集成電路制造需要在單晶硅片上執(zhí)行一系列的物理和化學(xué)操作，工藝復(fù)雜，在單晶硅片制造和前半制程工藝中會(huì)多次用到CMP技術(shù)。每一片晶圓在生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)經(jīng)歷幾道甚至幾十道的CMP拋光工藝。今天我們就來(lái)了解一下在這個(gè)關(guān)鍵工藝中塑料的應(yīng)用，歡迎長(zhǎng)按識(shí)別二維碼，加入交流群。（https://www.ab-sm.com/）

化學(xué)機(jī)械平坦化（Chemical-Mechanical Planarization，CMP）又稱(chēng)化學(xué)機(jī)械研磨，是集成電路制造工藝過(guò)程中實(shí)現(xiàn)晶圓表面平坦化的關(guān)鍵技術(shù)。伴隨著半導(dǎo)體制造工藝日益復(fù)雜，CMP的用處更加廣泛。CMP保持環(huán)（CMP Retaining Ring）作為化學(xué)機(jī)械平坦化工藝的主要耗材之一，在CMP工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖 半導(dǎo)體制程工藝流程，來(lái)源：西南證券

一、CMP保持環(huán)的作用

半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，為增大芯片產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，晶圓直徑不斷增大；同時(shí)，為提高集成電路的集成度，晶圓的刻線寬度越來(lái)越細(xì)，晶圓表面的精度也愈來(lái)愈高。晶圓直徑增大后，加工中易出現(xiàn)翹曲變形，對(duì)于150mm直徑以上的晶圓，容易在晶圓邊緣形成"過(guò)磨"現(xiàn)象，降低拋光質(zhì)量和晶圓利用率。在晶圓外添加一個(gè)保持環(huán)可以有效解決這一問(wèn)題。

圖 半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，來(lái)源：科慕

CMP保持環(huán)主要用于CMP拋光工藝過(guò)程中固定晶圓，把邊緣的拋光墊和晶圓以下的拋光墊壓平到同一高度，可有效解決"過(guò)磨"問(wèn)題；此外，研磨液通過(guò)保持環(huán)接觸面上的多個(gè)溝槽輸送到拋光墊與晶圓之間的界面，提高晶圓去除率的不均勻性。

圖 CMP機(jī)臺(tái)構(gòu)造，來(lái)源：Port Plastics

圖 CMP 保持環(huán)，攝于威格斯展臺(tái)

二、CMP保持環(huán)材質(zhì)要求

如下圖所示，在CMP工藝過(guò)程中，晶圓被固定在CMP保持環(huán)中，晶圓的下表面朝向研磨墊，拋光液經(jīng)由CMP保持環(huán)流到拋光墊與晶圓之間的界面，當(dāng)CMP保持環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，晶圓也會(huì)被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使得晶圓下表面相對(duì)拋光墊表面旋轉(zhuǎn)而被研磨拋光。

圖 晶圓CMP工藝示意圖

在這個(gè)過(guò)程中，CMP保持環(huán)與晶圓一起被拋光，和拋光液以及拋光墊接觸，CMP保持環(huán)應(yīng)具有高耐磨、耐腐蝕、低振動(dòng)特性、性能穩(wěn)定性以及高純凈度等。因此對(duì)于材料要求有：

1、高耐磨耐蝕性

拋光液一般為微小顆粒的研磨材料和化學(xué)添加劑的混合物，研磨過(guò)程中會(huì)對(duì)CMP保持環(huán)造成磨損、刮擦、腐蝕。

2、良好的機(jī)械性能

CMP保持環(huán)需承受機(jī)械負(fù)載，應(yīng)具有良好的彈性、韌性、強(qiáng)度。

3、高加工精度及尺寸穩(wěn)定性

尺寸變化會(huì)增加發(fā)塵量，影響晶圓表面精度。

4、高純凈度

保持環(huán)的材料應(yīng)具有低滲氣性能、低的顆粒釋放性。

5、良好的靜電耗散

6、良好的振動(dòng)抗性

7、良好的加工性能等

三、CMP保持環(huán)材質(zhì)選擇

研究表明2，不同材質(zhì)保持環(huán)的相對(duì)磨損率隨 CMP 加工條件和漿料特性而變化。 因此保持環(huán)材質(zhì)需要根據(jù)CMP制程工藝參數(shù)（如拋光壓力）以及拋光液、拋光墊等具體情況以及生產(chǎn)成本來(lái)進(jìn)行選擇。

圖 某品牌CMP保持環(huán)改性材料在鎢拋光液（紅色）、銅拋光液（藍(lán)色）、氧化物拋光液（綠色）中的相對(duì)磨損率和使用成本比較

CMP保持環(huán)材質(zhì)的選擇影響 CMP 工藝的成本，包括保持環(huán)壽命以及保持環(huán)的磨損、振動(dòng)或表面粗糙度等。CMP保持環(huán)對(duì)于材料的性能要求很高，所選用的材料有PPS、PEEK、PET-P、PAI等，這些材料一般經(jīng)過(guò)改性處理，性能更加優(yōu)越。

1、PPS

CMP保持環(huán)通常使用標(biāo)準(zhǔn)型特種工程塑料PPS制作。PPS具有耐高溫、高機(jī)械強(qiáng)度、剛度、耐磨性，抗蠕變性能，尺寸穩(wěn)定，優(yōu)越的耐化學(xué)性和抗水解性等。經(jīng)過(guò)改性后，性能有所提升，更能滿(mǎn)足CMP工藝的要求。

相關(guān)材料企業(yè)有：三菱化學(xué)高新材料、恩欣格等。

2、PEEK

碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料是公認(rèn)的目前制備CMP保持環(huán)的理想材料。PEEK材料具有優(yōu)異的耐擦耐磨損性、耐化學(xué)性、機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫等特性，能夠滿(mǎn)足保持環(huán)的各項(xiàng)性能要求，在氧化物和鎢拋光液中使用壽命更長(zhǎng)，且比常用的PPS保持環(huán)耐磨損壽命提高2倍以上。

PEEK材料相關(guān)企業(yè)有威格斯、三菱化學(xué)高新材料、贏創(chuàng)、索爾維、鵬孚隆、恩欣格、君華特塑等。

3、PET-P

CMP保持環(huán)用的PET為半結(jié)晶性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯材料，被稱(chēng)為PET-P塑料，具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，良好的抗蠕變性能、良好的滑動(dòng)和摩擦性能、耐磨損、尺寸穩(wěn)定、耐化學(xué)藥品性等特性。PET-P在氧化物拋光液中擁有較長(zhǎng)使用壽命，5倍于 PPS，且成本較低。

相關(guān)材料企業(yè)有：三菱化學(xué)高新材料、恩欣格等。

4、PAI

聚酰胺酰亞胺（PAI）可用作CMP保持環(huán)，PAI是一種非結(jié)晶的耐高溫工程熱塑性樹(shù)脂，具有諸多優(yōu)異的性能，包括高強(qiáng)度、剛度，耐磨損，耐蠕變、耐高溫，良好的耐化性等。PAI的耐磨損性和成本相對(duì)來(lái)說(shuō)最好，但PAI材料存在吸濕性較高，可能會(huì)導(dǎo)致尺寸變化，且對(duì)接觸飽和蒸汽敏感等。

相關(guān)材料企業(yè)有：三菱化學(xué)高新材料、索爾維、東麗、恩欣格等。

參考資料：

1.《化學(xué)機(jī)械拋光保持環(huán)工藝參數(shù)及磨損模型的研究》，西北工業(yè)大學(xué)，黃杏利

2.《CMP TRIBOLOGICAL STUDY OF CARRIER RING PLASTIC MATERIALS》,W.G.Easter,G. D. Willis,etc.