仅仅抛光液就让我们追赶了几十年,怪不得有人说造芯片比造原子弹还难

仅仅抛光液就让我们追赶了几十年,怪不得有人说造芯片比造原子弹还难

2022-01-11 15:28:01 0

近年来,国内半导体的发展始终吸引着国人的目光。尽管我们在奋力的追赶,但在半导体制造领域仍与欧美日等国家存在一定的差距,在芯片制造环节仍在技术工艺和设备上依赖于国外。甚至有人发出造芯片比造原子弹还难的感叹!

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当然了,这种说法肯定是不正确的。首先制造原子弹是从0到1的过程,造出来就是造出来了,哪怕不如人家的先进,其威力也足够震慑他们;其次,芯片制造的难点不在理论与设计,反而是在生产这一环节。在产业化生产这一环节有太多的技术及设备依赖于国外,所生产的芯片就会落后别人几代,在市场上毫无竞争性。

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且不说目前仍被“卡着脖子”的光刻机、封装材料等,就算是我们追赶几十年已经实现国产的CMP抛光液,在一定程度上仍依赖于进口。


下面我们就来了解一下,一个小小的抛光液有何奥秘,竟会“卡”我们脖子。在了解抛光液之前,我们需要先了解两个概念:芯片及晶圆制造流程与CMP。


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芯片及晶圆制造流程

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芯片制造过程大致可以分为顶层设计、晶圆制造、封装测试三大步骤,其中晶圆制造过程尤为复杂。晶圆制造过程主要可以分为热处理、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械抛光(CMP)、清洗、前道量测等工艺流程。这些工艺并不是按单一顺序执行,而是根据要生产的芯片特性选择性地重复进行。典型的晶圆制造需要花费6-8周时间,涵盖300多道工艺流程,某些工序可能需要执行几百次。例如,根据不同工艺制程和技术节点的要求,每一片晶圆在生产过程中都会经历几道甚至几十道的化学机械抛光(CMP)工序。在众多制造环节中,CMP抛光材料总体占到晶圆制造所需各类材料成本的7%,是非常重要的一道工序。


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化学机械抛光(CMP)

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化学机械抛光(CMP),是提供超大规模集成电路(ULSI)制造过程中表面平坦化的一种新技术,于1965年首次由美国的Monsanto提出,最初是用于获取高质量的玻璃表面。CMP技术具有独特的化学和机械相结合的效应,是在机械抛光的基础上,根据所要抛光的表面,加入相应的化学试剂,从而达到增强抛光和选择性抛光的效果。CMP技术是从原子水平上进行材料去除,从而获得超光滑和超低损伤表面,该技术广泛应用于光学元件、计算机硬盘、微机电系统、集成电路等领域。

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(CMP工作原理图)


自从1988年IBM公司将CMP应用于4MDRAM芯片的制造以来,集成电路制造工艺就逐渐对CMP技术产生了越来越强烈的依赖,主要是由于器件特征尺寸(CD)微细化,以及技术升级引入的多层布线和一些新型材料的出现。特别是进入0.25μm节点后的Al布线和进入0.13μm节点后的Cu布线,CMP技术的重要性更显突出。进入90~65nm节点后,铜互连技术和低k介质的采用,CMP的研磨对象主要是铜互连层、绝缘膜和浅沟槽隔离(STI)。在22nm开始出现的FinFET晶体管添加了虚拟栅平坦化工艺,这是实现后续3D结构刻蚀的关键技术。


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抛光液

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抛光液一般包含磨粒、氧化剂、络合剂、表面活性剂、磨料、pH调节剂、腐蚀抑制剂等成分,各种添加剂的选择和含量对抛光效果都会产生很大的影响。抛光液具有技术含量高、保密性强、不可回收等特点,这使其成为CMP技术中成本最高的部分。上面我们提到,CMP材料是晶圆制造的核心耗材,占晶圆制造成本的7%,其中抛光液和抛光垫是最核心的材料,占比分别为49%和33%。抛光液是CMP技术中的决定性因素之一,其性能直接影响被加工工件表面的质量以及抛光加工的效率。


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单一磨粒抛光液


单一磨粒抛光液是指在抛光液中只含有二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化锆(ZrO2)、纳米金刚石等众多常用磨粒之一。其中SiO2、Al2O3、CeO2是应用最广泛的。



(1)SiO2
SiO2具有良好的稳定性和悬浮性、低黏度和低硬度(平均布氏硬度为7)等特点,被广泛应用为抛光液磨料。然而,针对SiO2表面、内部特性及其对抛光性能的影响机理尚不清楚。尽管使用SiO2作为抛光液磨粒得到了广泛的研究和应用,但是,SiO2易团聚、不适合长期保存、硬度较低,导致抛光速率无法突破高效率瓶颈等问题还是没有从根本上解决。此外,抛光液中的强酸、强碱和强氧化剂等化学试剂不仅对设备存在严重的腐蚀,对实验人员的身体健康也存在着很大的威胁。

(2)Al2O3

由于Al2O3的两性化学性质,Al2O3抛光液分为碱性抛光液和酸性抛光液,与碱性抛光液相比,酸性抛光液对设备的腐蚀更为严重,所以碱性抛光液比酸性抛光液应用更广泛。碱度对碱性抛光液性能起着非常重要的作用,经市场调研,pH值为12以上可以提高材料的去除率,但是过高的碱度同样会对设备造成严重腐蚀。因此,制备低碱性Al2O3抛光液已成为一个新的课题。


Al2O3磨粒在水溶液中由于静电力等作用容易团聚成大颗粒胶团,出现絮凝分层等现象,导致抛光液稳定性较差。因此,使用Al2O3作为抛光液磨粒,需要在抛光液中加入各种各样稳定剂和分散剂,使得对抛光机理的研究更加复杂,同时抛光液的成本也随之增大。

(3)CeO2

由于Ce元素的多价态及其易转化特性,玻璃表面与抛光液接触的物质容易被氧化或形成络合物而被除去,使得CeO2在玻璃材料化学机械抛光展现出优异的性能。与传统抛光液磨粒相比较,CeO2磨粒抛光液具有抛光效率高、光洁度好和寿命长等优点。

由于Ce属于稀有金属,并且制备CeO2磨粒工艺复杂,因此使用大量CeO2磨粒抛光液成本很高。此外,现有技术制备的CeO2磨粒,尺寸范围跨度较大,导致抛光质量不稳定。

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混合磨粒抛光液


由于单一磨粒各方面性能的局限性,使用单一磨粒抛光液出现了很多难以解决的瓶颈问题。因此,很多研究人员转而研究混合磨粒抛光液和复合磨粒抛光液,致力于解决化学机械抛光过程中加工效率和加工质量的平衡问题。


如将SiO2(平均粒径50nm)和Al2O3(平均粒径220nm)混合磨粒按照合适质量比制备抛光液,有效地提高了抛光的效率。也有研究人员将质量分数分别为4%和10%的SiO2和CeO2混合作为抛光液磨粒,在相同试验条件下,达到同等表面质量,混合磨粒的效率大约是传统单一磨粒的8倍。混合磨粒对于提高抛光效率有很大的促进作用,但对抛光质量的影响不是很明显。


除了选对抛光磨粒以外,合理的添加pH值调节剂、氧化剂以及分散剂等添加剂,使抛光过程中化学作用和机械作用动态一致时,才有可能获得高的材料去除率的同时获得好的抛光表面质量。因此,研究抛光液的组成原则对于合理配制不同材料的抛光液和优化选择抛光工艺参数,对于完善CMP抛光理论具有重要作用。


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抛光液的市场状况

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长期以来,全球化学机械抛光液市场主要被美国和日本企业所垄断,包括美国的Cabot、Versum、Dow和日本的Hitachi、Fujimi。其中,Cabot全球抛光液市场占有率最高,但是已经从2000年的约80%下降至2018年约36%。


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(全球抛光液格局:来自于未来智库)


我国市场长年被国外巨头垄断,一直呈追赶状态。直到2004年安集科技成立,深耕于化学机械抛光液领域,并最终成功打破了海外企业对集成电路领域化学机械抛光液的垄断。但即便如此,它的全球占有率仍不足3%。所以,不论是市场,还是自身技术提升,我国在抛光液领域仍有较大上升空间。


资料来源:


[1]孟凡宁等.化学机械抛光液的研究进展

[2]邹微波等.化学机械抛光过程抛光液作用的研究进展

[3]乔浩然.抛光液国产唯一,安集科技为中国“芯”铺平前路

[4]未来智库.半导体行业专题报告:化学机械抛光CMP深度研究


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