应用材料推出钨薄膜平坦化技术
CMP在非金属平坦化中的应用
由于IC 产业的快速发展, 加上线宽的进一步缩小, 使得晶片表面的高低起伏严重影响了制程技术的可靠性。
由于晶片表面层的高低起伏, 所以我们每沉积一层薄膜, 会使得表面的起伏变得更大, 这种情况如果一直继续下去, 到表面金属层时, 在制程上会发生两个大问题:一方面,在镀上金属膜时, 凹陷下去的部分和其它地方的厚度不均匀, 在此处,由于横截面积的减小,根据R=PL/S,会引起电阻值增高, 另外,因为电子迁移而容易造成线路断路, 会造成元件具的可靠性很差。
另一方面, 如果在这种凸凹不平的表面上涂覆光阻,在光阻显影时, 会因为光阻深度不一, 造成用来显影的光线在聚焦时,无法得到良好的解析度。
通常线宽越窄, 对解析度的要求越高, 便需要提供愈短的距离来聚焦, 这个距离称为聚焦深度。
在CMP(Chemical Mechanical Planarization 化学机械平坦化)平坦工艺出现之前, 集成电路工艺常用的平坦化方法包括:热流法(Thermal flow )、旋涂式玻璃法(s Pin o n G la ss)、回蚀法(E te hB ac k)、电子环绕式共振法(Ele e tro n C yelo -tro n R e s o n a n e e )。
通过上述工艺方法只能获得晶片的局部平坦化。
而国际上普遍认为,器件特征尺寸在0.35 5m以下时,必须进行全局平面化以保证光刻影像传递的精确度和分辨率,而CMP是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术,它能够将整个晶片上的高低起伏全部磨成理想的厚度。
这是这也是目前许多半导体厂在他们的制程中大量采用C MP抛光法的最大原因。
简单而言, CMP抛光工艺就是在一定压力及抛光浆料存在下,被抛光工件相对于抛光垫作相对运动,借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合,在被研磨的工件表面形成光洁表面。
CMP制程中最重要的两大组件便是浆料和研磨垫。
浆料通常是将一些很细的氧化物粉末(粒径人约在5 0nm ) 分散在水溶液中而制成。
化学机械平坦化
化学机械平坦化(重定向自化学机械抛光)化学机械平坦化(英语:Chemical-Mechanical Planarization, CMP),又称化学机械研磨(Chemical-Mechanical Polishing),是半导体器件制造工艺中的一种技术,使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理。
背景化学机械平坦化工作原理CMP技术早期主要应用于光学镜片的抛光和晶圆的抛光。
20世纪70年代,多层金属化技术被引入到集成电路制造工艺中,此技术使芯片的垂直空间得到有效的利用,并提高了器件的集成度。
但这项技术使得硅片表面不平整度加剧,由此引发的一系列问题(如引起光刻胶厚度不均进而导致光刻受限)严重影响了大规模集成电路(ULSI)的发展。
针对这一问题,业界先后开发了多种平坦化技术,主要有反刻、玻璃回流、旋涂膜层等,但效果并不理想。
80年代末,IBM公司将CMP技术进行了发展使之应用于硅片的平坦化,其在表面平坦化上的效果较传统的平坦化技术有了极大的改善,从而使之成为了大规模集成电路制造中有关键地位的平坦化技术。
工艺描述化学机械平坦化是表面全局平坦化技术中的一种,既可以认为是化学增强型机械抛光也可以认为是机械增强型湿法化学刻蚀。
该工艺使用具有研磨性和腐蚀性的磨料,并配合使用抛光垫和支撑环。
抛光垫的尺寸通常比硅片要大。
抛光垫和硅片被一个可活动的抛光头压在一起,而塑料的支撑环则用于保持硅片的位置。
硅片和抛光垫同时转动(通常是以相反的方向转),但是它们的中心并不重合。
在这个过程中硅片表面的材料和不规则结构都被除去,从而达到平坦化的目的。
平面化后的硅片表面使得干法刻蚀中的图样的成型更加容易。
平滑的硅片表面还使得使用更小的金属图样成为可能,从而能够提高集成度。
工作机理化学机械平坦化是在机械抛光的基础上根据所要抛光的表面加入相应的化学添加剂从而达到增强抛光和选择性抛光的效果。
氧化硅抛光氧化硅抛光主要被应用于平坦化金属层间淀积的层间介质(ILD),其基本机理是Cook理论。
化学机械抛光CMP技术概述
◼ 目前市场上有众多的产品进行竞争,而被 微电子行业多数厂商接受的仅Cabot系列产
品,其全球市场占有率则在八成以上。该
系列研磨剂的主要固态粒子为二氧化硅 (Silica)。在Cabot系列研磨剂的差异是在固体 含量百分比与pH值的区别。在使用时,其
较浓的固态百分比,以去离子的纯水稀释 至12~15%。另一个主要参数为pH值,一 般是维持在10.0至11.0之间。
◼ 平坦化的定性说明
4)局部平坦化:完全填充较小缝隙或局部区域。 相对于平整区域的总台阶高度未显著减小
5)全局平坦化:局部平坦化且整个Si片表面总台阶高 度显著减小
◼ 化学机械平坦化CMP
获取全局平坦化的一种手段是化学机械抛光(简称CMP)。这些设备的销 售从1990年到1994年上升了三倍,从1994年到1997年上升了四倍。尽管 最初它只是开发用于互连平坦化,今天它也用于像器件隔离这些工艺。 在微电子制造的早期,最普遍的生产工艺是,先做一层厚的介质层,通 常是使用旋涂或CVD法生长技术在器件表面形成一层玻璃,然后将硅片放 在一种包含有胶质的磨料悬浮液和腐蚀剂的碱性膏剂中机械研磨。KOH和 NaOH是最常用的悬浮液的基体。典型的pH值大约是10,维持这个值,以 便保持硅石颗粒的负向充电,便于避免形成大量的冻胶网状物。有时使 用一种pH缓冲剂用于保证工艺的稳定性。所用颗粒的尺寸通常取决于所 要求的去除速率。抛光膏剂之中的固态成分保持在(12~30)%。
◼ 化学机械研磨(CMP)工艺与已有20多年历史的晶片抛光工 艺相近似。在1995年,化学研磨已成为全球主要集成电路 公司的平坦化关键技术。图1为CMP工艺示意图。研磨平台、 研磨剂(Slurry),研磨垫(Pad)及晶片载具(Wafer Carrier)是组合成研磨机台的要件。研磨机台在1995年前, 已具备批量生产的功能。该研磨机台能够满足下面的工艺 目标:(a)精准度;以一般工艺要求,应可满足10%的误 差范围。(b)均匀度:一般的下均匀度应小于10%。(c)平 坦度:这是工艺人员对CMP技术期待的地方,也是其他工 艺步骤无法达到的规格,对第一代CMP机台言,小于0.1 微米(在整个晶片面积上)误差是可达到的规格。
平坦化技术工程
一、平坦化技术概述
3. 传统平坦化技术
(3)旋涂膜层
一、平坦化技术概述
4. 化学机械抛光(CMP)
一、平坦化技术概述
4. 化学机械抛光(CMP)
一、平坦化技术概述
4. 化学机械抛光(CMP)
一、平坦化技术概述
4. 化学机械抛光(CMP)
一、平坦化技术概述
4. 化学机械抛光(CMP)
集成电路技术工程
信息工程学院
平坦化技术
平坦化技术概述 CMP技术机理 CMP技术要素 CMP技术应用 铜布线CMP
一、平坦化技术概述
1. 平坦化技术的发展与要求
一、平坦化技术概述
2. 平坦化的定性说明
一、平坦化技术概述
3. 传统平坦化技术
(1)回蚀
一、平坦化技术概述
3. 传统平坦化技术
(2)光学终点检测
四、CMP技术应用
1. 氧化硅CMP
(1)浅沟槽 隔离
四、CMP技术应用
1. 氧化硅CMP
(2)局部互连
四、CMP技术应用
1. 氧化硅CMP
(3)层间介质
四、CMP技术应用
2. 金属CMP
(1)钨插塞
四、CMP技术应用
2. 金属CMP
(3)铜布线
五、铜布线CMP
研讨6:
一、平坦化技术概述
4. 化学机械抛光(CMP)
二、CMP技术机理
1. 研磨机制
二、CMP技术机理
2. 硅氧化物CMP
二、CMP技术机理
3. 金属CMP
三、CMP技术要素
1. CMP装置
(1)基设计概念
(2)工艺设备
三、CMP技术要素
平坦化工艺
CMP通过比去除低处图形块的速度去除高出图形来获 得均匀的硅片表面,由于它能精确并均匀地把硅片抛光 为需要的厚度和平坦度,已称为一种最广泛的技术。
BPSG在图形处平坦化
1.3旋涂膜层
旋涂膜层是在硅片上旋涂不同的液体材料以获得平坦化 的一种技术,主要是层间介质。这种技术在0.35um及 以上器件的制造中得到普遍应用。
旋涂利用离心力来填充图形低处,获得表面形貌的平滑 效果。这种旋涂法的平坦化能力与许多因素有关,如溶 液的化学组份、分子重量以及粘滞度。旋涂后烘烤蒸发 掉溶剂,留下氧化硅填充低处的间隙。为了进一步填充 表面的间隙,用CVD在淀积一层氧化硅。
三 CMP的机理
有两种机理可以解释是如何来进行硅片表面平坦化的: 1、表面材料与磨料发生化学反应生成一层相对容易去除的 表面层, 2、这一反应生成的硅片表面层通过磨料中研磨剂和研磨压 力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。
CMP的微观作用是化学和机械作用的结合,不能使用一个 完全的机械过程,如用砂纸来磨一块板子,因为这样一个研 磨过程会损坏硅片的表面,带来沟槽和擦伤。
2.2CMP的开始
常见的传统平面化技术很多, 如热流法、旋 转式玻璃法、回蚀法电子环绕共振法、淀积一 腐蚀一淀积等, 这些技术在IC工艺中都曾得 到应用, 但是它们都是属于局部平面化技术, 不能做到全局平面化。l965年Walsh和 Herzog首次提出了化学机械抛光技术(CMP) 之后逐渐被应用起来。
纳米集成电路制造中的CMP
纳米集成电路制造中的CMP王海明【摘要】总结了化学机械抛光技术在当前纳米集成电路工艺流程中的实际应用,分析了存在的问题和挑战,以及CMP的发展趋势;同时充分评估了CMP在纳米集成电路制造中的关键作用,以及掌握其核心技术的战略意义.【期刊名称】《电子工业专用设备》【年(卷),期】2018(047)002【总页数】6页(P1-5,57)【关键词】化学机械抛光;纳米集成电路制造;化学机械抛光核心技术【作者】王海明【作者单位】中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京100176【正文语种】中文【中图分类】TN305自从1988年IBM公司将化学机械抛光技术(CMP)应用于4M DRAM芯片的制造,集成电路制造工艺就逐渐对CMP技术产生了越来越强烈的依赖。
之所以如此,主要是由于器件特征尺寸(CD)微细化,以及技术升级引入的多层布线和一些新型材料的出现。
特别是进入0.25 μm节点后的Al布线和进入0.13 μm节点后的Cu 布线,CMP技术的重要性更显突出。
进入90~65 nm节点后,铜互连技术和低k介质的采用,CMP的研磨对象主要是铜互连层、层间绝缘膜和浅沟槽隔离(STI)。
从45 nm开始,逻辑器件的晶体管中引入高k金属栅结构(HKMG),因而同时引入了两个关键的平坦化应用,即虚拟栅开口CMP工艺和替代金属栅CMP工艺。
到了32 nm和22 nm节点,铜互连低k介质集成的CMP工艺技术支持32 nm和22 nm器件的量产。
在22 nm开始出现的FinFET晶体管添加了虚拟栅平坦化工艺,这是实现后续3D结构刻蚀的关键技术。
先进的DRAM存储器件在凹槽刻蚀形成埋栅结构前采用了栅金属平坦化工艺。
引入高迁移率沟道材料(如用于nFET的III-V材料和用于pFET 的锗)后,需要结合大马士革类型的工艺,背面抛光这些新材料。
另外,CMP也在PCRAM技术中担当起了GST CMP的重任。
总之,诸如此类层出不穷,CMP 在纳米集成电路制造中的作用至关重要。
化学机械平坦化
抛光过程
• 抛光主要分两步过程: 1):主要是去除材料的步骤; 2):只用去离子水(或特殊磨料)的研磨过程 (主要原因是为了消除表面上微小的擦痕和 颗粒,是为进行CMP后清洗工艺做准备)
图形密度效应
相应的平坦化的电路图
Si衬底
第2层保护膜 第1层保护膜 第2层金属布线 层间绝缘膜2 层间接触通孔(金属) 第1层金属布线 层间绝缘膜1 淀积接触孔(金属) 金属布线 场氧区
侧壁氧化绝缘膜 栅极氧化绝缘膜
对比
Si衬底
Si衬底
硅片平坦化术语
1~10微米范围
化学机械平坦化的平整度
DP(%)=(1-SHpost/SHpre)x100 SHpre:CMP之后某处最高和最低台阶的高度差 SHpost: CMP之前某处最高和最低台阶的高度差
抛光垫
化学机械平坦化设备
化学机械平坦化设备
终点检测 (电机电流终点检测)
摩擦力 的变化 使电机 电流发 生变化
终点检测 (光学终点检测)
基于光的反 射系数,光 从膜层上反 射的不同角 度与膜层材 料的厚度有 关.
光学终点检 测测量到从 抛光膜层反 射过来的光 线之间的干 涉图形.
膜头设计
平整度是描述从微米到毫米范围内的硅片表面的起伏变化
传统的平坦化技术 反刻
如SOG:80%的溶剂和20%的氧化硅
传统的平坦化技术 玻璃回流
在850度,氮气环境中退火30分钟,使BPSG在台阶覆盖处流动,能够实现部 分平坦化,不能满足深亚微米多层布线的技术要求
传统的平坦化技术 旋涂膜层
如SOG:80%的溶剂和20%的氧化硅
CMP化学机械平坦化
Summary
CMP技术的特点: CMP技术的缺点:
1.CMP技术是一种新技术,对工艺变量控制相 对较差,并且工艺窗口窄; 2 . CMP 技术引入的新的缺陷将影响芯片成品 率,这些缺陷对亚0.25微米特征图形更关键; 3. CMP技术需要开发别的配套工艺技术来进行 工艺控制和测量; 4. 昂贵的设备及运转、维护费用。
1) 表面材料与磨料发生化学反应生成一层相对 容易去除的表面层; 2)这一反应生成的硅片表面层通过磨料中研磨 机和研磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨 去。
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化学机械平坦化机理
向下施加力 磨头 硅片 磨的原理图
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化学机械平坦化机理
研磨速率Preston公式:R=kPv
在前面层间介质层侵蚀引起SiO2厚 度变化,由于SiO2不均匀的厚度, 通孔刻蚀不完全 钨通孔 铝 钨通孔 LI钨 SiO2 平坦化的 SiO2 侵蚀最初发生的地方 未平坦化的 SiO2 平坦化的 SiO2
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金属CMP的机理
大图形中的CMP凹陷
氮化硅抛磨终止 铜去除
凹陷
氧化硅 (硬表面,低 抛磨速率)
342spprke???cmp氧化硅机理抛光垫sisisisicmp系统5副产物去除1磨料喷嘴副产物排水管排水管磨料3机械力将磨料压到硅片中旋转page13sio2层sisisisisisisisisisisisisisisisisisisisisisisisi2h2ooh运动到硅片表面4表面反应和机械磨损sioh4si金属cmp的机理抛光垫2机械磨除2机械磨除旋转1表面刻蚀1表面刻蚀和钝化磨料向下施加力page143再钝化金属氧化硅金属氧化硅金属金属cmp的机理page15after95minutesofpolishingafter5minutesofpolishingwaferc10beforecmp金属cmp的机理图形密度效应图形密度效应钨互连软材料软材料高抛磨速率高抛磨速率侵蚀page16氧化硅硬材料低抛磨速率金属cmp的机理在前面层间介质层侵蚀引起sio2厚度变化由于sio2不均匀的厚度通孔刻蚀不完全钨通孔平坦化的sio2侵蚀带来的不完全通孔刻蚀侵蚀带来的不完全通孔刻蚀page17sio2铝li钨钨通孔未平坦化的sio22平坦化的sio2侵蚀最初发生的地方金属cmp的机理大图形中的大图形中的cmpcmp凹陷凹陷氮化硅抛磨终止凹陷page18氧化硅硬表面低抛磨速率铜去除铜软表面高抛磨速率化学机械平坦化终点检测电机电流终点检测电机电流终点检测电机控制器rpm设备点驱动电流电机电流信电机电流信号电机磨头磨头page19终点探测系统反馈终点信号垫timemotorcurrentwtitinwtinsio2sio2化学机械平坦化终点检测光学干涉光学干涉光至光学探测器光纤page20氧化硅硅硅片磨头化学机械平坦化应用stisti氧化硅抛光氧化硅抛光1planarizationbychemicalmechanicalpolishingsstioxideafterpolishfoxidecvdpage21lineroxidepsiliconsubstratepepitaxiallayernwellpwellnitridestrip32化学机械平坦化应用oxidecmpoxidecmp32dopedoxidecvd1nitridecvdlili氧化硅抛氧化硅抛光光page22nwellpwelllioxidepsiliconsubstratepepitaxiallayer化学机械平坦化应用ildild氧化硅抛光氧化硅抛光
利用ISSG退火技术实现沉积二氧化硅薄膜平坦化
利用ISSG退火技术实现沉积二氧化硅薄膜平坦化
陶凯;孙震海;孙凌;郭国超
【期刊名称】《半导体学报:英文版》
【年(卷),期】2006(27)10
【摘要】利用现场水汽生成(in-situsteamgeneration,ISSG)退火这种新型的低压快速氧化热退火技术,在对沉积二氧化硅薄膜热退火的同时进行补偿氧化生长,最终实现了沉积二氧化硅薄膜的平坦化.实验数据表明,ISSG退火补偿生长后整个晶圆表面的薄膜厚度波动(最大值与最小值之差)从0·76nm降到了0·16nm,49点厚度值的标准偏差从0·25nm降到了0·04nm.同时,薄膜的隧穿场强增加到4·3MV/cm,硅氧界面与传统的氧气快速退火工艺相比更为良好.实验结果为二氧化硅薄膜平坦化提供了新的思路,对实际生产具有重要意义.
【总页数】4页(P1785-1788)
【关键词】ISSG退火;低压化学气相沉积;薄膜平坦化
【作者】陶凯;孙震海;孙凌;郭国超
【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所;中国上海宏力半导体制造有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN305.5
【相关文献】
1.液相沉积法制备的二氧化硅薄膜及其钝化性能 [J], 刘邦武;钟思华;何静;夏洋;李超波
2.二氧化硅薄膜沉积技术的主要化学反应与方法 [J], 王长林
3.利用等离子体辅助脉冲磁控溅射实现多晶硅薄膜的低温沉积 [J], 苏元军;徐军;朱明;范鹏辉;董闯
4.利用切削技术实现半导体芯片的平坦化面向倒装芯片封装等领域 [J],
5.利用ISSG退火改善隧穿氧化层的厚度均匀性 [J], 陶凯;郭国超;孔蔚然;韩瑞津;邹世昌
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利用非光敏BCB树脂实现多芯片组件平坦化研究
利用非光敏BCB树脂实现多芯片组件平坦化研究
付小朝;易新建;赵小梅;何少伟
【期刊名称】《半导体光电》
【年(卷),期】2005(26)5
【摘要】多层布线和绝缘介质材料的引入使得多芯片组件的芯片表面形貌凸凹不平,采用旋涂介质膜实现芯片表面平坦是常用的平坦化方法。
分别介绍了聚酰亚胺、旋涂玻璃膜和苯并环丁烯(BCB)的平坦化特性,论述了非光敏BCB树脂的平坦化工
艺原理。
在此原理的基础上实现了非致冷红外焦平面的读出电路芯片平坦化,表面
台阶从1.39μm下降到0.097μm,平坦度达到93%。
【总页数】3页(P412-414)
【关键词】多芯片组件;苯并环丁烯;平坦化;平坦度
【作者】付小朝;易新建;赵小梅;何少伟
【作者单位】华中科技大学光电子工程系;华中科技大学激光国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN405
【相关文献】
1.一种基于光敏BCB技术的兰格耦合器制备工艺研究 [J], 梁广华;贾世旺;赵飞;韩威;徐亚新;庄治学;陈雨;刘晓兰;何超
2.光敏BCB光刻图形化工艺研究 [J], 王凤丹;王英;刘民;付学成;李进喜;沈赟靓;马
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4.利用切削技术实现半导体芯片的平坦化面向倒装芯片封装等领域 [J],
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0.5um Analog CMP平坦化钨塞工艺问题研究的开题报告
0.5um Analog CMP平坦化钨塞工艺问题研究的开
题报告
一、研究背景
集成电路(IC)是现代电子技术的重要组成部分,而制备高性能的IC需要先制备平坦的硅片表面。
在现代工艺中,硅片表面平整度的要求越来越高(小于0.5微米),因此需要采用化学机械研磨(CMP)技术来实现平坦化。
尤其是在模拟集成电路(analog IC)领域中,更为严格的表面平整度要求和制备精度,对CMP工艺提出更高的要求,因此研究针对analog CMP平坦化技术的改进和优化,对于提高analog IC的性能有着十分重要的意义。
二、研究内容
本文旨在探究简化了柚皮素衍生物的Analog CMP平坦化钨塞(Analog CMP planarization tungsten plug)的制备工艺,通过分析工艺参数对钨塞表面平整度的影响,探究优化工艺参数的合理范围,提高钨塞表面平整度,从而保证Analog IC的性能和稳定性。
三、研究方法
1.制备样品:制备不同参数的Analog CMP平坦化钨塞,利用实验测量钨塞表面平整度。
2.表面分析:利用扫描电子显微镜(SEM)对制备的样品表面进行观察和分析,分析表面平整度的变化和影响因素。
3.数据处理:通过数据分析和对比,确定最优化工艺参数范围,并得出最佳工艺流程。
四、研究意义
随着半导体制造技术的不断进步,对于硅片表面平坦度的要求也日益提高,而有着良好平坦度的钨塞是集成电路中非常重要的组成部分。
因此,本研究将在现有工艺的基础上,探究Analog CMP平坦化钨塞工艺的优化策略,为制备高性能Analog IC打下坚实基础。
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应用材料推出钨薄膜平坦化技术
应用材料公司6月20日宣布,成功的Applied Reflexion GT CMP1系统工艺已经扩展,增加钨薄膜平坦化工艺。
该CMP工艺对于制造先进的动
态随机存储器(DRAM)、NAND闪存和逻辑器件的晶体管触点和通孔至关重要。
依托经过验证的Reflexion GT双硅片架构,客户能够实现无可匹敌的高产量,以及相对于同类系统,单片硅片节省超过40%的制造成本。
更重要的是,应用材料公司是全球唯一采用闭环薄膜厚度和均匀性控制技术的钨化学机械平坦化系统制造商。
这种控制技术是提高当今先进晶体管结构成品率的一项重要技术。
应用材料公司CMP事业部总经理Lakshmanan Karuppiah表示:目前,先进芯片的制造变得日益复杂,需要更多钨CMP工序和更加复杂的工艺控制。
Reflexion GT系统能以合理的成本实现卓越的硅片表面性能,帮助芯片厂商应对这些挑战。
客户将我们创新的Reflexion GT系统在铜互连应用方面的迅速采用和市场份额的大幅提高验证了双硅片理念的价值,进一步巩固了我们在这一关键芯片制造工艺领域的领先地位。
应用材料公司于2009年末推出的Reflexion GT主机平台,树立了CMP 性能和生产效率的新标杆。
该系统采用独特的双模架构,在一个抛光垫上可同时处理两片硅片,从而提高产量、大幅降低耗材成本。
此外,该系统复杂而精密的实时轮廓及终点控制技术,有助于客户取得优良的轮廓控制及可重复性。
市场研究机构Gartner Dataquest的研究显示,应用材料公司在2010年的CMP市场上取得了超过75%的份额,是该市场当仁不让的领军者。
迄今为止,应用材料公司已在全球各地的客户端有超过3,000套的CMP系统安装,这些系统由业界最大的服务和支持网络提供支持,延长设备的正常运行时间,提高客。