半导体微课堂 | 化学机械抛光应用

本期应用专题重点介绍化学机械抛光（CMP）工艺流程中可能出现的问题。化学机械抛光，又称化学机械平坦化，是半导体制造的关键制程工艺之一。晶圆的每一个层级都需经过多次CMP抛光处理，其目的在于去除表面的材料残余，或为添加下一层电路结构创设一个平整的基底。

抛光垫和抛光液（抛光液是一种具有磨蚀性和腐蚀性的化学混合物，通常含有胶体二氧化硅），是实现晶圆平坦化（即通过抛光使晶圆表面实现平整）不可或缺的工具。使用不断旋转抛光头，将抛光垫和晶圆挤压在一起，再通过保持环将其固定。此时，抛光头围绕不同的旋转轴旋转(非同心)，而抛光液中的磨蚀性粒子不断研磨样本表面，使残余材料松动。最终，抛光液中的化学成分会将脱落的残余材料溶解。

CMP工艺可使整个晶圆表面达到光刻系统的聚焦深度（DOF）范围。然而，CMP工艺所涉及的尺寸极小——以最新的22纳米制程为例，聚焦深度甚至可达数埃（angstrom）级别——因此，绝对精度才是判断抛光成功与否的关键。此外，CMP抛光过程通常需在60秒内完成，包括退出CMP系统前的抛光后清洁步骤（清洗、冲洗和干燥）。

潜在问题

CMP工艺可能会对芯片产品的质量和性能带来正面和负面的影响。抛光后，晶圆的聚焦深度取决于表面平整度，而聚焦深度又会显著影响晶圆上层制程的光刻质量。换言之，在最坏的情况下，严重的CMP缺陷可能产出不合格的芯片。
问题的关键在于，传统的CMP压力监测方案时常发生阻力损失，对工艺的准确性造成不良影响。半导体制造商必须准确判断工件在抛光环境下受到的实际下压力，才能实现精确控制，从而避免下游质量问题。

实际情况中，CMP工艺涉及两个力向量（如下图蓝色箭头所示）：一个是晶圆和抛光垫之间的作用力，另一个则是修整抛光垫表面产生的作用力。只有使用高分辨率的传感器，才能检测抛光垫/晶圆接面上产生的极微小力，从而妥善测量上述力分量；理想情况下，传感器还应提供实时反馈，便于制造商监控和控制抛光过程。

解决方案

基于动态力测量技术构建的先进解决方案具有极高的分辨率，能够检测极小力的变化（小于1克）。奇石乐的动态力测量解决方案能够为客户提供精确的监控数据，其卓越性能源自核心组件——压电式（PE）传感器独特的物理性质：

分辨率高、测量范围宽，可测量较小的力而不会损坏传感器

刚度极佳——抗磨损，使用寿命长，性能和重复精度稳定

紧凑型设计

能够捕捉极微小的力值（应力计等测量技术无法实现该功能）

适用于超高测试频率下的高速测量

实用示例

奇石乐的高度精确的CMP监控解决方案清晰地展现了上述优势。

在该解决方案中，一个安装在载物头中，载物头将晶片固定在抛光垫上。另一个则安装在研磨液输送系统上，用于测量研磨液在抛光过程中施加的力。

结果

精准监控晶圆的初始接触力和实际施加的下压力，实时反馈监控和控制情况。针对性能更高的设备，还可利用各个力传感器提供的反馈校准主轴。

整体优势

控制精度更高

质量更高

行业专家提供的专业知识和技术支持

奇石乐通过提供本地及全球售后支持服务，为半导体行业客户的生产工作提供全方位支持。奇石乐售后支持服务全面覆盖系统生命周期的四个阶段：

设备研发：提供可行性和产品选择的应用建议，提供研发支持和传感器安装服务；

测试和调试：测试设备集成、调试和培训；

运行和优化：测量结果分析、工厂优化、传感器定期校准；

改造：设备分析、定制化建议、测量链的安装和调试。

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