作者/李丹 赛迪参谋 集成电路工业研讨中心高档剖析师 （北京 100048）
摘要：剖析了CMP设备技能、设备供货商及出资要害。
要害词：CMP；设备；出资
1 CMP设备技能概略
1.1 CMP工艺技能开展进程
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技能的概念是1965年由Monsanto初次提出，该技能开端是用于获取高质量的玻璃外表，如军用望远镜等。CMP工艺由 IBM 于1984年引进集成电路制作工业，它首要用于后道工艺金属间绝缘介质（IMD）层的平整化，之后用于金属钨(W）的平整化，随后又用于浅沟槽阻隔（ST）和铜(Cu)的平整化。整个CMP工艺只需短短的30秒就能完结，包含退出CMP体系前的研磨后清洁（对晶圆进行洗刷、冲刷和枯燥）。一切这些工序整合到一同，可完结极佳的平整度。
CMP在二十世纪90年代中期真实开端起飞，其时半导体业期望用导电速度更快的铜电路代替铝电路，来进步芯片的功用。铝互连线的制作是先堆积一层金属层，然后再用反响性气体把不要的部分腐蚀掉，铜金属层无法运用这种办法容易去除，因而开发出了铜CMP 技能。今日出产的每一块微处理器都运用铜连线，而CMP设备更是任何芯片制作商不可或缺的必备东西。CMP工艺在芯片制作中的运用包含浅沟槽阻隔平整化（STI CMP）、多晶硅平整化（Poly CMP）、层间介质平整化（ILD CMP）、金属间介平整化（IMD CMP）、铜互连平整化（Cu CMP）。
1.2 CMP抛光工艺技能原理
CMP从概念上很简单，但纳米级CMP其实是一项很杂乱的工艺。在晶圆外表堆叠的不同薄膜各自具有不同的硬度，需以不同的速率进行研磨。这可能会导致“洼陷”现象，也便是较软的部分会凹到较硬资料的平面之下。差异于传统的纯机械或纯化学的抛光办法，CMP经过化学的和机械的归纳作用，最大程度削减较硬资料与较软资料在资料去除速率上的差异，也有用避免了由单纯机械抛光构成的外表损害和由单纯化学抛光易构成的抛光速度慢、外表平整度和抛光一致性差等缺点。
CMP工艺平整化原理是，运用机械力作用于圆片外表，一起由研磨液中的化学物质与圆片外表资料产生化学反响来添加其研磨速率（如图1）。CMP技能所选用的设备及消耗品包含：抛光机、抛光浆料、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光结尾检测及工艺操控设备、废物处理和检测设备等。CMP技能难点是干和湿混合、要在化学和机械之间找好平衡。
CMP工艺中最重要的两大组成部分是研磨液和研磨垫，抛光液和抛光垫均为消耗品，抛光垫的运用寿命一般为45~75小时。抛光液分为酸性抛光液和碱性抛光液，是均匀涣散胶粒的乳白色胶体，首要起到抛光、光滑、冷却的作用。以碱性SiO 2 抛光液为例，其成分首要包含研磨剂(SiO 2 胶粒)、碱、去离子水、外表活性剂、氧化剂、稳定剂等。抛光垫是一种具有必定弹性疏松多孔的资料，一般是聚亚氨酯类，首要作用是存储和传输抛光液，对硅片供给必定的压力并对其外表进行机械冲突。
在CMP工艺中，首要让研磨液填充在研磨垫的空地中，圆片在研磨头带动下高速旋转，与研磨垫和研磨液中的研磨颗粒产生作用，一起需求操控研磨头下压力等其他参数。CMP 设备首要分为两部分，即抛光部分和清洗部分，抛光部分由4部分组成，即3个抛光转盘和一个圆片装卸载模块。清洗部分担任圆片的清洗和甩干，完结圆片的“干进干出”（如图2）。
1.3 CMP抛光工艺技能目标
CMP的首要检测参数包含研磨速率、研磨均匀性和缺点量（如表1）。研磨速率是指单位时刻内圆片外表资料被研磨的总量。研磨均匀性又分为圆片内研磨均匀性和圆片间研磨均匀性。圆片内研磨均匀性是指某个圆片研磨速率的规范方差与研磨速率的比值；圆片间研磨均匀性用于表明不同圆片在同一条件下研磨速率的一致性。关于CMP而言，首要的缺点包含外表颗粒、外表刮伤、研磨剂残留等，它将直接影响产品的成品率。半导体业界关于CMP工艺也有相应的“潜规则”，即CMP工艺后的器材资料损耗要小于整个器材厚度的10%。也便是说不只要使资料被有用去除，还要能够精准地操控去除速率和终究作用。跟着器材特征尺度的不断缩小，缺点关于工艺操控和终究良率的影响益发的显着，下降缺点是CMP工艺的中心技能要求。
1.4 CMP抛光设备商场价格
CMP是一种集机械学、流体力学、资料化学、精细加工、操控软件等多领城最先进技能于一体的设备，是各种集成电路出产设备中较为杂乱和研制难度较大的设备之一。跟着圆片直径的增大和工艺杂乱性的不断进步，CMP的设备价格也在逐渐增加。一般来说，用于200 mm圆片的CMP设备价格约为300 万美元，用于300 mm圆片的CMP设备价格约为400 万美元。
2 CMP设备供货商概略
现在，美国和日本在CMP设备制作范畴处于领先地位，首要的出产商有美国的运用资料(AppliedMaterials，AMAT)公司和日本的荏原机械(Ebara)公司。国内CMP设备的首要研制单位有天津华海清科和我国电子科技集团公司第四十五研讨所，其间华海清科的抛光机已在中芯世界出产线上试用，2018年1月，华海清科的Cu &Si CMP设备进入上海华力。
2.1 美国运用资料
CMP设备依然是美国运用资料一家独大，具有全球71%的商场份额。美国运用资料2003年中止8英寸设备的出产，主攻12 英寸CMP设备，运用资料公司的 Mirra CMP 为硅、浅沟槽阻隔 (STI)、氧化物、多晶硅、金属钨和铜镶嵌运用供给了经出产验证的高功用150 mm 和 200 mm 平整化解决方案。它的高速平整化转盘和多区研磨头具有低下压力，可完结极佳的均匀度和功率。集成的 CMP（化学机械平整化）后Mesa 清洗器（相同适用于 150 mm 和 200 mm 运用）能有用去除浆料、避免残渣构成，最大极限削减微粒和水痕。关于铜镶嵌运用，也能够挑选 200 mmDesica 清洁和冲刷技能，运用 Marangoni 蒸气枯燥器，可完结快速、有用的无水印枯燥。运用资料公司的 Mirra CMP 体系选用全套端点办法，供给同线衡量和先进的工艺操控能力，保证超卓的晶圆内和晶圆间工艺操控和可重复性，合适一切平整化运用。先进的抛光技能（如运用资料公司的 Titan Profiler(150 mm)和Titan Contour (200 mm) 抛光头产品）和多转盘配备，经过调整跨晶圆外表和距晶圆边际3 mm内的去除率，可满意要害均匀性目标。这些先进的功用和其他已发布的晋级，为完结更高的产能和良率供给了更多加工能力保证。
2.2 日本荏原
荏原制作所总公司坐落日本东京都大田区，规划并制作社会根底设施和工业用机械设备，于东京证券交易所一部上市。亦是美国出产压缩机和汽轮机Elliott公司的母公司，主营工作有风水力机械工作、环境工作和精细电子工作。日本东京荏原的200 mm和300 mm CMP抛光设备均具有高可靠性和高出产率，荏原具有的12英寸晶圆10~20 nm级CMP设备，能在必定程度上完结对美国产品的代替。
荏原在欧洲、日本等全球的研制团队持续推进最先进的运用程序定坐落职业出产和新技能要求的前沿。除了MEMS / SOI /磁介质职业的应战外，荏原的高通量F-REX系列CMP体系正在运转当今最苛刻的运用，如用于IC制作的氧化物、ILD、STI、钨和铜。它们具有超卓的可靠性，功用超越250小时MTBF。适用于200和300 mm晶圆直径的F-REX200和F-REX300SII渠道别离供给最先进的规划和功用，以满意最先进的器材制作需求。它们供给面向用户的体系配备，旨在完结最大吞吐量和一切枯燥/枯燥晶圆处理功用。F-REX200东西代表了适用于200 mm晶圆的最新CMP技能（也可用150 mm）。它选用了EB原专利的干进干出晶圆处理技能。清洁模块集成在CMP东西内，从而将干晶片输送到后续工艺中。F-REX200体系配备2个压板，每个压板1个头和4个清洁站，可选配4个盒式SMIF兼容装载端口和CIM主机通讯。其他选项包含端点指向、抛光板和在线计量。
2.3 华海清科
自2000年起，清华大学机械系雒建斌院士、“长江学者”路新春教授带领研讨团队从事抛光技能研讨，在抛光技能与抛光配备研讨范畴上均取得了杰出的成果， 2012年，清华大学成功研制出具有自主知识产权的国内首台12英寸“干进干出”CMP设备。2013年3月，清华控股联合天津市出资树立华海清科，推进该项科技成果的工业化进程。2014年，经过清华大学科技成果转化，华海清科研制出国内首台12英寸“干进干出”CMP商业机型—Universal-300，2015年该机台进入中芯世界北京厂，2016年经过中芯世界查核并完结出售。这填补了我国集成电路制作范畴CMP设备技能的空白，打破了国外独占。到2019年4月，该机台已累计加工60000余片硅片。2017年2月，华海清科第二台CMP工艺设备进入中芯世界北京厂，仅用78天的时刻就完结了装机、调试，并出产了过百片晶圆，发明了首台国产中心工艺设备在集成电路大出产线上线的最高功率，荣获了中芯世界颁发的“杰出成果奖”。2018年1月18日，继在中芯世界顺利完结IMD/ILD/STI工艺产品大批量出产之后，清华控股成员企业华海清科的Cu &Si CMP设备进入上海华力。这是国产CMP机台第一次进入上海华力，也标志着国产首台12英寸铜制程工艺CMP设备正式进入集成电路大出产线。
2.4 中电45所
2017年11月21日上午， 由电科配备45所研制的国产首台200 mm CMP商用机经过了严厉的万片马拉松式测验，起程发往中芯世界(天津)公司进行上线验证。这意味着电科配备45所的设备得到了用户的认可，产品从中低端迈向了高端，也标志着电科配备向着完结集成电路中心配备自主可控，担起大国重器的职责迈出了重要的一步。杭州众德是新树立的一家公司，由中电科45所中的CMP技能专家创业树立。
2.5 盛美半导体
盛美半导体的CMP设备首要用于后段封装的65~45 nm铜互联工艺。盛美把握晶圆无应力抛光技能，选用该技能的样机已被Intel和美国LSI Logic公司所收购。在2019年3月上海“SEMICON China2019”上，盛美半导体再次发布先进封装抛铜设备，新推出的封装抛铜设备则针对人工智能(AI)芯片封装工艺开发。不同于传统芯片，AI芯片具有更多的引脚，需求全新的立体封装工艺和封装设备，其间的抛光工艺需求高本钱的抛光粉。针对2.5D封装工艺需求，盛美半导体的这款抛光设备选用湿法电抛光工艺，不只削减约90%抛光粉(CMP)消耗量，还能够对抛光液中的铜进行收回。因为电抛光的化学液能够重复循环运用，这样能够节约80%以上的耗材费用。
3 CMP设备出资要害
CMP设备商场是一个高度独占的商场，商场份额首要集中于美国运用资料和日本荏原两家巨子，二者占有了全球CMP设备98%的商场份额。其间美国运用资料更是一家独大，2018年商场份额高达71%，排名第二的日本荏原只占有27% [1] 。国产CMP设备现在首要为中低端产品，12英寸的高端CMP设备也首要处在产品验证阶段。尽管出货量较少，可是相较其他半导体设备，国产CMP设备取得了较大的成果，华海清科和中电45所自主研制的12英寸CMP设备填补了我国CMP设备商场的空白，为我国半导体设备国产化代替做出了重要的奉献。
3.1 利好
从商场前景的视点剖析，一方面，2018年我国半导体设备商场规划增速将近60%，占全球20%的商场份额。据SEMI估计，2017-2020年间，全球将新增半导体产线62条，其间26条新增产线在我国大陆，占比42%，新增产线将为半导体设备带来巨大的商场空间。另一方面，跟着新能源轿车、5G通讯以及物联网运用的鼓起，MOSFET功率器材、电源办理芯片、5G射频芯片、物联网芯片、MEMS器材以及化合物半导体器材需求十分旺盛，而这些芯片大多是在200 mm的产线上出产完结的，全球集成电路职业在200 mm晶圆厂产能和设备方面都严峻缺少，晶圆制作厂一直在寻求扩展200 mm制作产能。但现在世界龙头企业现已根本停产200 mm设备，二手200 mm设备价格也在水涨船高，200 mm设备的商场空间巨大。国内CMP设备厂商200 mm英寸设备技能相对较老练，国产设备厂商能够捉住集成电路工业快速开展的大好形势，依托工业政策导向，抢抓机会、抢占商场，依托产品价格优势逐渐在单个产品或细分范畴抢占世界厂商的商场空间，做大做强、完结跨越式开展，为我国极大规划集成电路制作做出活跃奉献。
3.2 危险
国内半导体工业的相对落后导致了半导体设备工业起步较晚，尤其在要害设备范畴与海外巨子的距离仍有好几十年，遭到技能、资金以及人才的约束，国内半导体设备底子薄、根底弱，工业整体表现出企业规划偏小、技能水平偏低、以及工业布局涣散的特征。而世界半导体设备开展比较老练，CMP设备出现高度独占的特征，在现有的竞赛格式下，国产设备经过研制投入再重头做起，必然会花费很多的时刻和精力，产品在下流运用推行过程中还要和海外巨子竞赛，而下流厂商对代替也会考量本钱要素，能否翻开下流商场是企业盈余存活的要害要素。
参考文献
[1]李丹.化学机械抛光（CMP）设备商场概略.电子产品世界，2019(5):11-13
作者简介
李丹，理学博士，中级工程师，研讨方向：集成电路资料与设备、化合物半导体、人工智能芯片。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第6期第31页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
