封装 ：先进封装工艺中的关键步骤，如浅沟槽隔离层（STI）的制备。

四、核心要素

• 抛光垫与抛光液 ：需根据材料特性匹配，直接影响抛光质量和效率。

• 压力与控制 ：通过压力调节系统实现动态调整，防止过抛或欠抛。

五、发展历程

• 1983年由IBM发明，1986年氧化物CMP开始应用，后续逐步扩展至金属、介质层等材料。

CMP通过化学与机械的协同作用，成为半导体制造中不可或缺的关键工艺，支撑着从单晶硅片到先进封装的整个生产链。