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化学机械抛光(guang)（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技术被誉为是当今时代能实现集成电路（IC）制造中晶圆表面全局平坦化的目前唯一技术，可达到原子级超高平整(zheng)度，其效果直(zhi)接影响(xiang)到芯片最终的质量(liang)和成品率。

按(an)照被(bei)抛光的材料(liao)类型，具体可以划分为三大(da)类：（1）衬底：主要是硅材料；（2）金属：包括Al/Cu金属互联层，Ta/Ti/TiN/TiNxCy等扩散阻挡层、粘附层；（3）介质：包括SiO₂/BPSG/PSG等(deng)ILD（层(ceng)间介质），Si₃N₄/SiO_xN_y等(deng)钝化层(ceng)、阻挡(dang)层(ceng)。

在CMP工作过程中，CMP用的抛光液中的化学试剂将使被抛光基底材料氧化，生成一层较软的氧化膜层，然后再通过机械摩擦作用去除氧化膜层，这样通过反复的氧化成(cheng)膜-机械去除过程，从而达到了有效抛光(guang)的(de)目(mu)的(de)。

CMP工(gong)作原理示意图(tu)

CMP技术对于半导体(ti)晶圆加(jia)工(gong)不(bu)可或缺，其(qi)加(jia)工(gong)质量与其(qi)中各类关键(jian)材(cai)(cai)料的(de)作(zuo)用息(xi)息(xi)相关，由下(xia)图(tu)可知，在晶圆制造中，CMP抛光材(cai)(cai)料约占(zhan)据总成本的(de)7%，而(er)在CMP材(cai)(cai)料细分占(zhan)比(bi)当(dang)中，抛(pao)光液和抛光垫是最核心(xin)的材料(liao)，价(jia)值量占比分别为49%和33%。其他抛光材料还包括抛光头、研磨盘、检测设备、清洗设备等。

晶圆制造材料细(xi)分(fen)占比

CMP材(cai)料细分(fen)占(zhan)比

抛光液

抛光(guang)液是影响化(hua)学机械抛光(guang)质量和抛光(guang)效率(lv)的关(guan)键因素，一般通(tong)过(guo)测定材料去除率(lv)（MRR）和表面粗糙度（Ra）的方法来评价抛光液性能优良程度。其(qi)组分一(yi)般包括磨料、氧化剂(ji)(ji)和(he)其它(ta)添(tian)加剂(ji)(ji)，通常根据被抛光材料的物理化学性质及对抛光性能的要求，来选择所需的成分配置(zhi)抛光液。

一、磨(mo)料

磨料是抛光液最主要的组成部分(fen)，在抛光过程(cheng)中(zhong)通过微切削、微擦划、滚(gun)压等方式作用于被加工材料(liao)表面，达到机械去除材料(liao)的作用。

磨料机(ji)械去除(chu)原理示意图

1. 单一磨料抛光液

化学机械(xie)抛光液在研究初期大多是使用单一磨料，如(ru)氧化铝（Al₂O₃）、二氧化硅(gui)（SiO₂）、二(er)氧化铈（CeO₂）、氧化锆(gao)（ZrO₂）和(he)金刚石微(wei)粒等(deng)，其中研究及应用最多的是Al₂O₃、SiO₂和CeO₂。

三(san)种常用磨料透(tou)射电镜图

（a）SiO₂；（b）A_l2O₃；（c）CeO₂

Al₂O₃的(de)硬度高，多用于光学玻璃、晶(jing)体(ti)和合金(jin)材料的抛光(guang)，但含Al₂O₃的抛光液具有选择性(xing)低、分散(san)稳定性(xing)不好(hao)、易团聚的问(wen)题，容易在(zai)抛光表(biao)面造成严重划伤，一(yi)般需要配合各种添加剂使用才能获得(de)良好(hao)的抛光表(biao)面。

SiO₂具有良好的稳定性(xing)和分散(san)性(xing)，不会引(yin)入金属阳离子污(wu)染(ran)，其硬度与单质硅接近(jin)，对基(ji)底材料造成的刮伤(shang)、划痕较少，适合用于软(ruan)金属、硅等材料的抛光，是应用(yong)最(zui)广泛的抛光液，但其(qi)材(cai)料去除率相对较低。

硅溶胶磨(mo)料

（a）40nm，异形结(jie)构(gou)；（b）60nm，球形结(jie)构(gou)；（c）90nm，球形(xing)结构

CeO₂具有较为适(shi)中的硬度，由于(yu)Ce元素具有多种价态且不同价态间易转化，容易将玻璃表面物质氧化或络合，因此CeO₂被广泛应用于手机屏(ping)幕、光学玻璃、液晶(jing)显示器和硬(ying)盘等产品(pin)的(de)化学机械抛(pao)光中。但是Ce为稀土元素，且现有加工工艺较为复杂，生产出的CeO₂磨料的粒径(jing)分布不均匀，而导致CeO₂抛光液的使用成(cheng)本较高，限制了CeO₂抛光液的发展应用。

2. 混合磨料抛光液(ye)

随(sui)着研(yan)究的(de)深入，单(dan)一磨料已无法(fa)满足使用需(xu)求，研(yan)究人员开(kai)始尝试(shi)将不(bu)同粒径、不(bu)同形貌(mao)的一种或(huo)多种粒子组合(he)到一起使用。

例如，在大粒(li)径(jing)硅(gui)溶胶中加入小粒(li)径(jing)的硅(gui)溶胶能(neng)明显提高(gao)(gao)抛光速率(lv)，且粒(li)径(jing)相差越(yue)大提升率(lv)越(yue)高(gao)(gao)，这(zhei)是因为在磨料(liao)总(zong)的质量分数(shu)不变的条件(jian)下，增(zeng)大小粒(li)径(jing)磨料(liao)的占比能(neng)增(zeng)加硅(gui)溶胶颗粒(li)的总(zong)体数(shu)量，从(cong)而(er)起到(dao)了提高(gao)(gao)抛光速率(lv)的作用。

大量的(de)研究(jiu)成果(guo)表明，混合粒子的(de)使用能够(gou)不(bu)同(tong)程度(du)的(de)提高化学机械(xie)抛(pao)光(guang)(guang)的(de)速率，但是对抛(pao)光(guang)(guang)后表面粗糙度(du)的(de)影响有好有坏(huai)，不(bu)同(tong)类型磨料混合使用对抛(pao)光(guang)(guang)结果(guo)的(de)影响规律(lv)仍有待进一步研究(jiu)。

3. 复合磨料抛光(guang)液

除了混合磨料(liao)外，目前也有各种新兴的(de)材(cai)料(liao)制(zhi)备方法(fa)被用(yong)来制(zhi)备复合磨料(liao)，常用(yong)的(de)方法(fa)有纳米(mi)粒子(zi)包(bao)覆和掺杂等(deng)。

例如通过结构修饰(shi)改善纳米粒子的分散性(xing)、复合(he)其他类型材料提升在酸、碱性(xing)抛(pao)光液中的综合(he)性(xing)能等(deng)。

复合磨料相比混合(he)磨料和单一磨料，在材料去除率及表(biao)面(mian)粗(cu)糙度方面(mian)均有明显的优势，能实现纳米级(ji)或亚纳米级(ji)超低损伤的表面形(xing)貌。但(dan)复合(he)磨料的制备工艺相对比较(jiao)复杂，目前(qian)仅处于实验室(shi)探(tan)索阶段，距离复合磨料(liao)在大(da)规模生产上的应用还有较(jiao)远的距(ju)离。

二、氧化(hua)剂

氧化(hua)剂的(de)作(zuo)用(yong)是将被抛光工(gong)件表(biao)面的(de)材料(liao)氧化(hua)，生成一层质(zhi)地(di)较软(ruan)且(qie)与基底(di)结合(he)力较弱(ruo)的氧(yang)化膜，然后(hou)通过磨粒(li)的机械去(qu)除(chu)作用(yong)将氧化膜层(ceng)去(qu)除(chu)，以达到抛光(guang)的目的。

氧化(hua)剂(ji)的种类决定了氧化(hua)膜生(sheng)成的速率(lv)及氧化(hua)膜去除的难易程度(du)，对抛光速率(lv)以及抛光效果有显著的影响(xiang)。

氧化膜(mo)的形成有利于提(ti)高(gao)机械抛光的效率(lv)，但也(ye)并(bing)非膜(mo)层越(yue)多越(yue)好，氧化剂的浓度需要达到(dao)一个合适的值：

氧化(hua)剂(ji)浓(nong)度较低时，机(ji)械研磨过程起主导作用；

当氧化(hua)剂浓度达到一定值(zhi)时，氧化(hua)腐蚀过(guo)程与机(ji)械(xie)研(yan)磨过(guo)程达到动态平(ping)衡(heng)，此(ci)时去除效率最高；

随(sui)着氧化(hua)剂(ji)浓度继续增加，一(yi)方(fang)面(mian)是(shi)氧化(hua)膜生成速率(lv)大(da)于去除速率(lv)，氧化(hua)膜层朝着致密化(hua)和厚度增大(da)的(de)方(fang)向发(fa)展(zhan)，另一(yi)方(fang)面(mian)多余(yu)的(de)氧化(hua)剂(ji)也会(hui)降(jiang)低抛光液的(de)稳定性，这些因素反而会(hui)导致去除效率(lv)降(jiang)低。

氧化(hua)剂作用过程

以前针对(dui)一(yi)些金属(shu)材料的(de)抛光(guang)，抛光(guang)液(ye)中大多(duo)采用具有强(qiang)氧化性的(de)氧化剂(ji)，一(yi)般都(dou)包括重金属(shu)离子，随着绿色(se)环保意识(shi)的(de)提高(gao)，H₂O₂作为(wei)一种绿色环(huan)保的氧化剂已经被广泛采(cai)纳，但是H₂O₂仅在(zai)强酸性(xing)体(ti)系中稳定(ding)性(xing)较(jiao)好(hao)，碱性(xing)体(ti)系中稳定(ding)性(xing)较(jiao)差，且自(zi)身有自(zi)分解现象(xiang)，导(dao)致了含H₂O₂的(de)碱性抛光液不稳定。因此，采取合适的(de)方法提(ti)高H₂O₂在碱性(xing)体系(xi)中的稳定性(xing)是目前亟待解决的问题．

3. 其他添加剂

抛光(guang)(guang)液(ye)中磨粒、氧(yang)化(hua)剂和去离(li)子(zi)水的(de)含量一(yi)般(ban)占(zhan)整个抛光(guang)(guang)液(ye)质量的(de)99%以上，虽然添加剂含量较少，但是能显著的改善抛光液的性能。常用的添加剂包括(kuo)络合(he)剂(ji)（螯合(he)剂(ji)）、缓蚀剂(ji)、pH调节剂和表面活性剂。

络合剂用于络合CMP过程中的一些微溶产物，提高去除率；

缓(huan)蚀剂(ji)则是减(jian)少一些材料的表面(mian)腐蚀程度；

PH调(diao)节剂用(yong)于调(diao)节抛(pao)光(guang)液(ye)的(de)酸碱度(du)，酸性(xing)抛(pao)光(guang)液(ye)最(zui)早由化学腐(fu)蚀液(ye)改进而来，具(ju)有溶解(jie)性(xing)强、氧化剂选(xuan)(xuan)择(ze)范围(wei)大(da)、抛(pao)光(guang)效率高(gao)等优点，常用(yong)于金(jin)属(shu)材料的(de)CMP工(gong)艺(yi)．碱性(xing)抛(pao)光(guang)液(ye)具(ju)有选(xuan)(xuan)择(ze)性(xing)高(gao)、腐(fu)蚀性(xing)弱等优点，常用(yong)于非金(jin)属(shu)材料的(de) CMP工(gong)艺(yi)。传统的(de)pH调(diao)节剂一般选(xuan)(xuan)择(ze)KOH、NaOH、HCl、HNO₃等，但其(qi)中的Na⁺、K⁺、Cl⁻及NO₃⁻会造成芯片性(xing)能(neng)下降，甚至失效(xiao)等问题，因此，越来越多的研究者(zhe)选择有(you)(you)机酸或有(you)(you)机碱(jian)来作(zuo)为pH调节剂；

表面活性(xing)剂的(de)作用是改善抛光液的(de)分散稳定性，还可以起到(dao)降低抛光(guang)液表面张力(li)的(de)作用，有(you)利于抛光(guang)液快速润湿被抛光(guang)的(de)工件表面及(ji)CMP工艺抛光后清洗流程的进行。

抛光(guang)垫(dian)

在(zai)化学机械抛光过程中，抛光垫的作用主要(yao)有：

（1）存(cun)储抛光液及输送抛光液至抛光区域，使抛光持(chi)续(xu)均(jun)匀的进行；

（2）传(chuan)递材料，去除所需(xu)的机械(xie)载荷；

（3）将抛(pao)光过程中产生(sheng)的副(fu)产物(wu)(wu)（氧(yang)化产物(wu)(wu)、抛(pao)光碎屑(xie)等）带出抛(pao)光区域；

（4）形成(cheng)一(yi)定厚(hou)度的(de)抛光(guang)液层(ceng)，提(ti)供抛光(guang)过程中化学反应(ying)和机械去(qu)除(chu)发生的(de)场(chang)所。

抛光垫

抛(pao)光垫根据(ju)材料(liao)可以分为硬质(zhi)和软质(zhi)两(liang)类，硬质抛光垫(dian)可(ke)以较好的保证工(gong)件表面的(de)平面度，软质抛光垫可(ke)以获得表(biao)面损伤层薄和(he)表(biao)面粗糙度低的抛光表面。常用的硬质(zhi)抛光(guang)垫(dian)(dian)(dian)有粗布垫(dian)(dian)(dian)、纤维织物垫(dian)(dian)(dian)、聚(ju)乙烯垫(dian)(dian)(dian)等(deng)，软质(zhi)抛光(guang)垫(dian)(dian)(dian)有聚(ju)氨酯垫(dian)(dian)(dian)、细毛毡垫(dian)(dian)(dian)、绒毛布垫(dian)(dian)(dian)等(deng)。

聚(ju)氨酯抛(pao)光(guang)垫(dian)

抛光垫(dian)表面(mian)包括一定密度(du)的微凸峰(feng)，也有许多微孔，有(you)些(xie)抛光垫上(shang)开有(you)可视窗(chuang)，便于线上(shang)检测。随着CMP过程的进行，其物(wu)理及化(hua)学性(xing)能会(hui)(hui)发生变化(hua)，具体(ti)包括表(biao)(biao)面(mian)残(can)留物(wu)质、微孔体(ti)积缩小和(he)数量(liang)减少、表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)降低及表(biao)(biao)面(mian)分(fen)子重组(zu)而形(xing)成(cheng)釉(you)化(hua)层，这(zhei)些(xie)都会(hui)(hui)导致抛(pao)光(guang)效(xiao)率和(he)抛(pao)光(guang)质量(liang)的(de)降低。

因此，抛(pao)光垫同抛(pao)光液一(yi)样(yang)属于消耗品，每(mei)经过一段时间的使用(yong)后都(dou)需要进(jin)行修整(zheng)或更(geng)换。改(gai)进抛光垫材料、延(yan)长抛光垫的使用寿命、减少抛光垫修整(zheng)加工时的损耗，是当前抛光垫研究的主要内容及方向。

总结(jie)

CMP抛(pao)光垫和抛(pao)光液(ye)作为关键晶(jing)圆(yuan)制造材料，其(qi)需(xu)求量和晶(jing)圆(yuan)产能直接相关。目前抛光(guang)液和(he)抛光(guang)垫(dian)仍属于技(ji)术(shu)壁垒较(jiao)高(gao)、被国外(wai)龙头垄断的局面，在(zai)国家政策的扶(fu)持(chi)下CMP中低端领域中已基本完成了国外技术和产品的国产替代，但在高端设备、前沿技术领域中与国际巨头仍有较大的差距。继续深入研究CMP 技术，产出具有自主知识产权的关键材料、设备或工艺，不仅可以促进我国IC制造业的良性发展，同时也能带来巨额的经济效益。

参(can)考来(lai)源：

1. 化学机械抛光技(ji)术研究现状及发展(zhan)趋势，燕禾、吴春(chun)蕾(lei)、唐旭福、段先(xian)健、王(wang)跃林（广州汇富(fu)研究院有限公司、湖北(bei)汇富纳米材料股份有限公司）；

2. 一文看懂半导(dao)体(ti)CMP核心材料：国外巨头高度垄断，国产化程度极低！

粉(fen)体(ti)圈 小吉

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