CMP的平坦化机理、市场现状与未来展望

CMP技术概述

化学机械抛光（CMP，Chemical Mechanical Polishing）作为一种关键的半导体制造工艺，近年来随着半导体产业的快速发展，其重要性日益凸显。CMP通过化学腐蚀与机械研磨的协同作用，实现对晶圆表面的超精密平坦化处理，是先进制程（如7nm、5nm及以下）中不可或缺的技术。

CMP技术平坦化处理对晶片表面影响示意图  图源：公开网络

CMP的平坦化机理

1、基本原理

CMP的平坦化过程是通过化学腐蚀和机械研磨的协同作用实现的。具体步骤如下：

化学反应层的形成：

抛光液中的化学试剂（如酸性或碱性溶液）与晶圆表面的材料发生化学反应，形成一层较软的化学反应层。例如，在铜CMP过程中，氧化剂（如过氧化氢）会将铜氧化成氧化铜（CuO），形成一层氧化层。这层化学反应层比原始材料更软，更容易被机械研磨去除。

机械研磨去除：

抛光垫上的磨料颗粒（如二氧化硅、氧化铝等）在抛光垫的压力作用下，与晶圆表面接触，通过物理磨损的方式去除化学反应层。

抛光过程中的压力和旋转速度对研磨效率和表面质量有重要影响。较高的压力和速度可以提高去除速率，但可能会增加表面粗糙度。

表面平坦化:

通过化学和机械作用的协同作用，晶圆表面的凹凸不平被逐渐去除，最终实现平坦化的表面。化学反应层被去除后，新的材料表面暴露出来，重复上述化学反应和机械研磨过程，直到达到所需的平坦化效果。

2、影响平坦化效果的因素

化学因素:抛光液成分、化学反应速率等。

机械因素:抛光垫特性、磨料颗粒特性、压力、旋转速度等。

工艺参数:温度、抛光时间等。

CMP的市场规模与需求分析

1、当前市场规模

2023年市场规模：全球CMP材料市场规模约为25亿美元。

其中，抛光液占比最大，约为60%，抛光垫占比约为30%，其他材料（如清洗液、添加剂等）占比约为10%。

2024年第一季度市场规模：全球CMP材料市场规模约为7亿美元，同比增长约10%。

主要增长驱动力来自半导体制造业的持续扩张，尤其是先进制程和新型材料（如金刚石、碳化硅、氮化镓等）的需求增加。

2、需求分析

半导体制造业的需求：CMP工艺是半导体制造中不可或缺的步骤，尤其是在晶圆平坦化、多层金属布线、先进封装等领域。

随着半导体制造工艺的不断进步，对CMP工艺的平坦化精度和材料去除速率要求越来越高。

先进制程的需求：先进制程（如7nm、5nm及以下）对CMP工艺的需求尤为迫切，因为这些制程对表面平坦化和缺陷控制的要求极高。

新型材料的需求：金刚石、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等新型半导体材料的应用增加，对CMP工艺提出了新的挑战和需求。

未来发展趋势

高精度平坦化:CMP技术将朝着更高的平坦化精度和更低的表面粗糙度方向发展，以满足先进制程的需求。

新材料应用:开发新的抛光液和抛光垫，以适应金刚石、碳化硅、氮化镓等新型材料的需求。

环保和可持续性:开发更环保的抛光液和回收利用抛光垫等，推动CMP技术的可持续发展。

CMP作为半导体制造中的关键工艺，其平坦化机理通过化学和机械作用的协同作用实现。随着半导体产业的快速发展，CMP的市场规模不断扩大，需求不断增加。未来，CMP技术将朝着高精度、新材料应用和环保可持续的方向发展，市场规模预计将持续增长。