CMP化学機械研磨装置の原理と国内外の装置メーカーの紹介

化学機械研磨 (CMP) は、IC チップの製造プロセスでウェーハ表面を平滑にするために使用される技術です。 研磨液とウェーハ表面の化学反応により、加工しやすい酸化物層が形成され、機械的作用により酸化物表面が除去されます。 化学的および機械的作用をいくつか交互に繰り返すと、均一で平坦なウェーハ表面が形成されます。 CMP装置は、力学、流体力学、材料化学、微細加工、制御ソフトウェアなどの最先端技術の集積回路プロセス装置の1つであり、より複雑で開発が難しい装置の1つです。

化学機械研磨装置の原理

CMP 装置は、研磨対象のウェーハを弾性研磨パッド上に押し付けます。 研磨中、研磨ペーストはウェーハと研磨パッドの間を連続的に流れます。 上下プレートの高速反転動作によりウェーハ表面の反応生成物が連続的に剥離され、新たな研磨ペーストが追加され、反応生成物は研磨ペーストとともに除去されます。 図に示すように、新たに露出したウェーハ表面で化学反応が発生し、生成物が剥離されて前後に循環し、基板、研磨粒子、化学反応物質の複合作用により超微細な表面が形成されます。

化学機械研磨装置の開発

CMP 技術は 1965 年にモンサントによって初めて提案されましたが、当初は軍用望遠鏡などの高品質のガラス表面を得るためにのみ使用されていました。 シリコンウェーハに使用される最初の CMP 装置は、1980 年代半ばに IBM のイースト フィッシュキル工場でストラスボー研磨剤を使用して開発されました。 1988 年、IBM は 4M DRAM の製造に CMP テクノロジーの使用を開始しました。 1990 年までに、IBM は CMP テクノロジーを使用した 4M DRAM を Micron Technology に販売し、Motorola と提携して Apple 向けの PC コンポーネントを生産していました。 1991 年に IBM が 64M DRAM の製造に CMP を適用することに成功してから、CMP テクノロジーは世界中で急速に発展し、それ以来、さまざまな論理回路やメモリがさまざまな開発規模で CMP に移行してきました。 1994年までに、0.5μmデバイスの量産と0.35μmプロセスの開発により、CMPプロセスが徐々に生産ラインに入り、装置市場が最初に形成されました。

化学機械研磨装置および消耗品市場分析

CMP市場は主に装置市場と消耗品市場に分かれており、このうち消耗品が68%近くを占め、主要部分である装置は32%に過ぎないため、本セクションでは装置と消耗品を組み合わせて総合的に分析する。 CMP装置は一般にウェーハ研磨機を指します。CMP消耗品には主に研磨ペースト、研磨パッド、洗浄剤などが含まれます。その中で、研磨機、研磨ペースト、研磨パッドはCMPプロセスの3つの重要な要素であり、その性能はそして、マッチングによって、CMP 後にチップが達成できる表面平坦度レベルが大きく決まります。

CMP装置市場分析

CMP 装置市場に占める割合は消耗品に比べてはるかに低いですが、より高度な技術内容を備えているため、CMP プロセスの最も中心的な要素となっています。 中国経済研究院のデータによると、2020年の世界のCMP装置市場規模は17億6,700万ドル、2021年には27億8,300万ドルとなり、前年比57.48％の成長となる。 2022年の世界市場規模は30億7,600万ドルと見込まれています。半導体業界においてCMP装置の重要性はますます高まっており、米国Industry ARC社はCMP装置の市場規模は複合成長率7.2%を維持すると予測しています。 Prospective Industry Research Institute による 2020 年の CMP 装置産業市場分析によると、中国が世界市場の合計 35% を占める最大の市場に躍り出ており、そのうち本土は市場が25％、台湾市場が10％を占めた。 韓国、米国、日本、欧州はそれぞれ世界市場の26%、13%、9%、7%を占めています。 同研究所によると、CMP装置の製造は米国と日本がリードしており、米国のアプライドマテリアルズ（AMAT）と日本の荏原機械（荏原）がそれぞれ世界市場の70％と25％を占めている。 。 さらに、ドイツの Peter Wolters は世界市場の約 3% を占めています。 国内の観点から見ると、本土市場の82％以上が外国企業によって占められており、CMP装置の現地化の進捗は著しく不十分で、天軍機電、天津華海青科のみが本土市場の12％、中国では6％を占めている。さらに、China Electronics Technology Group Company 45 Institute (以下「CLP 45 Institute」) は CMP 装置の研究開発を行っています。 アプライド マテリアルズ、荏原機械製造株式会社、ピート ウォルターズという CMP 装置の 3 つの巨人の最新開発であるアプライド マテリアルズは、CMP 装置の最大のサプライヤーです。 2003 年に、アプライド マテリアルズはすべての 8 インチ装置の生産を終了し、12 インチ CMP 装置に集中しました。 図に示すように

最新世代の適用材料は、古典的な Mirra ファミリの一部である ReflexionTM-LK300 で、シリコン、シャロー トレンチ分離 (STI)、酸化物、ポリシリコン、金属タングステン、銅に対して生産実績のある高性能 150mm および 200mm 平坦化ソリューションを提供します。インレイアプリケーション。 高速フラット ターンテーブルとマルチゾーン研削ヘッドは低圧力で優れた均一性と効率を実現します。 MIRRA を搭載した統合型 CMP アフタークリーナー Mesa は、スラリーを効果的に除去し、残留物の形成を防ぎ、粒子やウォーターマークを最小限に抑えます。 銅モザイク用途の場合、アプライド マテリアルズの CMP 装置には 200mm Desica 洗浄およびリンス技術が装備されており、マランゴニ蒸気乾燥機を使用してウォーターマークのない高速かつ効率的な乾燥を実現します。 ReflexionTM-LK 300 は、完全なエンドポイント アプローチによるインライン測定と高度なプロセス制御機能を提供し、すべての平坦化アプリケーションに対して優れたウエハ内およびウエハ間のプロセス制御と再現性を保証します。

Peter Walters はヨーロッパの著名な半導体装置メーカーであり、CMP 装置の研究開発に注力しており、シリコン材料 CMP の分野において独自の設計と理解を持っています。 Pete Walters が製造する CMP 装置には、主に回転式 CMP 装置である PM200-Apollo、PM200 GEMINI、PM300-Apollo、HFP200、HFP300 などがあり、その中で最新世代の PM300-Apollo タイプは 300mm シリコン CMP 処理装置です。 ドライインウェットアウトまたはドライインドライアウトの機能は、さまざまな構成に従って実現できます。 図 9-4 に示すように、HFP300 は Peter Wolters が開発した最新の 300mm シリコンウェーハ処理装置で、前世代と比較して生産効率が 30% 向上しています。

国内CMPメーカーは主にTianjun Mechanical and Electrical、Huahai Qingke、CLP 45であり、さらにSheng Mei Semiconductorも2019年にCMP装置製品を発売し、国内CMP装置の新勢力となっている。 Tianjun Electromechanical、正式名はShanghai Tianjun Electromechanical Equipment Co., LTD.は2005年に設立され、化学薬品、研磨液供給システム、湿式洗浄装置の研究開発、生産、販売およびサービスを共同で行っています。株式会社。 主にケミカル系CDS、研磨液系SDS、エッチングウェットプロセスWPS、精密超音波洗浄装置の研究開発、生産、製造を行っております。

Huahai Qingke の前身は、学者 Luo Jianbin と Lu Xinchun 教授の指導の下、2000 年に設立された研究チームです。 2012 年、学者の羅建斌氏は研究チームを率いて、中国初の独立した知的財産権を持つ 12 インチのドライインドライアウト CMP 装置の開発に成功しました。 2013年3月、清華ホールディングスと天津市が華海青科に投資した。 科学技術成果の産業化プロセスを促進する。 2014 年に、Huahai Qingke は、図 9-6 に示すように、最初の 12 インチのドライ入力およびドライ出力 CMP 商用モデル -Universal-300 を開発しました。 この機械は2015年にSMIC北京工場に導入され、SMICの評価に合格し、2016年に販売を達成しました。

Senmei の CMP 装置は、主にバックエンド パッケージの 65 ～ 45nm 銅相互接続プロセスで使用されます。 Senmei Semiconductor はウェーハストレスフリー研磨技術を習得しており、この技術を使用したプロトタイプは Intel と LSI Logic によって購入されています。 2019年3月に上海で開催された「SEMICON China 2019」で、盛美半導体は先進的なパッケージング銅投入装置を再び発表しました。新たに発売されたパッケージング銅投入装置は、人工知能（AI）チップのパッケージングプロセス向けに開発されました。 より多くのピンを備えたAIチップには、新たな3次元実装プロセスと実装装置が必要であり、研磨プロセスには高価な研磨粉が必要です。 Semi Semiconductor の最新の UltraSFP ap335 装置図を示します。 2.5D パッケージング プロセス要件に対応するため、UltraSFP ap335 は、ストレスフリー研磨 (SFP)、化学機械研削 (CMP)、およびウェット エッチング プロセス (ウェット エッチング) を統合した湿式電解研磨プロセスを使用します。 研磨粉の使用量を約90％削減するだけでなく、研磨液中の銅も回収します。 電解研磨の薬液は繰り返しリサイクルできるため、消耗品コストを80％以上節約できます。

CMP消耗品市場分析

Prospective Industry Research Instituteのデータによると、2020年の世界の研磨液と研磨パッドの市場規模はそれぞれ20億1,000万米ドルと13億2,000万米ドルに達すると予想されています。 2019年、CMPにおける各種消耗品の市場分布は48.1%と高いシェアを占め、研磨パッドは第2位のシェアの31.6%を占め、CMP消耗品市場の主要構成要素となっています。

1) 研磨液は CMP の重要な要素の 1 つであり、その性能は研磨面の品質に直接影響します。 研磨ペーストの組成は主に、腐食媒体、皮膜形成剤および補助剤であるナノ研磨粒子の 3 つの部分で構成されます。 研磨ペーストは、速い研磨速度、良好な研磨均一性、および研磨後の洗浄の容易さの要件を満たさなければなりません。 フィルム表面への機械的損傷を比較的軽くするために、研磨粒子の硬度は高すぎてはなりません。 2019年の世界のCMP研磨液市場は20億1000万ドルで、主に米国のキャボットコーポレーションやバーサム、日本のフジミなどの企業が市場を独占していた。 キャボットは研磨液の世界有数のサプライヤーであり、2019年の売上収益は4億1,100万ドルで、市場シェアは最大となっていますが、その優位性は年々低下しており、市場シェアは2000年の約80％から2019年には約35％に低下しています。 Versum は米国の先端材料およびプロセス材料の老舗メーカーで、2019 年には世界の研磨液事業の約 20% を占めています。Fujimi は研磨材の研究開発と CMP の販売に注力する日本の企業です。研磨液は2019年に146億2,100万円に達し、世界シェアの約15％を占めた。 中国の主なサプライヤーは安吉微電子技術（上海）有限公司です。 安吉科技株式会社（以下「安吉科技」）は、2004年に上海市浦東新区に設立され、CMP研磨材とフォトレジスト全般を専門に扱っており、2019年の総収益は2億800万元でした。

2) CMP 研磨パッドとも呼ばれる研磨パッドは、ウール パッドの硬度を制御するために使用される充填材を含むポリウレタン材料で主に構成されています。 研磨パッド表面の凸部がウェーハと直接接触して摩擦し、研磨液が研磨パッド表面に均一に噴霧されて研磨層が除去され、最後に研磨液がウェーハ表面の反応生成物を除去します。研磨パッド。 研磨パッドの特性はウェーハの表面品質に直接影響し、平坦化効果に関連する直接要因の 1 つです。

ファウンチル テクノロジーズ PTE. 株式会社当社はシンガポールに拠点を置き、10年以上にわたり半導体分野における精密セラミック部品の研究開発、製造および技術サービスに注力してきました。 当社の主力製品はセラミックチャック、セラミックエンドエフェクター、セラミックプランジャー、セラミック角ビームで、研究開発部門、品質管理部門、設計部門、営業部門が含まれます。