1.什么是化学机械抛光
化学机械抛光即CMP,是指在化学与机械共同作用下,在一定磨具压力和抛光浆料环境下,抛光浆料中的腐蚀物质在工件表面发生作用,形成一层软化层。其通过磨粒—工件—加工环境之间的机械、化学作用,实现工件材料的微量去除,获得超光滑、少/无损伤的加工表面,加工轨迹呈现多方向性,有利于加工表面的均匀一致性,加工过程遵循进化原则,无需精度很高的加工设备。
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2.化学机械抛光的核心材料
在CMP材料细分占比当中,抛光液和抛光垫是最核心的材料,其他抛光材料还包括抛光头、研磨盘、检测设备、清洗设备等。
(1)抛光液:抛光液是影响化学机械抛光质量和抛光效率的关键因素,一般通过测定材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Ra)的方法来评价抛光液性能优良程度。其组分一般包括磨料、氧化剂和其它添加剂,通常根据被抛光材料的物理化学性质及对抛光性能的要求,来选择所需的成分配置抛光液。
1)磨料:是抛光液最主要的组成部分,在抛光过程中通过微切削、微擦划、滚压等方式作用于被加工材料表面,达到机械去除材料的作用。
混合磨料抛光液:随着研究的深入,单一磨料已无法满足使用需求,研究人员开始尝试将不同粒径、不同形貌的一种或多种粒子组合到一起使用。复合磨料抛光液:除了混合磨料外,目前也有各种新兴的材料制备方法被用来制备复合磨料,常用的方法有纳米粒子包覆和掺杂等。
2)氧化剂:氧化剂的作用是将被抛光工件表面的材料氧化,生成一层质地较软且与基底结合力较弱的氧化膜,然后通过磨粒的机械去除作用将氧化膜层去除,以达到抛光的目的。氧化剂的种类决定了氧化膜生成的速率及氧化膜去除的难易程度,对抛光速率以及抛光效果有显著的影响。
3)其他添加剂:抛光液中磨粒、氧化剂和去离子水的含量一般占整个抛光液质量的99%以上,虽然添加剂含量较少,但是能显著的改善抛光液的性能。常用的添加剂包括络合剂(螯合剂)、缓蚀剂、pH调节剂和表面活性剂。
(2)抛光垫:抛光垫根据材料可以分为硬质和软质两类,硬质抛光垫可以较好的保证工件表面的平面度,软质抛光垫可以获得表面损伤层薄和表面粗糙度低的抛光表面。常用的硬质抛光垫有粗布垫、纤维织物垫、聚乙烯垫等,软质抛光垫有聚氨酯垫、细毛毡垫、绒毛布垫等。
在化学机械抛光过程中,抛光垫的作用主要有:
1)存储抛光液及输送抛光液至抛光区域,使抛光持续均匀的进行;2)传递材料,去除所需的机械载荷;3)将抛光过程中产生的副产物(氧化产物、抛光碎屑等)带出抛光区域;4)形成一定厚度的抛光液层,提供抛光过程中化学反应和机械去除发生的场所。
延伸阅读
3.化学机械抛光设备的应用
CMP设备在集成电路产业链中应用广泛。从产业上下游关系来看,集成电路制造产业链可分为硅片制造、集成电路设计、集成电路制造、封装测试等四大领域,除集成电路设计领域外,其他领域均有CMP设备应用场景。在硅片制造领域,半导体抛光片在完成拉晶、硅锭加工、切片成型环节后,为最终得到平整洁净的抛光片需要通过CMP设备及工艺来实现。在集成电路制造领域,芯片制造过程按照技术分工主要可分为薄膜淀积、CMP、光刻、刻蚀、离子注入等工艺环节,各工艺环节实施过程中均需要依靠特定类型的半导体专用设备。在先进封装领域,CMP工艺越来越多被引入并大量使用,其中硅通孔(TSV)技术、扇出(Fan-Out)技术、2.5D转接板(interposer)、3DIC等将用到大量CMP工艺。
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