隨著先進電子產品制造朝著高精度、高性能、高集成度和高可靠性的方向快速發展，對許多部件表面的平整性提出了前所未有的高要求，原子級平整表面成為先進電子產品如計算機硬盤、磁頭、集成電路硅晶片等制造中的共同要求。我們都知道，化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術被譽為是當今時代能實現集成電路（IC）制造中晶圓表面全局平坦化的目前唯一技術，可達到原子級超高平整度，其效果直接影響到芯片最終的質量和成品率。

為什么需要原子級平整呢？

首先，在芯片制程中，隨著芯片制程的進一步減小，更先進的芯片制程工藝對晶圓平整度和表面粗糙度的要求越來越高。當工藝節點達到3nm甚至更小時，光刻過程對于晶圓表面質量的要求趨于原子量級。

AMSL預測半導體制程升級規劃

其次，晶圓制備包括襯底制備和外延工藝兩大環節，盡管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上，但大多數器件和IC都做在經過外延生長的襯底上，原因是外延層比襯底材料更易于獲得完美可控的晶體結構，更利于材料的應用開發。目前外延技術已成為絕大多數微波器件、光電器件、功率器件等制作不可缺少的工藝技術，特別是分子束、金屬有機氣相外延技術在薄層、超晶格、量子阱、應變超晶格、原子級薄層外延方面的成功應用，為半導體研究的新領域“能帶工程”的開拓打下了夯實的基礎。

隨著分子束外延技術的發展，所生長的超晶格和異質結構體系已從最初的GaAs/AlGaAs體系擴展到其他的III-V族半導體及IV族，II-VI族半導體等。在所有這些多層結構的制備中，都要求襯底表面達到原子級平整，才有可能在其上面生長成界面缺陷少、電子特性良好的異質結構。

拋光后外延層生長

原子級平整的要求及加工技術發展

原子級平整，顧名思義，就是對于其表面粗糙度控制達到了原子大小。例如，目前，半導體工業可通過物理和化學方法（化學機械拋光）拋光出表面粗糙度(Sa)小于0.5 nm（1-2個原子層厚度）的硅晶圓，這對于拋光加工技術是一項巨大的挑戰。

原子加工制造方法主要有離子束拋光、等離子拋光和化學機械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)。

1.化學機械拋光

化學機械拋光主要利用化學能將原子鍵打開，實現原子級去除，是一種廣泛認可的全局平坦化原子級加工制造方法，其主要原理是通過拋光液中化學試劑的化學腐蝕和納米磨粒的機械磨削雙重耦合，從而在原子水平上去除表面缺陷，獲得全局平坦化表面，現已廣泛應用于集成電路半導體晶圓的原子表面制造中，對微機電系統與微電子技術的發展具有十分重要的意義。

除此之外，近年來化學機械拋光技術憑借其優異的高質高效、超低損傷、效果穩定等工藝特點，在航空、航天、軍事國防、新能源汽車、通信工程、物聯網、人工智能等軍民領域關鍵零部件和器件材料的超精密表面制造中均得到了廣泛應用。

化學機械拋光原理示意圖

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2.離子束拋光

目前在光學加工領域，離子束拋光（Ion Beam Figuring，IBF）技術已經逐漸取代機械拋光方法。離子束拋光與傳統的機械拋光方法來說，離子束IBF加工的主要優點之一是離子束在元件加工上的非接觸性，沒有傳統機械工具的接觸導致的損傷后果。

對于離子束拋光相關的物理過程叫做“濺射”，離子濺射可以應用于任何材料，對于加工較硬的材料（如Si或SiC）和拋光高分子材料（如MgF₂、CaF₂、Si或WC）時，濺射過程的離子束拋光也可以取得比較好的加工效果。

離子束拋光可實現的表面粗糙度

其加工原理是帶有一定能量的離子束（Ar+）流轟擊非球面表面后，離子將同淺層表面內的原子不斷地碰撞，在碰撞中與淺層原子進行能量交換，獲得能量的原子繼續將能量傳遞給周圍原子，形成級聯運動。當原子由于碰撞所獲得的能量大到可以掙脫表面束縛時，將從固體表面脫離出去形成濺射原子，從而實現原子級別的去除精度。

離子束拋光示意圖

3.等離子拋光

等離子體拋光是利用化學反應來去除表面材料而實現拋光的方法，通過射頻發生器(RF)采用特定氣體，制成含有自由基團（如OH自由基團、O自由基）的活性等離子體，當活性等離子體與工件表面作用，發生化學反應，生成易揮發的混合氣體，從而將工件表面材料去除。
等離子體拋光技術具有可擴展性，尤其是對于一些加工難度高的硬質材料，如SiC、金剛石晶圓等，無論晶圓尺寸如何，都能提供相同的效果。這使得符合行業標準的晶圓處理、監測與控制技術得以應用，從而減少接觸時間，同時提高產量與效率。

目前由于技術還在發展初期，且設備成本較高，等離子輔助磨粒拋光是當前普遍采用的方法。

總結

目前，原子級平整表面加工中的關鍵技術主要依賴進口，極大地制約了中國超精密加工技術的發展。因而，研究具有自主知識產權的原子級平整表面加工技術的具有重要的戰略意義。目前雖CMP拋光技術為市場主流，但如何避免了傳統拋光工藝中所出現的由于剪切與擠壓等機械作用而導致的表面與亞表面損傷，實現無損傷的原子級表面制造，仍是迄待突破的課題。

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