半导体制程中的研磨抛光:从材料选择到耗材赋能的卓越制程

在半导体制造中,晶圆的平坦度是精密电路堆叠的关键。化学机械平坦化(CMP) 技术扮演着「晶圆磨皮师」的角色,它结合化学与机械作用,精准地去除晶圆表面多余材料,为后续制程奠定完美基础。

宏崴深耕半导体研磨抛光领域,深知晶圆的极致平坦度是成就高效晶片的基石。面对日益严峻的制程挑战,我们提供全面且高效的 CMP 核心耗材解决方案,涵盖金刚石、氧化铝、氧化铈、二氧化硅等多种高性能抛光材料,能全面协助晶圆从粗磨到镜面精抛,为您的精密制程奠定完美基础。

CMP,全称是化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization),又称化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing),它是半导体制造中一项极为关键的制程。

简单来说,CMP 就像是半导体晶圆的「磨皮」技术,它结合了化学腐蚀和机械研磨的力量,目标是将晶圆表面磨得既平坦又光滑。这项技术会使用含有奈米级磨料的抛光液(Slurry)以及研磨垫,透过精确的控制来去除晶圆上多余的材料,达到微米甚至奈米级的平整度,最终使晶圆表面呈现「镜面」般的光亮效果。

在半导体制造过程中,为了形成复杂的电路,需要在晶圆上堆叠多层材料。想像一下建造一座摩天大楼,每一层楼都必须平整,才能确保下一层的稳固。同样地,如果半导体晶圆在每一道制程中,如果都有表面平整度不均或有凹凸不平的缺陷,这将会严重影响最终晶片的良率和效能。

CMP 制程不可或缺的原因

  • 确保电路精确堆叠:CMP 的主要作用是平坦化,它能够减少或去除在反覆制程堆叠中产生的高低误差,确保每一层电路的厚度均匀且表面平坦,为后续的微影和蚀刻制程提供一个理想的基础。
  • 提升晶片良率与效能:透过精确控制材料去除量,CMP 可以避免过度研磨或研磨不足,确保晶片中的电路能够精确形成,进而提升晶片的效能和制造良率。
  • 控制晶圆厚度:除了表面平坦化,研磨制程也用于将晶圆减薄。例如,背面研磨(Back Grinding)会将晶圆厚度从初始的 800-700 微米减薄至 80-70 微米,甚至透过多层堆叠技术可减薄至约 20 微米。这对于多晶片封装(MCP)等应用至关重要,因为它能在有限的高度内实现更多层的电路堆叠,以满足电子产品小型化和高整合度的需求。
  • 去除表面缺陷与残留物:研磨和抛光也能改善前制程留下的微缺陷,去除晶圆表面残留物,让表面更加光亮,以迎接下一道制程。这一步骤对于确保晶片品质和可靠性至关重要。

晶圆研磨抛光后的规格要求

在半导体制造中,晶圆在经过背面研磨(Back Grinding)与精密抛光后,须满足极为严格的物理与表面规格,以确保后续制程的可靠性与晶片性能。主要要求可分为三大面向:

1. 厚度控制

  • 标准变化
    • 初始晶圆厚度:约 700–800 微米(µm)。
    • 一般研磨后厚度:缩减至 70–80 微米。
    • 进阶MCP(多晶片封装)需求:可进一步减薄至 约 20 微米
  • 挑战性:厚度过厚会导致散热不良;过薄则易碎裂,尤其是在 12 吋晶圆使用普及的情况下,厚度控制的难度随封装趋势增加。

2. 表面平坦度与粗糙度(Ra 值)

  • 粗糙度指标
    • 使用 Ra 值(Roughness Average)衡量。
    • Ra 越小代表表面越光滑,理想状况接近原子级平坦
  • 潜在风险
    • 表面不均將影響電路圖案轉印,造成元件性能偏移或失效。
    • 内应力引发表面形变,可能导致参数漂移或可靠度下降。

3. 缺陷控制

  • 控制范围
    • 表面损伤。
    • 微裂纹产生。
    • 颗粒与异物污染。
  • 重要性:即便是微小污染,也可能在后续制程中扩大为致命缺陷,导致晶片报废。
  • 薄晶圆风险:晶圆越薄,其机械脆弱性越高,对制程中的微粒撞击或载具机械干扰的容错率更低,需特别谨慎。
  • 材料去除的精确性与表面均匀性: 半导体元件的精细结构要求研磨过程能精确控制材料去除量,并保持高度的平坦度与均匀性。这需要精准选择磨料类型(如氧化铝、二氧化硅或金刚石)与粒径分布,以确保最佳效果。
  • 表面的均匀性:研磨后的表面必须具备高度的平坦度和均匀性。任何局部不均匀的研磨都会导致后续光刻和蚀刻制程的失败,进而影响整体晶片性能。
  • 缺陷的控制:研磨过程容易引入表面损伤、微裂纹和颗粒污染等缺陷。这些缺陷即便微小也可能导致元件失效,因此必须有效地控制并将其最小化。特别是随着晶圆越薄,缺陷产生的机率越高,后续制程的难度也越大。
  • 应力产生与影响:在研磨过程中,研磨头与晶圆表面的接触会产生剪应力和压力,化学溶液和磨料的流动也会施加应力。这些应力可能导致晶圆表面产生塑性变形和残余应力,影响最终的平整度和粗糙度,甚至影响电学性能,导致元件参数漂移和产品合格率下降。
  • 超硬特殊材料的加工难度: 针对碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等第三代半导体材料,其极致的硬度使传统研磨加工面临前所未有的挑战。这类材料尤其需要金刚石这类超硬磨料才能实现高效且低损伤的去除。

如何提升晶圆平坦度

为了克服上述挑战,提升晶圆平坦度,业界采取了多种策略:

  • 优化加工参数
    • 研磨液与磨料选择: 精准控制研磨液的流速、浓度,并根据不同的半导体材料和研磨目标,精确选择最适合的磨料类型(如氧化铝、氧化铈、二氧化硅或金刚石)及其粒径分布(例如 50-250 奈米,并有效控制 1-10 微米的聚集体)。研磨液的化学性质和磨料特性必须完美匹配,以实现均匀高效的材料去除和表面效果。
    • 研磨力控制:精确控制研磨压力、速度和时间等参数,以达到最佳的研磨效果,避免过大压力导致损伤或过小压力影响效率。

※业界在进行研磨时有一个原则-CMP重工原则【留厚不留薄】:当你在调整参数时,建议实际秒数要比预计秒数要短,宁可留有厚度,也不要过薄,才有机会进行重工(rework)。

  • 多步骤研磨工艺:采用多步骤的研磨和抛光工艺,如粗磨、精磨,甚至在晶圆厚度小于 50 微米时采用先划片后减薄(DBG)的方法,即在第一次研磨前先进行划片,再进行研磨和第二次划片,以安全地分离晶片并减少研磨过程中的外部缺陷。这种逐步精进的方式能够有效减少应力,获得更平滑的表面。
  • 局部加热与化学蚀刻:在研磨抛光过程中引入局部加热,可以改变晶圆的物理性质,从而减小应力的影响。此外,随着技术的发展,引入半导体前端制程中的化学蚀刻技术,与机械研磨相结合,全面开发新的加工方法,也是解决研磨瓶颈的方向。
  • 研磨垫的选择与维护:研磨垫的材料和特性直接影响研磨效果和稳定性,定期监测其磨损和污染并进行维护,是确保制程品质的重要环节。
  • 供应链与采购策略:选择高品质的研磨材料和设备供应商,并优化采购流程,确保符合生产需求和工艺要求。
  • 持续改进与标准化:建立标准作业程序(SOP)以减少变异性,并定期对生产团队进行应力管理和制程优化培训。同时,根据实际生产数据持续评估和优化研磨抛光过程,以应对半导体技术不断发展带来的挑战。

化学机械平坦化 (CMP) 是确保晶圆表面极致平坦的关键。宏崴凭借在精密研磨抛光领域的丰富经验,提供全系列高效能的 CMP 核心耗材,能满足从传统矽晶圆到新兴化合物半导体的多元需求。我们的解决方案涵盖精密砂轮、多样化抛光液,如:金刚石、氧化铝、氧化铈、二氧化硅、抛光垫及金刚石碟,致力于为半导体制造商提供全面且优化的解决方案,助您提升晶圆品质,突破制程限制。

产品列表:

  • 宏崴精密砂轮系列:
    • 硅晶圆用倒角磨削砂轮: 确保硅晶圆边缘光滑无损,有效预防崩裂。
    • 晶圆平面磨削用砂轮: 实现硅晶圆表面极致平坦,是高效制程的基础。
    • 化合物半导体专用砂轮: 针对 SiC/GaN 等超硬材料,提供高效且低损伤的粗磨解决方案。
  • 宏崴高性能抛光液系列:
    • 宏崴金刚石抛光液: 提供多种奈米粒径选择,特别适用于超硬材料,如 SiC, GaN的镜面级抛光 (Ra≤0.01 um) 效果,大幅提升元件性能与良率。
    • 宏崴氧化铝抛光液: 适用于多种金属层,如铜、钨和介电层的 CMP,提供优异的材料去除率与表面品质。
    • 宏崴氧化铈抛光液: 主要用于浅沟槽隔离 (STI) 和介电层的平坦化,提供高选择比和低缺陷的抛光效果。
    • 宏崴二氧化硅抛光液: 广泛应用于介电层、硅晶圆的精抛,提供极佳的表面平坦度与低缺陷率。
  • 宏崴精密晶圆研磨抛光垫 (Polishing Pad): 配合不同类型的抛光液(Slurry)与下压压力,移除晶圆表面多余的材料,如氧化层、介电层(ILD)、金属层,如 Cu、W等,确保制程稳定。
  • 宏崴提供金刚石碟咨询:
    • 介绍: 作为研磨垫/抛光垫的「修整师」,钻石碟通过其高硬度,精确修整研磨垫/抛光垫表面,确保其平整度和切削性能,维持最佳切削性能,以维持晶圆抛光过程中的平整度和速率,提高良率。
    • 提供服务: 如果想要了解更多细节资讯,欢迎联络宏崴,宏崴提供专业相关服务,为您打造个人化专案。

  1. 免费咨询与专案评估: 我们的宏崴金刚石工业耗材专家为您提供产品咨询,并针对您的具体制程需求进行专业评估,一同找出最佳的研磨抛光解决方案。
  2. 客制化方案设计: 无论您面对的是硅晶圆,还是化合物半导体(SiC, GaN, GaAs)的挑战,我们都能为您量身打造最符合您需求的半导体研磨、抛光方案
  3. 先进材料与效能验证: 我们提供业界领先的宏崴金刚石抛光液、金刚石碟、精密砂轮等耗材,并可协助您进行制程实施与效能验证,确保您的产品达到预期的高良率与卓越效能。
  4. 宏崴拥有稳定供货能力品质保证售后服务客制化支持,能给您最恒定的产品质量。

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