化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術(shù)被譽(yù)為是當(dāng)今時代能實(shí)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。

按照被拋光的材料類型，具體可以劃分為三大類：（1）襯底：主要是硅材料；（2）金屬：包括Al/Cu金屬互聯(lián)層，Ta/Ti/TiN/TiNxCy等擴(kuò)散阻擋層、粘附層；（3）介質(zhì)：包括SiO₂/BPSG/PSG等ILD（層間介質(zhì)），Si₃N₄/SiO_xN_y等鈍化層、阻擋層。

在CMP工作過程中，CMP用的拋光液中的化學(xué)試劑將使被拋光基底材料氧化，生成一層較軟的氧化膜層，然后再通過機(jī)械摩擦作用去除氧化膜層，這樣通過反復(fù)的氧化成膜-機(jī)械去除過程，從而達(dá)到了有效拋光的目的。

CMP工作原理示意圖

CMP技術(shù)對于半導(dǎo)體晶圓加工不可或缺，其加工質(zhì)量與其中各類關(guān)鍵材料的作用息息相關(guān)，由下圖可知，在晶圓制造中，CMP拋光材料約占據(jù)總成本的7%，而在CMP材料細(xì)分占比當(dāng)中，拋光液和拋光墊是最核心的材料，價值量占比分別為49%和33%。其他拋光材料還包括拋光頭、研磨盤、檢測設(shè)備、清洗設(shè)備等。

晶圓制造材料細(xì)分占比

CMP材料細(xì)分占比

拋光液

拋光液是影響化學(xué)機(jī)械拋光質(zhì)量和拋光效率的關(guān)鍵因素，一般通過測定材料去除率（MRR）和表面粗糙度（Ra）的方法來評價拋光液性能優(yōu)良程度。其組分一般包括磨料、氧化劑和其它添加劑，通常根據(jù)被拋光材料的物理化學(xué)性質(zhì)及對拋光性能的要求，來選擇所需的成分配置拋光液。

一、磨料

磨料是拋光液最主要的組成部分，在拋光過程中通過微切削、微擦劃、滾壓等方式作用于被加工材料表面，達(dá)到機(jī)械去除材料的作用。

磨料機(jī)械去除原理示意圖

1. 單一磨料拋光液

化學(xué)機(jī)械拋光液在研究初期大多是使用單一磨料，如氧化鋁（Al₂O₃）、二氧化硅（SiO₂）、二氧化鈰（CeO₂）、氧化鋯（ZrO₂）和金剛石微粒等，其中研究及應(yīng)用最多的是Al₂O₃、SiO₂和CeO₂。

三種常用磨料透射電鏡圖

（a）SiO₂；（b）A_l2O₃；（c）CeO₂

Al₂O₃的硬度高，多用于光學(xué)玻璃、晶體和合金材料的拋光，但含Al₂O₃的拋光液具有選擇性低、分散穩(wěn)定性不好、易團(tuán)聚的問題，容易在拋光表面造成嚴(yán)重劃傷，一般需要配合各種添加劑使用才能獲得良好的拋光表面。

SiO₂具有良好的穩(wěn)定性和分散性，不會引入金屬陽離子污染，其硬度與單質(zhì)硅接近，對基底材料造成的刮傷、劃痕較少，適合用于軟金屬、硅等材料的拋光，是應(yīng)用最廣泛的拋光液，但其材料去除率相對較低。

硅溶膠磨料

（a）40nm，異形結(jié)構(gòu)；（b）60nm，球形結(jié)構(gòu)；（c）90nm，球形結(jié)構(gòu)

CeO₂具有較為適中的硬度，由于Ce元素具有多種價態(tài)且不同價態(tài)間易轉(zhuǎn)化，容易將玻璃表面物質(zhì)氧化或絡(luò)合，因此CeO₂被廣泛應(yīng)用于手機(jī)屏幕、光學(xué)玻璃、液晶顯示器和硬盤等產(chǎn)品的化學(xué)機(jī)械拋光中。但是Ce為稀土元素，且現(xiàn)有加工工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)出的CeO₂磨料的粒徑分布不均勻，而導(dǎo)致CeO₂拋光液的使用成本較高，限制了CeO₂拋光液的發(fā)展應(yīng)用。

2. 混合磨料拋光液

隨著研究的深入，單一磨料已無法滿足使用需求，研究人員開始嘗試將不同粒徑、不同形貌的一種或多種粒子組合到一起使用。

例如，在大粒徑硅溶膠中加入小粒徑的硅溶膠能明顯提高拋光速率，且粒徑相差越大提升率越高，這是因?yàn)樵谀チ峡偟馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的條件下，增大小粒徑磨料的占比能增加硅溶膠顆粒的總體數(shù)量，從而起到了提高拋光速率的作用。

大量的研究成果表明，混合粒子的使用能夠不同程度的提高化學(xué)機(jī)械拋光的速率，但是對拋光后表面粗糙度的影響有好有壞，不同類型磨料混合使用對拋光結(jié)果的影響規(guī)律仍有待進(jìn)一步研究。

3. 復(fù)合磨料拋光液

除了混合磨料外，目前也有各種新興的材料制備方法被用來制備復(fù)合磨料，常用的方法有納米粒子包覆和摻雜等。

例如通過結(jié)構(gòu)修飾改善納米粒子的分散性、復(fù)合其他類型材料提升在酸、堿性拋光液中的綜合性能等。

復(fù)合磨料相比混合磨料和單一磨料，在材料去除率及表面粗糙度方面均有明顯的優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)納米級或亞納米級超低損傷的表面形貌。但復(fù)合磨料的制備工藝相對比較復(fù)雜，目前僅處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，距離復(fù)合磨料在大規(guī)模生產(chǎn)上的應(yīng)用還有較遠(yuǎn)的距離。

二、氧化劑

氧化劑的作用是將被拋光工件表面的材料氧化，生成一層質(zhì)地較軟且與基底結(jié)合力較弱的氧化膜，然后通過磨粒的機(jī)械去除作用將氧化膜層去除，以達(dá)到拋光的目的。

氧化劑的種類決定了氧化膜生成的速率及氧化膜去除的難易程度，對拋光速率以及拋光效果有顯著的影響。

氧化膜的形成有利于提高機(jī)械拋光的效率，但也并非膜層越多越好，氧化劑的濃度需要達(dá)到一個合適的值：

氧化劑濃度較低時，機(jī)械研磨過程起主導(dǎo)作用；

當(dāng)氧化劑濃度達(dá)到一定值時，氧化腐蝕過程與機(jī)械研磨過程達(dá)到動態(tài)平衡，此時去除效率最高；

隨著氧化劑濃度繼續(xù)增加，一方面是氧化膜生成速率大于去除速率，氧化膜層朝著致密化和厚度增大的方向發(fā)展，另一方面多余的氧化劑也會降低拋光液的穩(wěn)定性，這些因素反而會導(dǎo)致去除效率降低。

氧化劑作用過程

以前針對一些金屬材料的拋光，拋光液中大多采用具有強(qiáng)氧化性的氧化劑，一般都包括重金屬離子，隨著綠色環(huán)保意識的提高，H₂O₂作為一種綠色環(huán)保的氧化劑已經(jīng)被廣泛采納，但是H₂O₂僅在強(qiáng)酸性體系中穩(wěn)定性較好，堿性體系中穩(wěn)定性較差，且自身有自分解現(xiàn)象，導(dǎo)致了含H₂O₂的堿性拋光液不穩(wěn)定。因此，采取合適的方法提高H₂O₂在堿性體系中的穩(wěn)定性是目前亟待解決的問題．

3. 其他添加劑

拋光液中磨粒、氧化劑和去離子水的含量一般占整個拋光液質(zhì)量的99%以上，雖然添加劑含量較少，但是能顯著的改善拋光液的性能。常用的添加劑包括絡(luò)合劑（螯合劑）、緩蝕劑、pH調(diào)節(jié)劑和表面活性劑。

絡(luò)合劑用于絡(luò)合CMP過程中的一些微溶產(chǎn)物，提高去除率；

緩蝕劑則是減少一些材料的表面腐蝕程度；

PH調(diào)節(jié)劑用于調(diào)節(jié)拋光液的酸堿度，酸性拋光液最早由化學(xué)腐蝕液改進(jìn)而來，具有溶解性強(qiáng)、氧化劑選擇范圍大、拋光效率高等優(yōu)點(diǎn)，常用于金屬材料的CMP工藝．堿性拋光液具有選擇性高、腐蝕性弱等優(yōu)點(diǎn)，常用于非金屬材料的 CMP工藝。傳統(tǒng)的pH調(diào)節(jié)劑一般選擇KOH、NaOH、HCl、HNO₃等，但其中的Na⁺、K⁺、Cl^?及NO₃^?會造成芯片性能下降，甚至失效等問題，因此，越來越多的研究者選擇有機(jī)酸或有機(jī)堿來作為pH調(diào)節(jié)劑；

表面活性劑的作用是改善拋光液的分散穩(wěn)定性，還可以起到降低拋光液表面張力的作用，有利于拋光液快速潤濕被拋光的工件表面及CMP工藝拋光后清洗流程的進(jìn)行。

拋光墊

在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，拋光墊的作用主要有：

（1）存儲拋光液及輸送拋光液至拋光區(qū)域，使拋光持續(xù)均勻的進(jìn)行；

（2）傳遞材料，去除所需的機(jī)械載荷；

（3）將拋光過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物（氧化產(chǎn)物、拋光碎屑等）帶出拋光區(qū)域；

（4）形成一定厚度的拋光液層，提供拋光過程中化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械去除發(fā)生的場所。

拋光墊

拋光墊根據(jù)材料可以分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩類，硬質(zhì)拋光墊可以較好的保證工件表面的平面度，軟質(zhì)拋光墊可以獲得表面損傷層薄和表面粗糙度低的拋光表面。常用的硬質(zhì)拋光墊有粗布墊、纖維織物墊、聚乙烯墊等，軟質(zhì)拋光墊有聚氨酯墊、細(xì)毛氈墊、絨毛布墊等。

聚氨酯拋光墊

拋光墊表面包括一定密度的微凸峰，也有許多微孔，有些拋光墊上開有可視窗，便于線上檢測。隨著CMP過程的進(jìn)行，其物理及化學(xué)性能會發(fā)生變化，具體包括表面殘留物質(zhì)、微孔體積縮小和數(shù)量減少、表面粗糙度降低及表面分子重組而形成釉化層，這些都會導(dǎo)致拋光效率和拋光質(zhì)量的降低。

因此，拋光墊同拋光液一樣屬于消耗品，每經(jīng)過一段時間的使用后都需要進(jìn)行修整或更換。改進(jìn)拋光墊材料、延長拋光墊的使用壽命、減少拋光墊修整加工時的損耗，是當(dāng)前拋光墊研究的主要內(nèi)容及方向。

總結(jié)

CMP拋光墊和拋光液作為關(guān)鍵晶圓制造材料，其需求量和晶圓產(chǎn)能直接相關(guān)。目前拋光液和拋光墊仍屬于技術(shù)壁壘較高、被國外龍頭壟斷的局面，在國家政策的扶持下CMP中低端領(lǐng)域中已基本完成了國外技術(shù)和產(chǎn)品的國產(chǎn)替代，但在高端設(shè)備、前沿技術(shù)領(lǐng)域中與國際巨頭仍有較大的差距。繼續(xù)深入研究CMP 技術(shù)，產(chǎn)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵材料、設(shè)備或工藝，不僅可以促進(jìn)我國IC制造業(yè)的良性發(fā)展，同時也能帶來巨額的經(jīng)濟(jì)效益。

參考來源：

1. 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，燕禾、吳春蕾、唐旭福、段先健、王躍林（廣州匯富研究院有限公司、湖北匯富納米材料股份有限公司）；

2. 一文看懂半導(dǎo)體CMP核心材料：國外巨頭高度壟斷，國產(chǎn)化程度極低！

粉體圈 小吉

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