化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術的概念是1965年由Monsanto首次提出，該技術最初是用于獲取高質量的玻璃表面，如軍用望遠鏡等。而后CMP工藝在美國以SEMATECH為主的聯合體的推動下，最早于1994年首先在美國進入工藝線應用，隨后這項工藝便被迅速發展到全球。

CMP技術最重要的應用領域之一：晶圓拋光

由于半導體制造技術不斷向微細化、高速、高密度方向發展，因此適用于平坦化工藝的CMP技術的市場規模近年來得到了迅速增大，CMP設備更成為了任何芯片制造商不可或缺的必備工具。而且隨著技術節點的持續降低，對于金屬和介質的平坦化次數越來越多，且對均勻性的要求越來越高，CMP技術日益凸顯其重要性。

一、CMP拋光工藝技術原理

區別于傳統的純機械或純化學的拋光方法，CMP通過化學的和機械的綜合作用，最大程度減少較硬材料與較軟材料在材料去除速率上的差異，也有效避免了由單純機械拋光造成的表面損傷和由單純化學拋光易造成的拋光速度慢、表面平整度和拋光一致性差等缺點。

CMP技術原理圖

CMP工藝平坦化原理是，利用機械力作用于圓片表面，同時由研磨液中的化學物質與圓片表面材料發生化學反應來增加其研磨速率。其中，化學反應過程是拋光液中化學反應劑與材料表面產生化學反應，將不溶物轉化為易溶物或軟化高硬度物質，生成比較容易去除的物質；機械磨削則是材料表面對拋光墊做相對運動，并利用研磨液中的磨粒與發生機械物理摩擦，從材料表面去除化學反應過程生成的易去除物，溶入流動的液體中帶走，二者協同配合。除此之外，影響拋光效果的因素還有研磨頭下壓力等其他參數。

拋光過程原理圖

二、CMP工藝中的重要組成部分

CMP技術所采用的設備及消耗品包括：拋光機、拋光漿料、拋光墊、后CMP清洗設備、拋光終點檢測及工藝控制設備、廢物處理和檢測設備等。CMP技術難點是干和濕混合、要在化學和機械之間找好平衡。

1.消耗品材料

CMP工藝中最重要的兩大組成部分是研磨液和研磨墊，拋光液和拋光墊均為消耗品，拋光墊的使用壽命通常為45~75小時。

①拋光液：拋光液分為酸性拋光液和堿性拋光液，是均勻分散膠粒的乳白色膠體，主要起到拋光、潤滑、冷卻的作用。以堿性SiO₂拋光液為例，其成分主要包含研磨劑（SiO₂膠粒）、堿、去離子水、表面活性劑、氧化劑、穩定劑等。目前一些較新型的拋光液會傾向于讓拋光液的化學去除作用效果比機械去除作用效果要大，來減小機械作用造成的缺陷，而研磨劑的材料則會采用氧化鈰材料替代傳統硅石磨料。

拋光液

②拋光墊：拋光墊是一種具有一定彈性疏松多孔的材料，一般是聚亞氨酯類，主要作用是存儲和傳輸拋光液，對硅片提供一定的壓力并對其表面進行機械摩擦。拋光墊技術進步相對于拋光液要緩慢，發展方向主要集中在提高工藝能力、降低工藝缺陷方面。在保證平坦化質量的前提下，研究拋光墊表面形貌，能為拋光液最大應用效能研究提供支撐。

拋光墊

2.設備組成

CMP設備主要分為兩部分，即拋光部分和清洗部分，拋光部分由4部分組成，即3個拋光轉盤和一個圓片裝卸載模塊。清洗部分負責圓片的清洗和甩干，實現圓片的“干進干出”。

CMP工藝流程（來源：AMAT公司官網，賽迪顧問）

①拋光部分

CMP設備是 CMP 技術應用的載體，集摩擦學、表/界面力學、分子動力學、精密制造、化學化工、智能控制等多領城最先進技術于一體，是集成電路制造設備中較為復雜和研制難度較大的設備之一。其中拋光部分由拋光頭、研磨盤等組成，分別起到的作用如下：

l拋光頭：通常具有真空吸附裝備用于吸附晶圓，防止晶圓在拋光過程中產生位移，同時向下施加壓力。

l研磨盤：起到對晶圓的支撐作用，承載拋光墊并帶動其轉動并對拋光頭壓力大小、轉動 速度、開關動作等進行控制。

根據 Gartner 數據，CMP 設備占半導體設備投資的比例約為3%。目前CMP設備兩大廠商AMAT（美國應用材料）及Ebara（日本荏原）占據著300 mm晶圓的90%以上的市場。此

外國外還存在KC TECH、東京精密等規模較小的 CMP 設備企業。國內CMP設備龍頭企業則是華海清科產品廣泛應用于12寸晶圓加工領域。

2019年各CMP設備企業的市場占比圖

②清洗部分

在晶圓制造過程中清洗可以減少雜質、提升良率，因此在光刻、刻蝕、薄膜沉積等重復性工序后，都需要一步清洗工序，清洗步驟約占整體工藝步驟的33%。值得一提的是，200 mm工藝中，CMP后清洗系統可相對于CMP離線配合應用，進入300 mm工藝，CMP集成后清洗系統已經成為CMP設備的標準模組。而且隨著制造節點不斷縮小，清洗效果要求越來越高，對器件的微結構損傷要求越來越苛刻，如在14 nm節點，后清洗顆粒的指標要求大于30 nm的缺陷顆粒小于10顆。

CMP后的清洗流程中晶圓的表面狀況

目前整個清洗設備上游包括氣路系統、管路系統、控制系統等，中游為清洗設備的設計和制造，下游則應用于Foundry廠、IDM廠等。清洗工藝則分為濕法清洗和干法清洗，濕法清洗采用特定的化學液體，主要包括溶液浸泡法、機械刷洗法、超聲波清洗法等，干法清洗主要包括等離子清洗、氣相清洗法等，目前 90%以上的清洗步驟為濕法工藝。

③檢測部分

另外除了以上兩部分外，還需要終點檢測設備，它主要是用于檢測 CMP 工藝是否把材料磨到正確的厚度，避免過薄（未起到拋光作用）及過厚（損失下層材料）帶來的負面影響，通常使用電性能及光學兩種測量方式。

資料來源：

李丹. 化學機械拋光(CMP)技術、設備及投資概況[J]. 電子產品世界,2019,26(6):31-34.

童志義. CMP設備市場及技術現狀[J]. 電子工業專用設備,2000,29(4):11-18. DOI:10.3969/j.issn.1004-4507.2000.04.003.

柳濱,周國安. 450 mm晶圓CMP設備技術現狀與展望[J]. 電子工業專用設備,2014(3):33-36,60. DOI:10.3969/j.issn.1004-4507.2014.03.005.

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