隨著先進(jìn)電子產(chǎn)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(fā)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(jìn)電子產(chǎn)品如計算機(jī)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(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術(shù)被譽為是當(dāng)今時代能實現(xiàn)集成電路（IC）制造中晶圓表面全局平坦化的目前唯一技術(shù)，可達(dá)到原子級超高平整度，其效果直接影響到芯片最終的質(zhì)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(jìn)一步減小，更先進(jìn)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(dāng)工藝節(jié)點達(dá)到3nm甚至更小時，光刻過程對于晶圓表面質(zhì)量的要求趨于原子量級。

AMSL預(yù)測半導(dǎo)體制程升級規(guī)劃

其次，晶圓制備包括襯底制備和外延工藝兩大環(huán)節(jié)，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(shù)器件和IC都做在經(jīng)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(jié)構(gòu)，更利于材料的應(yīng)用開發(fā)。目前外延技術(shù)已成為絕大多數(shù)微波器件、光電器件、功率器件等制作不可缺少的工藝技術(shù)，特別是分子束、金屬有機(jī)氣相外延技術(shù)在薄層、超晶格、量子阱、應(yīng)變超晶格、原子級薄層外延方面的成功應(yīng)用，為半導(dǎo)體研究的新領(lǐng)域“能帶工程”的開拓打下了夯實的基礎(chǔ)。

隨著分子束外延技術(shù)的發(fā)展，所生長的超晶格和異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系已從最初的GaAs/AlGaAs體系擴(kuò)展到其他的III-V族半導(dǎo)體及IV族，II-VI族半導(dǎo)體等。在所有這些多層結(jié)構(gòu)的制備中，都要求襯底表面達(dá)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(zhì)結(jié)構(gòu)。

拋光后外延層生長

原子級平整的要求及加工技術(shù)發(fā)展

原子級平整，顧名思義，就是對于其表面粗糙度控制達(dá)到了原子大小。例如，目前，半導(dǎo)體工業(yè)可通過物理和化學(xué)方法（化學(xué)機(jī)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(shù)是一項巨大的挑戰(zhàn)。

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

1.化學(xué)機(jī)械拋光

化學(xué)機(jī)械拋光主要利用化學(xué)能將原子鍵打開，實現(xiàn)原子級去除，是一種廣泛認(rèn)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(xué)試劑的化學(xué)腐蝕和納米磨粒的機(jī)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(xiàn)已廣泛應(yīng)用于集成電路半導(dǎo)體晶圓的原子表面制造中，對微機(jī)電系統(tǒng)與微電子技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。

除此之外，近年來化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)憑借其優(yōu)異的高質(zhì)高效、超低損傷、效果穩(wěn)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(lián)網(wǎng)、人工智能等軍民領(lǐng)域關(guān)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(yīng)用。

化學(xué)機(jī)械拋光原理示意圖

擴(kuò)展閱讀：

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2.離子束拋光

目前在光學(xué)加工領(lǐng)域，離子束拋光（Ion Beam Figuring，IBF）技術(shù)已經(jīng)逐漸取代機(jī)械拋光方法。離子束拋光與傳統(tǒng)的機(jī)械拋光方法來說，離子束IBF加工的主要優(yōu)點之一是離子束在元件加工上的非接觸性，沒有傳統(tǒng)機(jī)械工具的接觸導(dǎo)致的損傷后果。

對于離子束拋光相關(guān)的物理過程叫做“濺射”，離子濺射可以應(yīng)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(xiàn)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(nèi)的原子不斷地碰撞，在碰撞中與淺層原子進(jìn)行能量交換，獲得能量的原子繼續(xù)將能量傳遞給周圍原子，形成級聯(lián)運動。當(dāng)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(xiàn)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(xué)反應(yīng)來去除表面材料而實現(xiàn)拋光的方法，通過射頻發(fā)生器(RF)采用特定氣體，制成含有自由基團(tuán)（如OH自由基團(tuán)、O自由基）的活性等離子體，當(dāng)活性等離子體與工件表面作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易揮發(fā)的混合氣體，從而將工件表面材料去除。
等離子體拋光技術(shù)具有可擴(kuò)展性，尤其是對于一些加工難度高的硬質(zhì)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)的晶圓處理、監(jiān)測與控制技術(shù)得以應(yīng)用，從而減少接觸時間，同時提高產(chǎn)量與效率。

目前由于技術(shù)還在發(fā)展初期，且設(shè)備成本較高，等離子輔助磨粒拋光是當(dāng)前普遍采用的方法。

總結(jié)

目前，原子級平整表面加工中的關(guān)鍵技術(shù)主要依賴進(jìn)口，極大地制約了中國超精密加工技術(shù)的發(fā)展。因而，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原子級平整表面加工技術(shù)的具有重要的戰(zhàn)略意義。目前雖CMP拋光技術(shù)為市場主流，但如何避免了傳統(tǒng)拋光工藝中所出現(xiàn)的由于剪切與擠壓等機(jī)械作用而導(dǎo)致的表面與亞表面損傷，實現(xiàn)無損傷的原子級表面制造，仍是迄待突破的課題。

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