集成電路制造需要在單晶硅片上執行一系列的物理和化學操作，工藝復雜，在單晶硅片制造和前半制程工藝中會多次用到CMP技術。每一片晶圓在生產過程中都會經歷幾道甚至幾十道的CMP拋光工藝。今天我們就來了解一下在這個關鍵工藝中塑料的應用，歡迎長按識別二維碼，加入交流群。（https://www.ab-sm.com/）
化學機械平坦化（Chemical-Mechanical Planarization，CMP）又稱化學機械研磨，是集成電路制造工藝過程中實現晶圓表面平坦化的關鍵技術。伴隨著半導體制造工藝日益復雜，CMP的用處更加廣泛。CMP保持環（CMP Retaining Ring）作為化學機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用。
圖 半導體制程工藝流程，來源：西南證券
一、CMP保持環的作用
半導體技術不斷發展，為增大芯片產量，降低生產成本，晶圓直徑不斷增大；同時，為提高集成電路的集成度，晶圓的刻線寬度越來越細，晶圓表面的精度也愈來愈高。晶圓直徑增大后，加工中易出現翹曲變形，對于150mm直徑以上的晶圓，容易在晶圓邊緣形成"過磨"現象，降低拋光質量和晶圓利用率。在晶圓外添加一個保持環可以有效解決這一問題。
圖 半導體技術發展，來源：科慕
CMP保持環主要用于CMP拋光工藝過程中固定晶圓，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"過磨"問題；此外，研磨液通過保持環接觸面上的多個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機臺構造，來源：Port Plastics
圖 CMP 保持環，攝于威格斯展臺
二、CMP保持環材質要求
如下圖所示，在CMP工藝過程中，晶圓被固定在CMP保持環中，晶圓的下表面朝向研磨墊，拋光液經由CMP保持環流到拋光墊與晶圓之間的界面，當CMP保持環旋轉時，晶圓也會被帶動旋轉，使得晶圓下表面相對拋光墊表面旋轉而被研磨拋光。
圖 晶圓CMP工藝示意圖
在這個過程中，CMP保持環與晶圓一起被拋光，和拋光液以及拋光墊接觸，CMP保持環應具有高耐磨、耐腐蝕、低振動特性、性能穩定性以及高純凈度等。因此對于材料要求有：
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添加劑的混合物，研磨過程中會對CMP保持環造成磨損、刮擦、腐蝕。
2、良好的機械性能
CMP保持環需承受機械負載，應具有良好的彈性、韌性、強度。
3、高加工精度及尺寸穩定性
尺寸變化會增加發塵量，影響晶圓表面精度。
4、高純凈度
保持環的材料應具有低滲氣性能、低的顆粒釋放性。
5、良好的靜電耗散
6、良好的振動抗性
7、良好的加工性能等
三、CMP保持環材質選擇
研究表明2，不同材質保持環的相對磨損率隨 CMP 加工條件和漿料特性而變化。 因此保持環材質需要根據CMP制程工藝參數（如拋光壓力）以及拋光液、拋光墊等具體情況以及生產成本來進行選擇。
圖 某品牌CMP保持環改性材料在鎢拋光液（紅色）、銅拋光液（藍色）、氧化物拋光液（綠色）中的相對磨損率和使用成本比較
CMP保持環材質的選擇影響 CMP 工藝的成本，包括保持環壽命以及保持環的磨損、振動或表面粗糙度等。CMP保持環對于材料的性能要求很高，所選用的材料有PPS、PEEK、PET-P、PAI等，這些材料一般經過改性處理，性能更加優越。
1、PPS
CMP保持環通常使用標準型特種工程塑料PPS制作。PPS具有耐高溫、高機械強度、剛度、耐磨性，抗蠕變性能，尺寸穩定，優越的耐化學性和抗水解性等。經過改性后，性能有所提升，更能滿足CMP工藝的要求。
相關材料企業有：三菱化學高新材料、恩欣格等。
2、PEEK
碳纖維增強PEEK復合材料是公認的目前制備CMP保持環的理想材料。PEEK材料具有優異的耐擦耐磨損性、耐化學性、機械強度、耐高溫等特性，能夠滿足保持環的各項性能要求，在氧化物和鎢拋光液中使用壽命更長，且比常用的PPS保持環耐磨損壽命提高2倍以上。
PEEK材料相關企業有威格斯、三菱化學高新材料、贏創、索爾維、鵬孚隆、恩欣格、君華特塑等。
3、PET-P
CMP保持環用的PET為半結晶性聚對苯二甲酸乙二醇酯材料，被稱為PET-P塑料，具有優異的機械強度，良好的抗蠕變性能、良好的滑動和摩擦性能、耐磨損、尺寸穩定、耐化學藥品性等特性。PET-P在氧化物拋光液中擁有較長使用壽命，5倍于 PPS，且成本較低。
相關材料企業有：三菱化學高新材料、恩欣格等。
4、PAI
聚酰胺酰亞胺（PAI）可用作CMP保持環，PAI是一種非結晶的耐高溫工程熱塑性樹脂，具有諸多優異的性能，包括高強度、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來說最好，但PAI材料存在吸濕性較高，可能會導致尺寸變化，且對接觸飽和蒸汽敏感等。
相關材料企業有：三菱化學高新材料、索爾維、東麗、恩欣格等。
參考資料：
1.《化學機械拋光保持環工藝參數及磨損模型的研究》，西北工業大學，黃杏利
2.《CMP TRIBOLOGICAL STUDY OF CARRIER RING PLASTIC MATERIALS》,W.G.Easter,G. D. Willis,etc.