八、化学机械抛光：全局纳米级平坦化
CMP 设备工艺复杂、研制难度大，为集成电路工艺流程中使用的主要设备之一。芯片 制造主要包括光刻、CMP、刻蚀、薄膜和掺杂等关键工艺技术，其中 CMP 是在芯片制 造制程和工艺演进到一定程度、摩尔定律因没有合适的抛光工艺无法继续推进之时才诞 生的一项新技术。CMP 设备主要用于单晶硅片制造和芯片制造前道工艺，依托 CMP 技 术的化学-机械动态耦合作用原理，通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用，实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化——全局平整落差 5nm 以内的超高平 整度，CMP 设备集摩擦学、表/界面力学、分子动力学、精密制造、化学/化工、智能控 制等多领城最先进技术于一体，工艺复杂。
CMP 设备结合机械抛光和化学抛光长处，在超大规模集成电路中有广泛应用。CMP 的 主要检测参数包括研磨速率、研磨均匀性和缺陷量。研磨均匀性又分为圆片内研磨均匀 性和圆片间研磨均匀性。对于 CMP 而言，主要的缺陷包括直接影响产品的成品率的表 面颗粒、表面刮伤、研磨剂残留等。传统的机械抛光和化学抛光去除速率均低至无法满 足先进芯片量产需求， CMP 技术利用了磨损中的“软磨硬”原理，综合两者优势，避 免了由单纯机械抛光造成的表面损伤，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面 抛光，将化学腐蚀和机械研磨作用达到一种平衡，最终实现晶圆表面的超高平整度。未 经加工的原料晶圆裸片的表面凹凸不平，无法直接在上面印制电路图形。因此，需要先 通过研磨和化学刻蚀工艺去除表面瑕疵，然后通过抛光形成光洁的表面，再通过清洗去 除残留污染物，即可获得表面整洁的成品晶圆。因而，CMP技术为后续重复进行光刻、 刻蚀、薄膜和掺杂等关键工艺提供了重要的基础。
CMP 设备功能的实现需要抛光、清洗、传送三大模块组合作业。10nm 的全局平整度 要求，相当于 44 万平方米面积中任意两点的高低差不超过 0.03 毫米、表面粗糙度小于 0.5nm，作业过程中，抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上，借助抛光液腐蚀、 微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化。抛光盘带动抛光垫旋转，通过先进的终 点检测系统对不同材质和厚度的膜层实现 3~10nm 分辨率的实时厚度测量防止过抛。 抛光头用于全局分区施压，其在限定的空间内对晶圆全局的多个环状区域实现超精密可 控单向加压，从而可以响应抛光盘测量的膜厚数据调节压力控制晶圆抛光形貌，使晶圆 抛光后表面达到超高平整度的控制。制程线宽不断缩减、抛光液配方愈加复杂均加大了 清洗的难度，对清洗后的颗粒物数量要求也指数级降低，需要 CMP 设备中清洗单元在 满足清洁效果的同时保证晶圆表面极限化微缩的特征结构不被破坏。
研磨材料更加丰富，CMP 设备升级需求增加。90 65nm 节点，随着铜互连技术和绝 缘材料低 k 介质的广泛采用，CMP 的研磨对象主要是铜互连层、绝缘膜和浅沟槽隔离。 28nm 后，逻辑器件的晶体管中引入高 k 金属栅结构（HKMG），从而推动了虚拟栅开口 CMP 工艺和替代金属栅 CMP 工艺两种关键平坦化工艺的发展。在 22nm 开始出现的 FinFET 晶体管增加了虚拟栅平坦化工艺，也是实现后续 3D 结构刻蚀的关键技术。先进 的制程节点发展至 7nm 以下时，芯片制造过程中 CMP 的应用在最初的氧化硅 CMP 和 钨 CMP 基础上新增了包含氮化硅 CMP、鳍式多晶硅 CMP、钨金属栅极 CMP 等先进 CMP 技术，所需的抛光步骤也增加至 30 余步，大幅增加了集成电路制造过程中对 CMP 设备的采购和升级需求。
抛光、清洗模块有定期维护更换需求，带动 CMP 设备厂商技术服务收入不断提升。 CMP设备属于集成电路设备中使用耗材较多、核心部件有定期维保更新需求的制造设备 之一。CMP利用机械力作用于圆片表面，由研磨液中的化学物质与圆片表面材料发生化 学反应来增加其研磨速率，首先让研磨液填充在研磨垫的空隙中，圆片在研磨头带动下 高速旋转，与研磨垫和研磨液中的研磨颗粒发生作用，此时需要控制研磨头下压力等其 他参数。CMP工艺中最重要的两大组成部分是研磨液和研磨垫。晶圆厂需要更换设备外 部的抛光液、抛光垫等，同时需要对设备内部长时间运行磨损的抛光头、清洗等单元进 行定期维保更新，且设备配套服务需求会随着厂商销售设备数量的增加而快速增长。因 此 CMP 设备厂商在设备出货后，将向客户提供专用耗材销售和关键耗材维保等技术服 务，随之实现有长期稳定和高盈利能力的服务收入。
