在半導體芯片集成芯片的生產過程中，所有的電路器件都是要通過光刻工藝將電路布局結構印制在硅晶圓上的。目前，集成電路芯片的集成度越來越高，在芯片的電路布局上橫向和縱向的拓展也在不斷增加——橫向上，電路布局越密集，兩個相鄰的電路間距就越短；縱向上，互聯金屬層的個數在不斷增加，從原來的三層四層增至現在十一、十二層。

這些工藝每一個都需要光刻工藝的參與，而光刻工藝完成的質量非常依賴硅晶圓的表面特性。硅晶圓表面的高低起伏、雜質污染都會造成光刻工藝的缺陷，甚至造成產品的報廢。從下圖可看出，未經平坦化處理的晶圓，會導致芯片的電路布局結構受到多大的影響。

左：沒有平坦化技術的互聯層 右：采用了平坦化技術的互聯層

為了保證產品質量，化學機械拋光（CMP）技術成為了目前主流的拋光方法，其原理是化學腐蝕作用和機械去除作用相結合的加工技術，是目前機械加工中唯一可以實現表面全局平坦化的技術。在實際制造中，它主要的作用是通過機械研磨和化學液體溶解“腐蝕”的綜合作用，對被研磨體（半導體）進行研磨拋光。

在這個過程中，拋光液是完成CMP的主要力量。在拋光液中主要包含了化學藥劑和超精細固體拋光顆粒，其中化學藥劑的成分、濃度、pH值，拋光顆粒的種類和粒度，拋光液的流速和流動途徑都對CMP的加工質量造成影響。目前鉻離子拋光、銅離子拋光和SiO₂膠體拋光這三種拋光方法都能投入使用，但最終獲得行業領先地位的只有SiO₂膠體拋光，具體原因請看以下對比。

拋光液顆粒

鉻離子拋光

鉻離子拋光的原理是利用顆粒小、硬度大、棱角鋒利的三氧化二鉻顆粒作為機械研磨的微粒。研磨后產生的機械損傷層隨時又被氧化劑重鉻酸銨電離出來的重鉻酸根Cr₂0₇^2-離子腐蝕掉，從而達到拋光的效果。重鉻酸根離子氧化腐蝕硅的離子反應式如下：

3Si+2Cr₂0₇^2-+16H⁺→3SiO₂+4Cr³⁺+8H₂O

鉻離子拋光既有機械拋光的平整度好、無桔皮狀腐蝕坑等的優點，又有化學拋光結構損傷較小的優點，而且速率快，成本低。但由于Cr₂O₃顆粒較大且不均勻，造成硅晶片表面損傷較大，僅僅作為一種粗拋的方法。

銅離子拋光

銅離子拋光是通過銅離子與硅片間的氧化還原反應而達到拋光目的，其反應產物借助拋光墊的機械磨擦作用除去。銅離子拋光的反應式如下：

Si+2CuCl₂+6NH₄F→2Cu+4NH₂CI+(NH₄)₂[SiF₆]

銅離子拋光具有拋光速率快、表面質量好等優點。由于此法是以化學反應為主無磨料拋光方法，其拋光效果與硅片的電學性能和內在質量關系很大，因此拋光硅片表面平整度等幾何精度難以控制，而且銅離子易在缺陷處沉積，不易清洗干凈，引進銅離子的沾污，影響了器件質量的穩定性，這使得銅離子拋光在實用上存在一定困難。

SiO₂膠體拋光

堿性SiO₂膠體漿料是利用堿與硅的化學腐蝕反應生成可溶性硅酸鹽，通過細小柔軟、比表面積大、帶有負電荷的SiO₂膠粒的吸附作用，及其與拋光墊和硅片間的機械摩擦作用，及時除去反應產物，使之連續地在硅片表面進行化學機械拋光。同時借助SiO₂的吸附活性和堿的化學清洗作用，達到去除硅片表面損傷層與玷污雜質的拋光目的。

SiO₂膠體拋光的優點有：①SiO₂的硬度與硅的硬度相近（莫氏硬度均為7）；②粒度細，大約為0.01~0.1um，因而拋光表面的損傷層極微，拋光表面的氧化誘生層錯基本小于100/cm²，能滿足大規模和超大規模集成電路的要求。因此它已基本取代了以上的兩種化學機械拋光方法。

憑借這些優勢，SiO₂膠體拋光不僅能對單晶硅片進行拋光，還能對層間介質（ILD）、絕緣體、導體、鑲嵌金屬（W、Al、Cu、Au）、多晶硅、硅氧化物溝道等材料進行平面化處理，在薄膜存貯磁盤、微電子機械系統（MFMS）、先進陶瓷、磁頭、機械磨具、精密閥門、光學玻璃、金屬材料等表面加工領域也多有應用。

目前SiO₂膠體拋光已成為應用最為廣泛的全局平面化技術，前景可謂一片大好。如果您想對這種技術做進一步的了解，請不要錯過在7月2-3日于廣州舉辦的“2020全國二氧化硅材料創新與應用技術交流會”，屆時不僅會有相關的報告內容展示，而且還會有眾多的相關產業鏈從業者參會，感興趣的話就請掃描下方二維碼報名吧！

粉體圈 小榆