2012
年
2
月
第
41
卷第
1
期 （ 总第
232
期）
云南冶金
YUNNAN METALLURGY
Feb． 2012
Vol. 41． No. 1
（
Sum232）
硅抛光片 （
CMP）
市场和技术现状
张志坚，张
凡，邱光文，½茂公，王红鹰，俞
昆明
650031）
*
琨
（ 昆明冶研新材料股½有限公司，云南
摘
要：
介绍了硅抛光片在硅材料产业中的定½和市场情况，化学机械抛光 （
CMP）
技术的特点， 硅抛光片
大尺寸化技术问题和发展趋势，以及硅抛光片技术指标，清洗工艺组合情况等
。
关键词：
硅抛光片；
CMP
技术； 清洗
+
中图分类号：
TN304. 1 2
文献标识码：
A
文章编号：
1006 －0308
（
2012） 01 －0040 －05
Market and Technical Status of Polished Silicon Wafer
ZHANG Zhi －jian，ZHANG Fan，QIU Guang －wen，PENG Mao －gong，WANG Hong －ying，YU Kun
（
Kunming Yeyan New －Material Co．
，Ltd． ，Kunming，Yunnan
650031，China）
ABSTRACT：
The following situations are introduced in this paper： the orientation and market situation of polished silicon wafer in
the
technical problems of large size polished silicon
silicon material industry， features of chemical mechanical polishing
（
CMP） technology，
wafer and its development trend，as well as the technical index of polished silicon wafer，cleaning process combination etc．
KEY WORDS：
polished silicon wafer； CMP technology； cleaning
引
言
1
1. 1
2000
至
2010
年，中½集成电路产量的年均增
长率超过
25%
， 集成电路销售额的年均增长率则
达到
23%
。
中½集成电路产业规模已经由
2001
年
不足世界集成电路产业总规模的
2%
提高到
2010
年的近
9%
。
中½成为过去
10
年全世界集成电路
产业发展最快的地区之一，½内集成电路市场规模
也由
2001
年的
1 140
亿元扩大到
2010
年的
7 350
亿
元
。
化学机械抛光 （
CMP）
技术½为目前唯一的
可以提供在整个圆硅晶片上全面平坦化的工艺技
术，已广泛地应用到了半导½集成电路领域 ，硅抛
光片产业发展在½内有着良½前景 ，从完善我½硅
产业链
、
提升硅产业技术水平
、
发展技术创新产品
的角度考虑， ½ 内 研 究
、
发 展
200 ½ 300 mm IC
级硅抛光片的技术和产业非常必要 ，硅抛光片在硅
材料产业中的定½
、
市场需
、CMP
工艺现状
、
趋
势如½？
*
硅抛光片市场情况
抛光片在硅材料产业中的定½
从硅矿石开採
、
到矿热法冶炼工业硅
、
化学物
理法提取多晶硅
、
切克劳斯基法 （
CZ \ FCZ）
生长
单晶
、
太阳½电池用硅切片
、
硅抛光片材料一系列
产业链中，硅抛光片产业处于硅材料产业链的顶端
。
硅抛光片是集成电路圆晶生产基础材料，相对
于其它硅材料产业： 硅抛光片生产需要高的技术
、
设备
、
智力资源的集成度，产业更依赖高精度技术
设备和前沿技术研发½力； 其次，硅抛光片技术标
准与超大规模 （
ULSI）
集成电路技术发展同步，三
是建立在知识产权拥有基础上的产业垄断，MEMC、
SHE、SUMCO、Wacker
等四家大厂垄断了全球
90%
的
300 mm
抛光片市场，
200 ½ 300 mm
英寸硅抛
光片有硅材料产业链中相对高的产业利润率，
150
mm
以下
IC
级硅抛光片由于被主流产品淘汰，产业
收稿日期：
2011－11－01；
修回日期：
2011－11－29
½者简介：
张志坚 （
1962－）
，男，云南昆明人，高级工程师
。
40
张志坚，等
硅抛光片 （
CMP）
市场和技术现状
利润逐渐下滑
。
表
1
是单½多晶硅消耗的太阳½电
表
1
池硅片
、
硅抛光片的产值和产业利润情况
。
太阳½电池硅切片
、
半导½抛光片单½多晶硅消耗的产值和产业利润
Output value and industrial profit per unit poly－silicon consumption for
solar cell silicon section and semiconductor polished wafer
Tab. 1
多晶硅电池片 （
156x156 mm）
消耗
1. 0 kg
多晶硅料的产值
/
元
综合回收率
/ %
产品数
/ W
利润率
/ %
840
80
140
15－20
IC
级
65
纳米抛光片 （
300 mm）
消耗
1. 0 kg
多晶硅料的产值
/
元
综合回收率
/ %
产品数
/
片
利润率
/ %
8 125
70
4. 2
30－40
注： 消耗
1. 0 kg
多晶硅料的产值是根据
2010
年平均价格计算
由表
1
可以看出，硅抛光片单½多晶硅消耗产
值和产业利润率远远高于太阳½电池用硅片 ，每消
耗一公斤多晶硅， 半导½抛光片生产约
8 125
元产
值，相对于太阳½电池硅片的每公斤多晶硅消耗生
产约
840
元产值，高出接近
10
倍
。
通常月产
20
万
片的
300 mm
抛光硅片的生产线的投资约折合人
民币
26 ½ 28
亿，年产值约
45
亿， 年产
500 MW
太
阳½硅片的生产线约投资
25
亿， 年产值约
30
亿，
前者利润率几乎是后者
2
倍多
。
1. 2
300 mm
抛光片市场快速增长
目前世界集成电路生产线共有
1 100
½条左右，
市场主流硅抛光片尺寸是
200 ½ 300 mm。
预计到
2014
年，
300 mm
硅抛光片的需求以约
30%
左右
的高速度增长， 远高于半导½产业增长平均水平，
预计到
2014
年以前，
300 mm
硅抛光片仍然属于
卖方市场
。
2008
和
2009
年由于金融危机½响， 半导½产
业滑坡½半导½抛光片出货出现衰退，2009 年末
重新步入增长， 硅抛光片出货由
2009
年的
465
万
m
2
上升到
2010
年约
574
万
m
2
，2010 年硅抛光片
出货量增长约
23. 6%
， 预计
2011
年增长速度难以
达到
2010
年的水平，iSuppli 公司预测，2011 年半
导½产业硅抛光片出货量比
2010
年 增 长
13%
左
右，到
2014
年， 硅 抛 光 片 出 货 量 将 达 到
800
万
m
2
。
图
1
所示为
iSuppli
公司对
2009 － 2014
年硅片
按尺寸细分出货量的预测；
我½集成电路产业起步于
20
世纪
60
年代， 共
有半导½企业
651
家， 从业人员约
11. 5
万人； 其
中芯片制造厂
46
家， 封装
、
测试厂
108
家
、
设计
公司
367
家
、
分立器件生产
130
½家，抛光片生产
不到
10
家，仅北京有研半导½材料股½有限公司
已建成
1
条
200 mm
硅抛光片小批量生产线和
1
条
300 mm
硅抛光片实验线，½内已经有
200 mm、
300 mm
芯 片
FBA
代 工 生 产 线 数 十 条， 每 年 需
200 mm
以 上 硅 抛 光 片 约
600
½ 万 片 （ 约
20
万
m
2
） ，几乎全部
200 mm、
300 mm IC
级硅抛光
片正片从美
、
日
、
德进口
。
目前½内生产
100 ½
150 mm
硅抛光片的企业主要有宁波立立电子股½
有限公司
、
上海合晶硅材料有限公司
、
洛阳麦斯克
电子材料有限公司
、
峨眉
739
等
。
图
1
Fig. 1
iSuppli
公司对
2009 － 2014
年硅片出货量的预测
The prediction of silicon wafer shipment quantity
in 2009 － 2014 made by ISuppli Company
2
2. 1
硅抛光片技术现状
硅抛光片大尺寸化发展
硅抛光片由
200 mm
扩大至
300 mm
时， 面
积增加
2. 25
倍，½相应的成本支出仅增加
30%
左
右，同时相对于
200 mm
晶圆生产线来说，
300
mm
晶圆厂成本可降½
30%
［1½
，并可减少边缘废料
从而提高芯片产出率，故近十几年来硅抛光片不断
向大尺寸化方向发展
。
目前
300 mm
硅抛光片已是主流产品
。
据统
计；
2010
年
300 mm
硅抛光片产½为
2 479. 36
万
41
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第
41
卷第
1
期 （ 总第
232
期）
云南冶金
YUNNAN METALLURGY
Feb． 2012
Vol. 41． No. 1
（
Sum232）
片，折合月产½
206. 6
万片， 换算成
200 mm
月
产½ 为
464. 9
万 片， 占 全 球 总 产 ½ 的
52. 23%
。
200 mm
硅抛光片产½为
3 092. 4
万片， 折合月产
257. 7
万片，占全球总产½的
28. 96%
，而
200 mm
以下产 ½ 为
845
万 片， 折 合 月 产 ½ 为
70. 4
万 片
（
200 mm
等值计） ，仅占总产½的
7. 9%
。
随着½
际企业集成电路生产由
200 mm
向
300 mm
½移，
200 mm
产品有由集成电路生产线向分立器件½移
的趋势，图
2
不同硅抛光片尺寸产½情况示意图；
20 nm，
每片大于
11 nm
的表面颗粒≤
95
个， 晶½
2
缺陷 （ 氧化层错） 密度≤
0. 2
个
/ cm
。
½管硅抛光片大尺寸化发展目前已经成为一种
趋势，然而继续的大尺寸化也面临诸多瓶颈 ，大尺
寸化½热场控制越来越困难
、
而且大尺寸高纯的石
墨
、
石英器件
、
重力对翘曲度½响也成为需要考虑
的因素
。
硅抛光片大尺寸化会有一个极限值 ，这极
限值取决于其它技术发展的结果
。
2. 2
技术要求不断提高
硅抛光片技术标准由超大规模 （
ULSI）
集成
电路技术发展决定， 随着集成电路集成度越来越
高，集成电路线½从上世纪
90
年 代 的
0. 35
μ
m、
0. 25
μ
m、
到 本 世 纪 的
0. 18
μ
m
及
0. 13
μ
m，90
nm、65 nm、45 nm，
目前
65 nm
应该是个公认的
分界点
。
硅抛光片平坦化工艺技术指标，对器件与集成
电路的电学性½和成品率有着极其重要的½响 ，这
主要是由于集成电路图½线½的缩小½光刻机的景
深越来越小，硅基底或薄膜层上极其微小的高度差
图
2
目前不同硅片尺寸产½情况示意图 （ 换算成
200 mm）
Fig. 2
Productivity situation schematic diagram of current
different silicon wafer size
（
equivalent to
200mm）
异½会½
IC
的布线图½发生模糊
、
变½
、
扭曲
、
错½，结果会导致绝缘层的绝缘½力达不到要求 ，
或金属连线错½而½集成电路产品报废
。
硅抛光片
质量的重要参数主要有： 硅片全局平整度 （
TIR
或
GBIR）
； 硅片局部平整度 （
STIR）
； 硅片表面微粗
糙度； 硅片表面的颗粒数 （
LPD）
以及硅片表面的
金属沾污情况等
。
表
2
½外某公司硅抛光片关键
参数；
2. 3
硅抛光片平坦化工艺现状
硅抛光片平坦化
CMP
（
Chemical － mechanical
polishing）
工艺是
IBM
公司于
1985
年研发的技术，
1990
年成功应用于
64MB
的
DRAM
生产
。1995
年
以后
CMP
技术应用于所有的
ULSI
生产
。
化学机械
抛光 （
CMP）
技术½为目前唯一的可以提供在整
个圆硅晶片上全面平坦化的工艺技术 ，已被越来越
广泛地应用到了半导½领域，过去研究开发主要以
美½半导½制造技术联合会 （
SEMATECH）
为主，
现在已扩展到全球二十½家公司
。
韩½和我½台湾
也研 究 应 用 较 多， ½ ½ 内 的
CMP
研 究 处 于 起 步
阶段
。
硅抛光片平坦化工艺是一个化学腐蚀和机械磨
擦的结合工艺过程， 自从
CMP
技术出现以后， 市
场上相继出现了各种½式的平坦化技术 ，如线性抛
光
、
椭圆和½道式抛光，在薄膜上旋½和选择性离
子刻蚀等
。
½由于存在不同工艺缺点因素，其它的
300 mm
硅单晶及抛光片的生产技术， 其关
键环节包括； 稳定的大型热场系统， 保证均匀的
纵
、
横向温度梯度，½可½理想的生长固液面，保
温隔热系统
、
磁场系统
、
½共振的提拉
、
悬挂系
统
、
大型高纯
、
性½优良的石墨
、
石英器件等，这
些关键环节杂质浓度场
、
热对流场以及点缺陷动力
学等因素密切相关，目前缺陷动力学模型可以定量
地解释直拉单晶生长时点缺陷的三维分布和二次缺
陷 （ 有 氧 和 无 氧 存 在 ） 的 ½ 成 过 程
。
生 长
300
mm
单晶，采用较粗½晶及鼓包引晶工艺拉制无½
错单晶； 改进了½晶夹持方式， 消除了回熔的½
［2
½
响； 缩颈时，直径减小到
6 mm，
没有断裂发生
。
通过放肩½晶提拉速度控制，减少悬挂系统共振提
［3
½
高晶½放肩成功率
。
硅片的热处理可降½原生
缺陷 （
COP）
，近年来
MEMC
提出的基于快速热处
理 （
RTP）
的
“
内吸杂
”
工艺， 在一定程度上缩
短了热处理的时间， 有利于降½整½微缺陷密度
（
BMD）
［4½
。
根据½际半导½发展指南预测， 直径
450 mm
硅单晶及抛光片将有可½在
2016
年左右投入应用，
成为
300 mm
之后大规模应用的硅片
。
预计届时
DRAM
的线½
32 /28 nm，
硅片的局部平整度要
≤
42
张志坚，等
硅抛光片 （
CMP）
市场和技术现状
表
2
Tab. 2
线½特征尺寸
/ nm
晶片直径尺寸
/ mm
晶片厚度
/
μ
m
去边
/ mm
电阻率
/ B
电阻率均匀 （
1－0－0 /1－1－1） / %
全局平整度
GBIR /
μ
m
局部平整度
SFQR / nm
Warp /
μ
m
表面临界金属元素密度
（
Cu、Cr、Ni、Fe） /
（
10
10
at·mm
－ 2
）
表面临界金属元素密度
（
Al、Zn、K、Na、Ca） /
（
10
10
at·mm
－ 2
）
每片表面颗粒数量
/
尺寸
中心氧含量与公差
复合寿½
/
μ
s
½外某公司硅抛光片关键参数
Critical Parameters of polished silicon wafer from a foreign company
100
300 ± 0. 2
775 ± 15
1
0. 5－50
＜ 10
≤
3. 5
≤
100
＜ 50
≤
1. 0
90
300 ± 0. 2
775 ± 15
1
0. 5－50
＜ 10
≤
2. 0
≤
70
＜ 25
≤
1. 0
65
300 ± 0. 2
775 ± 10
1
0. 5－50
＜ 10
≤
1. 5
≤
45
＜ 20
≤
1. 0
20
450 ± 0. 2
850 ± 10
1
0. 5－50
＜5
≤
1. 5
≤
20
＜ 20
≤
0. 5
≤
5. 5
＜ 30
个，
＞ 50 nm
≤
5. 0
＜ 30
个，
＞ 35nm
≤
5. 0
＜ 30
个，
＞ 25 nm
≤
2. 5
＜ 90
个，
＞ 10 nm
5. 0 ½ 7. 8 × 10
13
± 0. 5 5. 0 ½ 7. 8 × 10
13
± 0. 5 5. 0 ½ 7. 8 × 10
13
± 0. 5 4. 8 ½ 7. 8 × 10
13
± 0. 5
≥
325
≥
350
≥
350
≥
400
技术方案大部分被放弃了
。
目前世界上的
CMP
技
术几乎绝大部分采用旋½抛光方式 ，通常旋½型研
磨技术工艺将装在旋½的抛光头上 ，抛光垫的以相
反的方向旋½，旋½的工件以一定的压力压在旋½
的抛光垫上
。
抛光垫材料通常是有填充物的聚亚安
酯铸件切片或聚氨酯涂层的无纺布
。
二氧化硅抛光
液悬浮在适度的含氢氧化钾或氨水的腐蚀液中 ，滴
到抛光垫上
。
碱性抛光液在晶圆表面生成一薄层二
氧化硅
。
抛光垫机以持续的机械磨擦½用去除氧化
物，晶圆表面的突出点被去除掉，即在化学成膜和
机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工 ，从而
达到平坦化的目的
。
与二十多年前相比，CMP 已
经从一种基于经验的工艺½变成一种成熟的由标准
化技术支持的工艺，可以很½地控制并提高系统和
工艺的可重复性
。
应用材料公司
、
日本荏原制½的旋½型研磨技
术的
CMP
设备已成为世界上
CMP
设备的主流机
型
。
应用材料 公 司 于
1997
年 推 出 其 第 一 台
Mirra
CMP
产品，其旋½型
CMP
设备， 由于采用了氧化
铈 （
Ce）
研磨液， 且已具备了对铈研磨液提高研
磨液混合比
、
流量等控制性½的硬件，由于旋½式
设计具有较大的半径， 其
300 mm
平台的最大研
磨线速度可高达
502． 92 m / min，
满足小于
65 nm
线½特征尺寸硅抛光片技术要求 ，目前应用材料公
司占踞了全球
CMP
设备市场约
70%
½额， 其
CMP
在线终点检测采用光学分光反射率方式 ，通过光学
信号模式识别算法， ½所要求的薄膜厚度被去除
后，机台自动停止抛光
。
荏原制½所的旋½式抛光机采用的½压研磨技
术，以电场研磨
、
蚀刻相结合，加入触媒材料，通
过检测抛光垫温度分布监控
CMP
过程的试验模型，
可用来预测抛光垫的温度分布，清楚地了解硅片表
面的抛光情况，可满足小于
90 nm
线½特征尺寸硅
抛光片生产
。Lam
Research
公司的直线型
CMP
设
备，片子固定在抛光头上旋½运动，抛光垫由空气
½承支撑做直线运动，可以非常直观和连续地控制
对圆片进行抛光，由于有更多的调整区域，可实现
更高的均匀性和平整度，线性研磨料喷咀减少了研
磨料的浪费，增加了平整性调整的直观性，消除了
圆片平面内抛光线速度不均匀性问题 ，½得½压下
的高速研磨成为可½
。
尼康公司推出动态地控制抛
光垫来控制研磨状态，即加工压力利用一定的空气
压力，½用比硅圆片稍微小一点的抛光垫片让不均
一性摇动速度发生变化，即½表面½状和抛光垫片
表面½状呈现凹面或凸面也½获得较½平坦化效
果
。
东京精密
A －FP
系列
CMP
设备独特的高平面
43
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期 （ 总第
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期）
云南冶金
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Sum232）
度硬垫技术减少了
CMP
的加工时间和研磨液的消
耗，可提高抛光垫的寿½和生产效率
。
并且采用了
气囊， 避 免 了 与 膜 层 的 硬 接 触， 有 ½ 压 （
≤
70
MPa）
控制的良½稳定性
。
目前
200 mm
以上的硅抛光片均采用双面化
学机械抛光
。
在双面化学机械抛光整个加工过程
中，硅片的背面与正面同时在进行化学机械抛光 ，
双面化学机械抛光在有效控制平整度的同时也可以
有效地控制纳米½貌，获得高的平整度和局部平整
度
。
与单面抛光相比，单面抛光后硅片的背表面为
腐蚀面，其与抛光面相比有较大的表面粗糙度 ，极
易附着沾污颗粒，在清洗中较难去除
。
附着在硅片
背面的沾污颗粒在½用过程中容易从硅片的背面脱
离，污染抛光面，½响集成电路器件的成品率
。
这
对于线½小于
90 nm
工艺的集成电路½响是致½
的，双面化学机械抛光可以有效地避免该问题的
出现
。
在后续工艺中电化学机械抛光 （
ECMP）
有可
½取代
CMP
技术，IBM 研究表明， 相比传统化学
机械抛光工艺 （
CMP）
，电化学机械抛光 （
ECMP）
具有更强的工艺控制½力，特别是½抛光垫接近其
½用寿½并成为½响工艺稳定性的主要因素的情况
下，通常的化学机械抛光工艺中，抛光垫长时间的
½用会½晶圆表面抛光½貌发生改变 ，而且会造成
缺陷数目的大量增加，ECMP 工艺的优势在于允许
精确控制晶圆的抛光过程，而不需要考虑抛光垫½
用寿½的½响
。
2. 4
CMP
清洗
CMP
清洗的重点是去除研磨过程中带来的所
有污染物，因为存在化学反应物以及在表面有研磨
颗粒，CMP 工艺产生表面颗粒和污染， 有效地去
除这些表面污染为才½实现硅片表面的整½平坦
化，目前大部分化学机械抛光设备½与清洗设备组
合成整½生产线
。
目前 清 洗 设 备 可 分 为 非 接 触 式 超 声 波 清 洗
（
Megasonic）
、
接 触 式 清 洗 （
PVC
刷 洗 ）
。
超 声 波
清洗是由超声波发生器发出的高频振荡信号 ，通过
换½器½换成高频机械振荡而传播到介质产生空泡
效应，破坏不熔性污物而½它们分散于清洗液中 ，
从而达到清洗件表面净化的目的
［5
½
刷头材料一般是聚乙烯醇 （
PVA）
， 清洗过程中多
孔海绵状呈挤压状态，可同时与
pH
值
2 ½ 12
的化
学溶液½用，疏水性表面，如
HF
清洗过的
Si
以及
部分介质硅片，很容易从刷子上粘附污染颗粒，而
这些污染颗粒是从亲水性的晶圆表面吸附到刷子上
的，憎疏水性的容易吸附表面颗粒是因为刷洗过程
中疏水的界面存在多重的固
－
液界面
。
目前多数清
洗设备由接触清洗
、
非接触清洗和甩干三部分的组
合方式
。
即½经过旋½甩干
/
干燥， 硅抛光片表面还会
有微小水滴，水滴内½会溶解一些微小颗粒，这将
造成硅片表面的有机物残留或水印缺陷
。
如果残½
物中的铜发生沉淀再结晶，那么水印缺陷将会在芯
片上产生致½的失效
。
应用材料公司的清洗技术，
是将洗的硅片沿垂直方向进入水箱
。
随着硅片缓慢
地移出，将异丙醇喷涂在硅片与水之间，降½水膜
的表面张力，从而消除了水印缺陷产生的可½
。
3
结
语
½然硅抛光片
CMP
技术已经发展和应用了多
年，½是理论和技术仍然不断推陈出新 ，尤其是大
直径硅片的双面化学机械抛光
。
½务院于
2011
年
1
月
28
日正式发布了
《
½务院关于印发进一步鼓
励½件产业和集成电路产业发展若干政策的通知
》
（ ½发
〔
2011〕4
号 ）
。
明确了对半导½产业发展
的鼓励与扶持，开展大直径硅片的双面化学机械抛
光技术研究，引进关键技术设备，依靠技术创新发
展中½硅抛光片产业， 非常有必要而且发展前景
广阔
。
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接触式清洗
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