一文诉说化学机械抛光液的现状和前景

一文诉说化学机械抛光液的现状和前景

2022-01-11 16:07:09 0


21世纪国力的竞争归根到底为先进制造能力的竞争,在信息时代的今天,主要表现为对电子产业先进制造能力的竞争。目前,电子产品的先进制造业的快速发展方向为高精度、高性能、高集成度以及可靠性,因此,对加工工件表面的局部平整度和整体平整度都提出了前所未有的高要求(要求达到亚纳米量级的表面粗糙度),但是国际上普遍认为,加工工件特征尺寸在0.35μm以下时,必须进行全局平坦化,而化学机械抛光不但集中了化学抛光和机械抛光的综合优点,也是目前唯一可以提供整体平面化的表面精加工技术就是超精密化学机械抛光技术。 

一、超精密化学机械抛光技术的发展 

1985年之前,CMP技术主要应用于精密光学系统的生产和半导体制造中硅片加工,在商业中CMP技术高度垄断,并秘密保存。80年代后期,CMP技术被SEMATECH(半导体制造工艺研究合作组织)描述为是一个对多层金属薄膜加工的强有力的技术,并且为了推动CMP装置设备和消耗品的研发和提高性能,SEMATECH发起了巨大的联合研发计划。1991年,CMP技术首次被IBM公司成功应用到“动态随机存储器“(Mb DRAM)的生产上来,之后CMP技术以不同的发展规模应用到各种存储器和逻辑电路上。


目前,国外对于超精密化学机械抛光加工技术保密严格,我们CMP技术主要依赖于进口。抛光过程中的抛光机、抛光垫、抛光液这三大要素均产于国外,这每年不仅消耗了我国大量外汇,更严重制约了我国对超精密加工水平的发展,限制了电子产业往先进水平的长远发展。由于我们的产学研脱节严重,虽然我国科研学者已经开始了对化学机械抛光技术的研究,但在国际上取得的先进成果很少,在实际应用中也很少。 

二、化学机械抛光液的应用现状 

化学机械抛光集中了化学抛光和机械抛光的综合优点,纯粹化学抛光腐蚀性大,抛光速率大,损伤低,表面光洁度高,但是抛光后的表面平整度差和表面一致性差;纯粹的机械抛光表面平整度和表面一致性较高,但是表面损伤大,光洁度低。而化学机械抛光在不影响抛光速率的前提下,既可以获得光洁度较高的表面,又可以提高表面平整度,是迄今唯一可以提供整体平面化的表面精加工技术。目前国内外常用的抛光液有Si O2胶体抛光液、二氧化铈抛光液、氧化铝抛光液、纳米金刚石抛光液等。 


(一) Si O2胶体抛光液。二氧化硅胶体抛光液是以高纯度的硅粉为原料,经过特殊工艺生产的一种高纯度金属离子型抛光产品。广泛用于多种纳米材料的高平坦化抛光,如硅片、化合物晶体、精密光学器件、宝石等的抛光加工。由于二氧化硅粒度很细,约0.01-0.1μm,因此抛光工件表面的损伤层极微;另外,二氧化硅的硬度和硅片的硬度相近,因此常用于对半导体硅片的抛光。二氧化硅是抛光液的重要组成部分,其粒径大小、致密度、分散度等因素直接影响化学机械抛光的速率和抛光质量。因此二氧化硅胶体的制备也是抛光液中不可缺少的工艺。 


(二) 氧化铈抛光液。二氧化铈是玻璃抛光的通用磨削材料。随着工件尺寸的缩小,传统的硅容易在尺寸较大的集成电路STI(浅沟隔离)处形成蝶形缺陷。而针对STI的抛光,选择合适的抛光液是关键,采用氧化铈作为研磨颗粒的第二代抛光液,具有高选择性和抛光终点自动停止的特性,配合粗抛和精抛,能抛光液中二氧化铈的粒度是影响抛光效果的关键参数之一。目前制备出的二氧化铈的粒径多为微米级或亚微米级,粒度分布不均,粒径大的溶液产生划痕,严重影响到被抛光工件的抛光质量。因此,纳米级二氧化铈的制备及应用是目前研究的热点之一。够十分有效解决第一代STI工艺缺点,是目前重点发展的产品类型之一。


(三) 氧化铝抛光液。α-氧化铝(刚玉)硬度高,稳定性好,纳米氧化铝广泛适用于光学镜头、单芯光纤连接器、微晶玻璃基板、晶体表面等方面的精密抛光,是一种广泛使用的无机磨料。现在以高亮度Ga N基蓝光LED为核心的半导体照明技术对照明领域带来了很大的冲击,并成为目前全球半导体领域研究的热点。但由于Ga N很难制备,必须在其他衬底材料上外延生长薄膜,作为Ga N的衬底材料有多种,目前,蓝光和白光LED 芯片均采用蓝宝石晶片或碳化硅晶片为衬底晶片,因此,晶片的抛光也成为关注的焦点。近年来,国际上采用了一种新的工艺,即用Al2O3抛光液一次完成蓝宝石晶片研磨和抛光,大大提高蓝宝石和Si C晶片的抛光效率。 

三、化学机械抛光液的研究前景 

随着经济的发展,为了彻底摆脱对进口抛光液的依赖,抛光液行业在国内的关注度逐渐上升,但在抛光液的制备及其使用过程中仍有许多问题需要解决: 


(一)抛光液对环境的影响。化学机械抛光液中的化学成分,如氨、酸等有毒成分对环境和人体的伤害很大,为此,在进一步研究抛光液制备工艺的同时,抛光液的循环利用也要进一步完善,做到经济发展与环境保护相协调。例如,水性体系的抛光液绿色环保,散热快。 


(二)化学机械抛光液磨料粒子的分散问题。抛光液中使用的多为纳米粒子,纳米粒子的比表面积较大,表面能较高,极易发生团聚,目前国内外常用超声波、机械搅拌、表面处理等机械化学方法对纳米磨料粒子进行分散,但是往往达不到效果,因此,纳米磨料粒子的分散稳定性需要进一步的研究。 


(三)抛光液的适用性。目前所用的抛光液没有表明针对某一工件适用,因此,针对不同材料开发专门使用的化学机械抛光液需要进一步的研究。例如,目前富士康对iphone、ipad 等外壳进行光学镜面模抛光,以及对半导体晶片的抛光,都需要使用专门特定的抛光液。 

四、结语 

目前,电子产品的先进制造业的快速发展方向为高精度(纳米级的控制精度,亚纳米级的加工精度)、高性能、高集成度以及可靠性,因此,对加工工件表面的局部平整度和整体平整度都提出了前所未有的高要求(要求达到亚纳米量级的表面粗糙度),同时对超精密加工技术的水平提出了严峻的挑战。化学机械抛光技术有很深的应用背景,我国若想对亚纳米级超精加工的技术体系建立自主知识产权,CMP技术的研发尤为重要,这对打破国外技术封锁,实现我国电子制造产业技术飞速发展有着深远的战略意义。 


免责声明:本文整理自付国鑫的《浅谈化学机械抛光液的应用现状和前景》

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