CMP工程に必要な要素　どのような装置が必要か？スラリーとは何か？

この記事で分かること

CMP工程に必要な要素

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

　今回はウエハの研磨工程の一つCMPの詳細についての解説となります。

CMPとは何か

　CMP（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）は、半導体ウェーハの表面を原子レベルで平坦化するための非常に重要な技術です。

　微細化が進む現代の半導体デバイス製造において、多層構造を形成し、 高い 集積度と性能を実現するために不可欠な工程となっています。

CMPの基本的な原理

　CMPは、機械的な 研磨と化学的な エッチングという 二つの作用を組み合わせることで、ウェーハ表面の不要なCMP（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）は、半導体ウェーハの表面を原子レベルで平坦化するための非常に重要な技術です。

　微細化が進む現代の半導体デバイス製造において、多層構造を形成し、高い集積度と性能を実現するために不可欠な工程となっています。

CMPの基本的な原理

CMPは、機械的な研磨と化学的なエッチングという二つの作用を組み合わせることで、ウェーハ表面の不要な材料を高い精度で除去し、平坦な表面を作り出します。

• 機械的研磨: ウェーハは、通常ポリウレタンなどの多層構造の研磨パッドの上に固定され、回転します。研磨パッドには、微細な砥粒 (abrasive particles) を含むスラリー (slurry) と呼ばれる液体が供給されます。この砥粒が、ウェーハ表面を機械的に削り取ります。
• 化学的エッチング: スラリーには、化学的な添加剤 (chemical additives) も含まれており、これらがウェーハ表面の材料と化学的に反応し、表面を柔らかくしたり、溶解性の化合物に変えたりします。これにより、機械的な研磨がより効率的に進行します。

CMPの主な目的

1. グローバルな平坦化：ウェーハ全体のマクロな凹凸を低いレベルに抑えます。
2. ローカルな平坦化： ウェーハ表面の微細なパターンによる段差を低いレベルに抑えます。これにより、後続の薄膜形成やリソグラフィー工程での精度が向上します。
3. 表面欠陥の除去: ウェーハ表面の微細な傷やパーティクルを除去し、デバイスの信頼性を高めます。
4. 特定の材料の選択的除去: 化学的な作用を調整することで、複数の薄膜が存在する場合に、特定の層だけを選択的に研磨することができます。

CMPで研磨される主な材料

• 酸化シリコン (SiO₂)
• 窒化シリコン (Si₃N₄)
• 金属 (タングステン (W)、銅 (Cu)、アルミニウム (Al) など)
• ポリシリコン (poly-Si)
• 低誘電率 (Low-k) 絶縁膜

CMPに必要なものは何か

　CMPには以下に示すような装置や薬剤、部品が使用されます。

• CMP装置 (Polisher): ウェーハを保持・回転させる機構、研磨パッドを回転させる機構、圧力を制御する機構、スラリー供給機構、洗浄・乾燥機構などで構成されます。
• 研磨パッド (Polishing Pad): ウェーハに機械的な力を伝達する役割を果たします。材料や構造によって、研磨特性が異なります。
• 研磨スラリー (Polishing Slurry): 砥粒と化学的な添加剤を含む液体です。砥粒の種類、粒径、濃度、化学的な添加剤の種類や濃度などが、研磨速度や表面品質に大きな影響を与えます。
• パッドコンディショナー (Pad Conditioner): 研磨中に研磨パッド表面を常に清浄化し、均一な研磨性能を維持するために使用されるダイヤモンドディスクなどです。
• エンドポイント検出 (Endpoint Detection) システム: 研磨の終了時点を高い精度で検出するシステムです。これにより、過剰研磨や研磨不足を防ぎ、ウェーハ間の均一性を高めます。

CMP装置とはどのような装置か

　CMP装置（Chemical Mechanical Polisher：化学的機械研磨装置）とは、半導体ウェーハの表面を平坦化するために使用される装置です。

　機械的な研磨と化学的なエッチングの複合的な作用を利用して、ウェーハ表面の微細な凹凸を除去し、高い平坦性を実現します。

CMP装置の主な構成要素

• 研磨ヘッド (Polishing Head): ウェーハを吸着・保持し、研磨中に一定の圧力を加えます。ウェーハを回転させる機能も持ちます。
• 研磨パッド (Polishing Pad): ウェーハと接触し、機械的な研磨の主要な役割を担うポリウレタン製などの多層構造の部品です。
• 研磨テーブル (Platen): 研磨パッドが取り付けられ、回転します。
• スラリー供給システム (Slurry Delivery System): 研磨粒子と化学的な添加剤を含む研磨液 (スラリー) を、研磨パッド上に均一に供給します。
• パッドコンディショナー (Pad Conditioner): 研磨中に研磨パッド表面を清浄化し、一定の研磨性能を維持するために使用されるダイヤモンドディスクなどです。
• エンドポイント検出システム (Endpoint Detection System): 研磨の進行状況を監視し、目標の平坦度や膜厚に達した時点を高い精度で検出します。光学的な手法などが用いられます。
• 洗浄・乾燥ユニット (Cleaning and Drying Unit): 研磨後のウェーハ表面に残ったスラリーやパーティクルを丁寧に洗浄し、乾燥させます。
• ウェーハ搬送システム (Wafer Handling System): ウェーハを装置内に自動的に搬入・搬出します。
• 制御システム (Control System): 各ユニットの動作を統合的に制御し、研磨プロセス全体を最適化します。

CMP装置のメーカーはどこが有名か

　CMP（化学的機械研磨）装置の主なメーカーとしては、以下のような企業が挙げられます。

主要メーカー

• Applied Materials (アプライドマテリアルズ)：世界的にトップシェアを誇るアメリカの半導体製造装置メーカーです。CMP装置においても幅広いラインナップと高い技術力を持っています。
• 荏原製作所 (Ebara Corporation)：日本の大手総合機械メーカーであり、CMP装置においてもグローバルシェアで重要な位置を占めています。高い生産性と信頼性を誇る装置を提供しています。
• SCREEN Semiconductor Solutions (SCREENセミコンダクターソリューションズ)：日本の大手半導体製造装置メーカーです。洗浄装置で高いシェアを持ちますが、CMP装置も提供しています。
• 東京精密 (ACCRETECH)：日本の精密計測機器・半導体製造装置メーカーです。CMP装置に加えて、ウェーハの薄化・研磨装置なども手掛けています。

その他メーカー

• Lam Research (ラムリサーチ)：アメリカのエッチング装置メーカーですが、一部CMP関連製品も提供しています。
• 北川グレステック (Kitagawa Grestec)：日本の中堅メーカーで、卓上型から量産型まで多様なCMP装置を提供しています。受託加工サービスも行っています。
• 株式会社東精エンジニアリング (Tosei Engineering)：日本のメーカーで、CMP装置の開発・製造を行っています。
• ラップジャパン (Lap Japan)：日本の研磨装置メーカーで、研究開発用のCMP装置などを提供しています。
• 日の本研磨材株式会社 (Hinomoto Kenmazai)：日本の研磨材メーカーですが、CMP R&Dシステムも提供しています。
• Mipox株式会社 (Mipox Corporation)：日本の精密研磨加工メーカーで、CMP受託加工サービスと一部装置を提供しています。

CMPスラリーとは何か

　CMP（化学的機械研磨）スラリーには、主に以下の物質が使用されます。

1. 研磨粒子（Abrasives）

　ウェーハ表面を機械的に研磨する役割を担います。材料や用途によって、様々な種類の微細な粒子が使用されます。

• シリカ (Silica, SiO₂): 最も一般的な研磨粒子の1つで、酸化シリコン膜や金属膜の研磨に広く用いられます。粒径や形状の異なる多様なシリカ粒子が存在します。
• アルミナ (Alumina, Al₂O₃): シリカよりも硬度が高く、シリコン基板や硬い膜の研磨に使用されます。
• セリア (Ceria, CeO₂): 酸化シリコン膜に対して高い研磨レートと選択性を示すため、特殊な用途で使用されます。
• その他: ジルコニア (Zirconia, ZrO₂)、酸化チタン (Titania, TiO₂)、ダイヤモンド (Diamond)、コロイダルシリカなど、特定の用途や材料に合わせて使用されることがあります。

2. 化学添加剤（Chemical Additives）

　研磨の化学的な側面をサポートし、所望の研磨レート、選択性、表面品質を得るために多様な物質が添加されます。

• 酸化剤 (Oxidizing Agents): ウェーハ表面の材料を酸化させ、機械的な研磨を促進します。過酸化水素 (H₂O₂)、次亜塩素酸ナトリウム (NaClO)、硝酸アンモニウムなどが使用されます。
• 錯化剤 (Complexing Agents) / キレート剤 (Chelating Agents): 金属イオンと錯体を形成し、金属膜の溶解を促進したり、研磨後の金属表面の腐食を抑制したりします。エチレンジアミン四酢酸 (EDTA)、クエン酸、乳酸などが使用されます。
• 腐食抑制剤 (Corrosion Inhibitors): 特定の材料の腐食を抑制し、選択的な研磨を可能にします。ベンゾトリアゾール (BTA) などが金属膜の研磨に使用されます。
• 分散剤 (Dispersants): 研磨粒子の凝集を防ぎ、スラリーの安定性を向上させます。ポリエチレングリコール (PEG) などが使用されます。
• pH調整剤 (pH Conditioners): スラリーの pH を所望の範囲に調整し、化学反応の速度や選択性に影響を与えます。酸やアルカリ性の化合物が使用されます。
• 界面活性剤 (Surfactants): ウェーハ表面や研磨パッドの濡れ性を制御し、スラリーの均一な供給や機械的な接触を改善します。
• その他: アルコール類、ポリマー類など、特定の目的のために添加されることがあります。

3. 溶媒（Solvent）

　通常は純水 (DI water) が主要な溶媒として使用され、上記の研磨粒子や化学添加剤を均一に分散させます。

スラリーを提供するメーカー

　CMP（化学的機械研磨）スラリーの主なメーカーとしては、以下のような企業が挙げられます。

主要なグローバルサプライヤー

• AGC (旧旭硝子)：幅広い製品ラインナップを持ち、研磨材からスラリーまで一貫生産しています。
• Applied Materials (アプライドマテリアルズ)：CMP装置のトップメーカーですが、高い技術力を活かしたスラリーも提供しています。
• DuPont (デュポン)：高い品質と革新的なスラリーで知られています。
• Ebara Corporation (荏原製作所)：CMP装置と合わせて、信頼性の高いスラリーを供給しています。
• Entegris (エンテグリス)：高い技術力で、様々なアプリケーションに対応したスラリーを提供しています。
• Fujifilm (富士フイルム)：写真フィルムの技術を応用し、高い品質のスラリーを開発・製造しています。
• Resonac (旧昭和電工マテリアルズ)：高い機能を持つスラリーを開発しており、特に Cu配線向けで強いシェアを持っています。