CMP技術是現代集成電路制造過程中的核心環(huán)節(jié)，它提供了一種有效的方法來保證芯片表面的平坦度，以支持更高密度和更小尺寸的電路制造。CMP拋光液作為拋光過程中的關鍵介質，其組分及其性質對拋光效果起決定性作用，其中pH值調節(jié)劑的添加能夠為CMP拋光過程提供一個穩(wěn)定的拋光環(huán)境，改變磨粒表面的Zeta電位和其他化學添加劑的溶解度等，因此，選擇合適的PH調節(jié)劑對于提高拋光效率和保證產品質量至關重要。下面小編帶大家了解一下CMP拋光液中PH調節(jié)劑的選擇策略。

來源：蘇州錸鉑機電科技有限公司

根據其化學結構中是否含有作為其骨架的碳元素以及電離出的H⁺和OH^-，PH調節(jié)劑可分為分為無機酸類、有機酸類、無機堿類和有機堿類四種類型：

1、無機酸類：

無機酸類pH調節(jié)劑包括硝酸(HNO₃)、磷酸(H₃PO₄)、硫酸(H₂SO₄)等，常用于鎂合金、銅等金屬材料的拋光。由于能夠快速腐蝕材料表面，在提高拋光效率方面有著顯著優(yōu)勢，同時也能得到光滑平整的拋光后表面。

以磷酸(H₃PO₄)拋光鎂合金為例，鎂合金基底首先會被H₃PO₄腐蝕，生成的鎂離子在表面聚集并與拋光液中的配體形成黏度很大的磷酸鹽黏液膜覆蓋在金屬表面，阻止金屬表面被過度腐蝕。隨著反應不斷進行，黏液膜逐漸積累達到一定的厚度，由于鎂合金表面微凸部位的黏液膜較薄，會被優(yōu)先溶解并被繼續(xù)腐蝕，使得凸起部位被迅速整平，從而實現材料表面的均勻拋光，提高表面光潔度。

拋光前后鎂合金的表面形貌

此外，有些無機酸（如硫酸等）跟某些金屬如鐵、鋁等接觸，還能夠使金屬表面生成一薄層致密的氧化物保護膜，即鈍化膜，阻止內部金屬繼續(xù)腐蝕的同時，還可增加摩擦力，加強機械研磨作用來提高拋光效率。

不過，無機酸類pH調節(jié)劑由于酸性較強，腐蝕性強，對實驗人員和操作環(huán)境有較大威脅。同時無機酸在拋光過程中會將大量的金屬離子引入拋光液中，不僅可能導致金屬表面的二次污染，還可能因排放含有金屬化合物的廢水，對環(huán)境造成不可忽視的污染。

2、有機酸類

有機酸類pH調節(jié)劑包括檸檬酸(C₆H₈O₇)、蘋果酸(C4H6O5)、醋酸（CH₃COOH）等。有機酸還可以在拋光液中起到螯合金屬離子的作用，可以同時和多個金屬離子反應形成大分子絡合物，大大提高拋光效率的同時，將去除的材料溶解在拋光液中，減小雜質顆粒對拋光過程污染。此外，有機酸與其他添加劑的復配協同作用可提高平坦化性能，比如檸檬酸與NaClO復配時，檸檬酸降低了PH值，可增加HClO的含量，有助于加速材料表面鈍化層的形成，保護材料不被過度腐蝕，并提高材料去除速率。

由H₂O₂、蘋果酸、SiO₂和去離子水配置成的鎳合金CMP拋光液

與無機酸類pH調節(jié)劑相比，有機酸是一種無毒無害且作用溫和的綠色環(huán)保添加劑，不會對材料表面造成污染，也不會對環(huán)境造成破壞，有望成為未來CMP領域的研究熱點。

3、無機堿類

無機堿類PH調節(jié)劑包括氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鍶(Sr(OH)₂)、氫氧化鈉（NaOH）等，較常用于拋光硅、氧化物及光阻材料等非金屬類材料的拋光，因具有成本低廉、反應溫和、化學性質穩(wěn)定的優(yōu)點而受到不少人關注，其作用機理是在堿性條件下可以在基底表面生成一層軟化層，在機械作用下更容易被去除。

CaF₂晶圓在含有KOH及SiO₂的拋光液中的CMP原理

利用無機堿配合SiO₂制備的拋光液對材料進行拋光時，無機堿在水中電離出的金屬離子也會隨著濃度的增加和SiO₂磨料發(fā)生團聚作用，增大與晶圓表面之間的摩擦系數，加強機械研磨作用，從而進一步提高材料去除速率，同時硅溶膠在這種堿性環(huán)境中相比在酸性環(huán)境有著更高的分散穩(wěn)定性，可保證拋光一致性。但無機堿類PH調節(jié)劑仍不可避免會引入金屬離子污染材料表面，因此，針對一些非金屬類的被拋光材料，人們開始關注有機堿類pH調節(jié)劑。

4、有機堿類

有機堿類pH調節(jié)劑除了包括自然界中存在的精氨酸等天然氨基酸外，還有人工合成的有機胺和胺的衍生物等。這類PH調節(jié)劑可以緩慢釋放自身的羥基來平衡拋光液的pH值，起到pH緩沖作用來維持拋光化學環(huán)境，保證腐蝕的均勻性，優(yōu)化襯底表面粗糙度，并在基底表面生成一層鈍化膜，大大提高材料去除速率。相比無機堿類PH調節(jié)劑，其不會引入雜質金屬離子污染拋光材料表面，同時其無毒無害的性質也符合綠色環(huán)保制造要求。

此外，有機堿不僅可作為pH調節(jié)劑，還可作為絡合劑、緩蝕劑、分散劑、助氧劑等，實現了一劑多用。例如，四甲基乙二胺(C₆H₁₆N₂)等以氮原子作為配位中心的有機堿用于拋光金屬材料時，可以與金屬離子發(fā)生螯合反應生成大分子量的銨鹽，而后這些銨鹽溶解并脫離金屬表面，可以提高拋光效率。而有些有機堿，如乙二胺(EDA)用于硅材料的拋光，則可以極化硅原子形成氧化物，而后利用磨粒的機械摩擦作用，實現快速拋光。

 利用EDA拋光硅基材料的反應過程示意圖

小結

PH調節(jié)劑作為CMP拋光液中的重要組成成分，可以提供一個穩(wěn)定的拋光環(huán)境。在當前四類PH調節(jié)劑中，無機堿成本低廉、化學性質穩(wěn)定，目前被普遍采用，而無機酸能夠帶來很高的拋光速率，但易對設備造成腐蝕，操作存在一定的危險性，且不符合環(huán)保理念。有機堿和有機酸調節(jié)的拋光液穩(wěn)定性較差，難以長時間保存，其合成工藝復雜、成本高，仍需要進一步研究解決，以在未來實現更廣泛的應用。

參考來源：

董常鑫,牛新環(huán),劉江皓,等.pH調節(jié)劑在CMP工藝中的應用研究進展[J].半導體技術.

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