华兆科技丨化学机械抛光（CMP）原理及设备

在芯片制造的微观世界里，我们常常听到光刻、刻蚀、沉积这些名词。但有一项技术，它像一位精益求精的“工匠"，在纳米尺度下进行着“推平山峰"的工作，如果没有它，如今的7nm、5nm甚至更先进的制程都将成为泡影，这项技术就是化学机械抛光（CMP）。

从 90nm 成熟制程到 3nm、2nm 先进制程，从逻辑芯片到 3D NAND 堆叠存储，从第三代半导体衬底制造到 2.5D/3D 先进封装，CMP 是目前行业内能实现晶圆全局纳米级平坦化的主流工艺，是芯片从设计走向量产绕不开的核心关卡。

化学机械抛光（CMP）的工艺机理基于化学腐蚀与机械研磨的协同作用。

具体而言，在施加一定压力和相对运动的条件下，抛光液中的化学组分与晶圆表面材料发生反应，生成一层软化膜或易去除的反应产物层。随后，抛光垫的机械摩擦作用将反应层高效去除，从而实现晶圆表面的纳米级平坦化。

该工艺的核心在于化学腐蚀与机械研磨的精密配合：

一、晶圆上机&初始检测

机械手（RobotArm）从FOUP（晶圆传送盒）取片，放置于载片台（LoadPort）。

光学传感器或RFID读取晶圆ID，匹配预设工艺配方（如铜/钨抛光参数）。

二、贴合&对准

Carrier吸附晶圆后，通过激光或光学传感器检测晶圆位置及背面污染。

精确对准抛光垫中心，避免偏心力导致不均匀抛光。

三、抛光阶段

化学-机械协同作用：

首先是化学腐蚀，抛光液中的氧化剂与晶圆表面材料（如铜）反应，生成软化层（如CuO）。再是机械去除，磨料颗粒与抛光垫摩擦作用剥离反应层，实现纳米级平坦化。

实时监控：传感器监测温度、压力、抛光液流量等，通过APC（先进过程控制）动态调整参数。

膜厚检测：部分机型集成光学干涉仪或涡流传感器，实时反馈材料去除量。

四、终点检测&停止

触发条件：

时间控制（Time-Based）：预设抛光时长。

信号阈值（Signal-Based）：如膜厚传感器达到目标值。

Carrier抬升，终止抛光，避免过抛（Over-Polish）或欠抛（Under-Polish）。

五、后清洗&传送

清洗模块：

去离子水（DIW）冲洗：去除残留抛光液。

刷洗（BrushScrubbing）：机械清除颗粒沾污。

干燥：氮气吹扫或旋转甩干。

机械手将晶圆送回FOUP，流转至下一制程（如膜厚测量或光刻）。

CMP设备主要由晶圆传输单元、抛光单元和清洗单元三大主要模块组成。

一、晶圆传输单元

晶圆传输单元主要由前端模组、晶圆传输手等部件组成。其中，前端模组负责与工厂的晶圆搬运系统对接，将晶圆搬运至机台内进行加工。晶圆传输手负责晶圆在抛光单元、清洗单元内部及不同加工工位之间的传输。

二、抛光单元

在抛光单元中，利用化学腐蚀与机械研磨的协同配合，通过夹持晶圆的研磨头和研磨垫之间的相对运动来实现晶圆表面平坦化。在研磨垫和晶圆之间滴入一定流量的研磨液，利用研磨液中的化学成分产生的腐蚀作用，以及研磨液颗粒产生的机械摩擦力去除晶圆表面的多余材料，实现晶圆全局平坦化。抛光过程中通过研磨头的不同区域同时施加不同压力来调整区域研磨速率，从而优化晶圆表面的全局平坦化程度。同时，运用终点检测技术，实时检测晶圆表面的材料厚度，在达到预定厚度后停止抛光。

三、清洗单元

作为现代芯片制造至关重要的一环，CMP技术具有显著的优势，但也面临着挑战。

核心优势：

• 全局平坦化： 能够实现整个晶圆表面的高度平坦化，这是传统技术难以达到的。

• 高精度： 能够满足深亚微米甚至纳米级工艺对平坦度的要求。

• 提高可靠性： 改善了金属台阶覆盖，提高了器件和电路的可靠性、速度和成品率。

• 环保安全： 相比于某些湿法刻蚀工艺，CMP不使用危险气体。

未来挑战：

• 工艺窗口窄： 对工艺变量（如压力、转速、研磨液配方）的控制要求严苛。

• 引入缺陷： CMP过程可能引入新的缺陷，如划痕、腐蚀、残留物等，影响芯片成品率。

• 成本高昂： 设备和运行维护成本高，研磨液和抛光垫等耗材消耗大。

• 终点检测困难： 难以精确控制抛光终点，需要开发配套的工艺控制和测量技术。

全球 CMP 设备行业的绝对龙头，全球市场常年保持在 60% 以上，在先进制程领域的市占率超过 70%。其产品覆盖从成熟制程到 2nm 以下先进制程的全系列 CMP 设备，适配逻辑芯片、存储芯片、第三代半导体等全场景。

二、东京电子（Tokyo Electron）

其产品在 3D NAND 存储芯片领域具备突出的竞争优势，位居全球市场前列，旗舰产品 POLIUS 系列适配 200 层以上 3D NAND 堆叠工艺，同时在特色工艺与先进封装 CMP 设备领域具备深厚的技术积累。

三、荏原制作所（EBARA）

在封装级 CMP、SiC 衬底 CMP、硬盘盘片 CMP 领域具备显著优势，是全球封装 CMP 设备的核心供应商，在成熟制程与特色工艺领域占据稳定的市场。

四、华海清科

国产 CMP 设备的绝对龙头，是国内能够实现 12 英寸 CMP 设备大规模量产的厂商，全球市场快速提升至 5% 以上，国内市场超过 30%。

从一块单晶硅锭，到一枚性能强大的芯片，需要经过上千道工艺的打磨，而 CMP 技术，就是其中最 “润物细无声"却又至关重要的一道关卡。它以纳米级的精度，为芯片的每一层结构铺平道路，是半导体制造当之无愧的“平坦先驱者"。

随着国内半导体产业的持续发展，国产 CMP 技术与设备正在实现从跟跑到并跑的跨越，未来也必将在先进制程、第三代半导体、先进封装等赛道，实现更多的技术突破，为中国半导体产业的自主可控筑牢根基。