如何打磨芯片：CMP化學機械研磨｜為甚麼晶圓表面極度光滑

什麼是宇宙中表面最光滑的物品? 假如三體人發射來一枚水滴 地球人該掏出什麼來證明一下我們的打磨水平呢? 也許是太空中微薄望遠鏡的鏡片 也許是芯片廠正在做光刻的矽片 也許是矽片頭頂上的光刻機鏡片 也許是澡堂裡總是撿不起的肥皂 等等 這裡面好像混進了一個奇怪的東西 什麼是矽片? 為什麼它這麼光滑? 哈囉大家好 我是最會健身的芯片工程師三圈 在很多芯片大廠的宣傳片中 經常能看到這種像唱片DVD一樣的圓盤 它叫做矽片或者晶圓 芯片以及各種半導體器件都是在它身上造出來的 晶圓通常擁有完美拋光的表面 有的可以拿回家裡當鏡子 有的閃耀著珠寶般的光澤 那為什麼要把晶圓打磨得這麼光滑呢? 是為了好看嗎? 不是 別忘了晶圓的最終命運是被切成一枚枚芯片 封裝在暗無天日的小盒子裡 只露出幾枚銀角 芯片會看域值、組值、電流值、電壓值 就是沒人看它的顏值 我們在製程中反復給晶圓打磨拋光 還是為了滿足生產中的平坦化需要 尤其是在每次做光刻時 晶圓的表面一定要極致的平坦 這是因為隨著芯片製程的縮小 光刻機的鏡頭要實現納米級的成像分辨率 就得拼命增大鏡片的數值孔徑 但這同時會導致焦深的下降 焦深是指光學成像的聚焦深度 要想保證光刻圖像清晰不失焦 那晶圓表面的高低起伏就必須落在焦深範圍之內 這部分在我的光刻機視頻之鏡頭篇有過詳細講解 有興趣的同學可以去看一看 簡單說就是光刻機為了提高成像精度 犧牲了對焦能力 像新一代的EUV光刻機 數值孔徑0.55 但垂直方向上的焦深總共只有45納米 光刻時的最佳成像區間則會更小 假如放上去的晶圓不夠平坦 厚度不平均 表面有起伏 這會導致高低處的光刻出問題 當然也不僅僅只有光刻才會要求晶圓表面的絲滑 還有很多造芯片的工序都需要打磨晶圓 濕髮刻式後要打磨 緊緻腐蝕的粗糙面方便塗膠沉積 淺草隔離後要打磨 磨平多餘的氧化硅 完成溝槽填充 金屬沉積後要打磨 去除溢出的金屬層 防止期間短路 因此一枚芯片的誕生 中間要經歷很多次打磨 來降低晶圓的粗糙度和高低起伏 去除表面多餘的物質 另外 晶圓上各種工藝問題導致的表面缺陷 經常也要等到每次打磨完成後才會暴露出來 所以負責研磨的工程師責任重大 他們既是芯片製程中承上起下的C位 也是生產會議中接盤背鍋的T位 他們既要會施法課時 又得懂物理輸出 因為芯片廠最主要的拋光技術 叫做化學機械研磨 或者化學機械平坦化 簡稱CMP 這是一種加上了化學腐蝕Buff的物理研磨手段 流程其實並不複雜 在做CMP時 晶圓會被固定在儀器上 面朝下壓在拋光墊上進行旋轉打磨 期間會不斷注入精心調配的拋光液 讓晶圓表層充分腐蝕氧化後 再被物理去除 最終磨出一個極致光滑的表面 CMP的平坦化效果極佳 可以把晶圓的表面粗糙度拋光到不足1nm 這其中拋光液和拋光墊是最核心的兩個部分 拋光液的配方屬於廠商機密 一般由液態的刻石溶劑、分散劑、PH調節劑 和固態的細小磨料組成 在研磨過程中 腐蝕性的溶液負責軟化晶圓表面 因此液體中的各種濕髮化學品的純度、配比 和濃度變化的控制都要非常精細 才能保證穩定的腐蝕速度 實現較高的選擇比 溶液中還包含大量固體磨料 也就是極其細小的懸浮顆粒物 用來幫助機械打磨 定量去除被腐蝕的表面 針對晶圓上不同的材質和硬度 要選用不同的微型顆粒物 比如二氧化硅顆粒 氧化石顆粒 金剛石顆粒等等 這些磨料的形狀和直徑會根據工藝的要求 嚴格控制在10nm到200nm不等 直徑過大的顆粒物會在研磨過程中滑傷晶圓 對芯片上的器件造成損傷 導致表面缺陷 那是不是隻要用過濾膜提前把磨料篩一遍 就能保證打磨安全了呢 不一定 因為這些納米尺度的顆粒物比表面積大 自身吸附力強 即便提前把大顆粒過濾出去 但隨著時間推移 溶液中的小顆粒會發生沉降和聚集 自動生成大顆粒物 進而在研磨過程中損壞芯片 因此除了加入防聚集的分散劑 芯片廠中的拋光液還要保證足夠新鮮 必須現場調和後立即投入使用 在做打磨時會通過測量溶機或液位 在產線上實時確保各種成分的配比 線配線磨 而在比較先進的芯片製程中 既要實現更精密的測量配比 又不能在測量時觸碰物料污染拋光液 就只能採用非接觸式的稱重計量法來做配比 配置好的新鮮拋光液 會在通過密度 pH 值等檢測後 在打磨過程中持續注入 因為只有讓液體時刻保持流動 纔能有效帶走研磨中產生的熱量和碎屑 所以拋光液是一種消耗品 製程越是精密 廢液就越難回收 而下方做物理打磨的拋光墊 也是一種需要定期更換的耗材 和家裡祖傳的磨刀石不同 拋光墊一般是用多孔結構的高分子材料做成 這些大小不一的孔 既形成了粗糙的打磨表面 也有利於研磨過程中對拋光液的容納吸收 但在使用一段時間後 拋光墊不僅會拋光自己 降低打磨性能 還會導致每次研磨的殘餘物 在孔隙中積累 對晶圓表面造成滑傷 所以芯片廠中的拋光墊 需要及時更換 定期維護 而新換上的拋光墊 由於硬度較高 也要經過一段時間的磨合 才能達到理想的表面紋理 實現最好的打磨效率和均勻性 由此也可以看出 儘管CMP的拋光原理聽上去簡單粗暴 就是加上客製的旋轉研磨 但實際上影響研磨效果的變量非常多 包括拋光液的成分 選擇比 刻石速率 磨料顆粒物的種類 直徑 特性 拋光墊的材質 硬度 彈性磨量 表面磨損 還有晶圓自身的材料屬性 以及在打磨中的溫度 壓力 轉速 和非線性流體力學等等因素 這也是為什麼CMP目前還比較玄學 很難用一個完整的理論模型來做預測 因此對於新材料 新工藝 各個大廠必須稍前試錯 在實踐中積累打磨經驗 在不同的拋光液 拋光墊 和幾十到幾百斤不等的拋光力度之間排列組合 反復調試 但總的來說 CMP技術並不是一種黑科技 這種腐蝕研磨的拋光方式 早在芯片誕生以前 就已經作為一種精加工手段 用來給望遠鏡鏡片之類的精密儀器做表面拋光處理 但和單一材質的鏡片相比 芯片要更加精密複雜 尤其生產過程對於潔淨度的要求非常高 因此儘管人們知道CMP的打磨效果很香 但芯片廠一直不敢嘗試 嫌它太髒 要知道 本來生產中的顆粒物污染問題 就給工程師們留下了嚴重的陰影 何況是CMP這種 還要放一堆顆粒物當磨料的研磨方式 所以直到80年代 在日本DRAM廠商的競爭壓力下 IBM為了能造出多層金屬的芯片 必須要把晶圓每一層磨得更平 這才嘗試去引進CMP技術 在經過多次實驗後 他們逐漸掌握了打磨技巧 並在打磨後結合濕髮清洗 把晶圓洗得乾淨又衛生 這才把CMP變成芯片製造中 一道重要的工藝 IBM最初對自己的CMP技術嚴格保密 但隨著80年代末 電腦與存儲市場的飛速發展 為了提高產能搶佔份額 他們先後與其合作的英特爾和美光做了技術分享 之後的合作夥伴東芝與西門子也加入其中 使得CMP很快在半導體領域被推廣開來 到了0.35微米以下的製程 化學機械研磨已經成為各大芯片廠中 不可或缺的晶圓平坦化技術 之後隨著半導體製程越來越小 芯片結構越來越複雜 CMP工藝也變得越發重要 90納米製程的打磨步驟通常不超過10次 拋光液種類不過5、6種 而到了14納米以下的製程 CMP步驟多達30次 使用的拋光液種類超過20種 儘管目前在芯片生產中 CMP是最主流的拋光技術 但它自身也有很多瓶頸 比如機械研磨的過程容易過度打磨 很難保證高選擇比 要依賴設備的終點檢測 另外,旋轉拋光的方式 也容易造成晶圓表面的迴旋型套刻偏差 影響後續光刻的質量 可以預見 當未來芯片對於平坦化的要求進一步提高 在拋光過程中 如何實現更加嚴格的污染和精度控制 將是CMP打磨技術必須跨越的挑戰 目前地球能做出來最光滑的人造品 是表面粗糙度僅為0.02納米的 新一代EUV光刻機鏡頭的鏡片 它使用的打磨技術 是水流型無影接觸拋光 以及等離子體撞擊拋光 和CMP相比 精度高 成本高 打磨效率也有待提高 以後隨著新的研磨和測量技術的突破 也許有一天 我們也能磨出三體水滴 在宇宙中風馳電擊 OK,以上就是本期視頻的全部內容 如果你覺得對什麼是光滑 有一點新的瞭解 別忘了一鍵三連 對芯片和半導體感興趣的小夥伴 也歡迎點個關注 我是三圈 下期再見 拜拜