CMP全稱為化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing），是半導體晶片表面加工的關鍵技術之一，比如說單晶硅片制造過程和前半制程，往往需要多次用到這項技術，使硅片表面變得更加平坦，并且還具有加工成本低及加工方法簡單的優勢，因而成為目前最為普遍的半導體材料表面平整技術。

CMP工藝原理

與此前普遍使用的機械拋光相比，化學機械拋光工藝中多出了化學腐蝕的部分，整個過程是化學作用與機械作用的交替進行，氧化作用在化學層面上為拋光提供協助，磨粒的去除作用在最適合的化學作用下發揮出優化晶片表面質量的作用，兩者互為補充。具體如下：

①化學腐蝕–拋光液： 首先是介于工件表面和拋光墊之間的拋光液中的氧化劑、催化劑等于工件表面材料進行化學反應，在工件表面產生一層化學反應薄膜；

②機械摩擦–拋光墊： 然后由拋光液中的磨粒和由高分子材料制成的拋光墊通過機械作用將這一層化學反應薄膜去除，使工件表面重新裸露出來，然后再進行化學反應。

至于CMP工藝中的“化學反應”為何，根據情況可為芬頓反應、過硫酸鈉、高錳酸鉀、氫氧化鉀等不同的氧化反應。根據研究發現，經過通過對四種氧化反應進行對比，會發現芬頓反應之后的半導體晶體表面出現的氧化層最明顯、氧化范圍最大。由于CMP的加工效率主要由工件表面的化學反應速率決定，因此近年許多學者都對半導體晶圓CMP加工中的芬頓反應進行了相關研究。到底它是何方神圣，接下來我們就來一起了解一下~

什么是芬頓反應？

芬頓反應最早是1894年由法國的科學家Fenton發現并提出的，它是一種過氧化氫與二價亞鐵離子結合形成具有強氧化性的反應體系。在亞鐵離子的催化作用下，H₂O₂的分解活化能變得非常低(34.9kJ·mol^-1)，因此在反應過程中很容易產生數量眾多的中間態的活性氧化物質羥基自由基(·OH)。羥基自由基(·OH)在自然界中擁有著僅次于氟氣的氧化還原電位(E=2.80V)，是一種氧化能力極強的氧化劑，羥基自由基與其他常見的氧化劑的氧化電位對比如表所示。

常見氧化劑的氧化電位

而在芬頓反應體系的實際應用中，由于亞鐵離子本身的狀態非常不穩定，非常容易被其他物質氧化（例如三價鐵離子、氧氣等），所以也經常直接使用三價Fe離子或者零價鐵取代二價亞鐵離子作為催化劑。

PS：芬頓反應最初是應用在環境保護領域的污水廢水處理中，它被認為是最強的氧化反應之一，可以將污水廢水中的毒性較大有機物氧化成無毒或毒性較小的無機物，這個反應的組成成分包含過氧化氫溶液和亞鐵離子。在實際的污水處理、生產加工或科學研究中，為了應對維持反應持續進行從而需要不斷的添加亞鐵鹽的問題，經常使用其他的狀態相對穩定的含鐵催化劑代替亞鐵鹽形成類芬頓反應進行實際應用。

代表應用

1、SiC（碳化硅）

碳化硅(SiC)單晶材料具有禁帶寬度大、高熱導率、高電子飽和遷移速率、高擊穿電場等突出特性，因此彌補了傳統半導體材料器件在實際應用中的缺陷，正逐漸成為功率半導體的主流。

日本的Kubota等首先將芬頓反應應用于SiC的拋光并通過實驗證實了其在SiC拋光中的有效性和高效率，國內則由國防科技大學戴一帆教授課題組率先進行了相關研究，并優化了芬頓反應在單晶SiC拋光加工中的應用方式，采用了鐵棒取代二價亞鐵離子做催化劑的類芬頓反應應用在拋光中，同樣證實了在SiC拋光是有效的。

在對單晶SiC的化學機械拋光中，芬頓反應的基本作用是通過在化學拋光液中大量產生強氧化劑羥基自由基來加速對SiC表面的腐蝕，快速形成硬度較軟、結合力較小的SiO₂氧化層，再利用拋光液中的磨粒將其去除。而如何更好的在現有的設備和工藝條件下實現芬頓反應在CMP中的作用以及配制出適合SiC單晶片拋光的基于該反應的拋光液需要深入的研究分析。

2、GaN（氮化鎵）

GaN材料為第三代半導體晶圓基材，在產業中有著良好的應用前景。GaN晶片材料具有優異的物理特性，材料熔點高、耐腐蝕、禁帶寬、低介電常數，且具有高擊穿電場和高電子遷移率，廣泛應用于微電子器件及光電子器件等領域的高頻高功率器件的制作。正是由于GaN材料具有穩定的物理化學特性，既耐酸又耐堿，其精密拋光過程難度大。

住友的C面GaN基板產品

GaN晶片芬頓反應CMP的基本原理是利用芬頓反應過程中生成的羥基自由基(·OH)的強氧化性將難腐蝕的GaN氧化分解成相應氧化物Ga₂O₃。Ga₂O₃雖然不溶于水，但其硬度明顯低于GaN，莫氏硬度約為6.5，易被機械切削去除。

目前GaN晶片使用的芬頓反應溶液一般由氧化劑（H₂O₂）、催化劑（Fe₃O₄粉末/FeSO₄溶液）、磨料（硅溶膠/氧化鋁/氧化鈰）、基液（去離子水）組成。為了進一步提高GaN晶片的加工質量，通過研究H?O?質量分數、催化劑種類、磨料種類、磨料粒徑、磨料質量分數等參數，優化拋光液組分優化配比將是主要的發展方向。

資料來源：

王磊. 基于芬頓反應的單晶SiC化學機械拋光液研究[D]. 廣東:廣東工業大學,2015. DOI:10.7666/d.Y2795863.

嚴杰文,路家斌,黃銀黎,等. GaN晶片芬頓反應化學機械拋光液組分優化[J]. 金剛石與磨料磨具工程,2022,42(5):610-616. DOI:10.13394/j.cnki.jgszz.2022.5001.

粉體圈整理

本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。