科普 | 晶圆抛光的目的和工艺类型

时间： 2024-09-04 来源：SMC（桑德斯微电子公众号）

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在光刻时，晶圆的表面需要保持极致的平坦。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。

还有很多芯片工序也需要打磨晶圆：

湿法刻蚀后要打磨，以紧致腐蚀的粗糙面，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抛光来降低晶圆的粗糙度和高低起伏，去除表面多余的物质。此外，晶圆上的各类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。

晶圆抛光工艺

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。

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相比进行优先溶解，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，也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。

▲化学抛光液

化学机械抛光法 (CMP) 化学机械抛光将机械摩擦和化学腐蚀相结合，可在工艺上达到优缺互补的效果。在化学机械抛光过程中，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。

▲CMP工作原理

典型的CMP浆料由分散在酸性或碱性溶液中的微纳磨料组成。在机械磨损过程中，化学反应会软化材料。浆料颗粒和抛光副产物被压到晶圆表面上。在晶圆从抛光机转移到清洗机的过程中，污染物会粘附在晶圆表面。

CMP后清洗需要去除具有不同表面、化学和机械特性、各种几何特征的晶圆上的颗粒、有机残留物和金属污染物，而不会产生划痕、水痕、表面粗糙度、腐蚀和介电常数变化。

桑德斯微电子（SMC）成立于1997年，是一家中美合资集研发、设计、制造、销售为一体的高新技术企业。桑德斯微电子的半导体芯片、大功率半导体器件等产品广泛应用于航空航天、通讯、工业、光伏、风能、汽车、家电、医疗等尖端领域。

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