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化學機械拋(pao)光(guang)（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術被譽為是當今時代能實現集成電路（IC）制造中晶圓表面全局平坦化的目前唯一技術，可達到(dao)原子(zi)級超高(gao)平(ping)整度，其效(xiao)果直接影響到芯片(pian)最終的質(zhi)量和成品率。

按照被拋光的(de)材料類(lei)型，具體(ti)可以劃分為三(san)大類(lei)：（1）襯底：主要是硅材料；（2）金屬：包括Al/Cu金屬互聯層，Ta/Ti/TiN/TiNxCy等擴散阻擋層、粘附層；（3）介質：包括SiO₂/BPSG/PSG等(deng)ILD（層間介質），Si₃N₄/SiO_xN_y等鈍化層、阻(zu)擋層。

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

CMP工作原理示意圖

CMP技術對于半(ban)導(dao)體晶(jing)圓加(jia)工不可(ke)或缺，其(qi)加(jia)工質量與(yu)其(qi)中(zhong)(zhong)各類關(guan)鍵(jian)材料的作用息(xi)息(xi)相關(guan)，由下圖(tu)可(ke)知，在晶(jing)圓制造中(zhong)(zhong)，CMP拋光材料約(yue)占(zhan)據總成本(ben)的7%，而在CMP材料細分占(zhan)比當中(zhong)(zhong)，拋光液和拋(pao)光墊是(shi)最核心的(de)材料，價值量(liang)占比分別為49%和33%。其他拋光材料還包括拋光頭、研磨盤、檢測設備、清洗設備等。

晶圓制造(zao)材料(liao)細分占比

CMP材料細分占比

拋光液

拋(pao)光(guang)液是影響(xiang)化學(xue)機械拋(pao)光(guang)質量和拋(pao)光(guang)效(xiao)率的關(guan)鍵因(yin)素，一般通過測定材(cai)料去(qu)除率（MRR）和表面粗糙度（Ra）的方法來評價拋光液性能優良程度。其組分一般包括磨料、氧化劑和(he)其它添加劑，通(tong)常根據被拋(pao)光(guang)材料的物理(li)化學性(xing)質(zhi)及對拋(pao)光(guang)性(xing)能的要(yao)求，來選擇所需的成分配置拋(pao)光(guang)液(ye)。

一、磨料

磨料是拋光液最主要的(de)組成(cheng)部分，在(zai)拋光過(guo)程中(zhong)通過(guo)微切削、微擦劃、滾壓等方式作用于被加工材料表面(mian)，達到機械去(qu)除材料的(de)作用。

磨料機械去除原理示意圖

1. 單一磨料拋光液

化(hua)學機械拋光液(ye)在研究初期大多(duo)是使用單一磨料，如氧化(hua)鋁(lv)（Al₂O₃）、二氧化(hua)硅（SiO₂）、二氧化鈰（CeO₂）、氧化鋯（ZrO₂）和(he)金剛石(shi)微粒等，其中研(yan)究及應用最多(duo)的是(shi)Al₂O₃、SiO₂和CeO₂。

三種常用磨料透(tou)射電鏡(jing)圖

（a）SiO₂；（b）A_l2O₃；（c）CeO₂

Al₂O₃的硬(ying)度高，多用于光學玻璃、晶體和合金(jin)材(cai)料的拋光，但含Al₂O₃的(de)(de)拋光液具有選擇(ze)性低、分散穩定性不好(hao)、易團(tuan)聚的(de)(de)問題，容易在拋光表(biao)面造成嚴重劃(hua)傷，一般需要配合各(ge)種添加劑使用才能獲得(de)良好(hao)的(de)(de)拋光表(biao)面。

SiO₂具有(you)良好的穩定性(xing)和分散性(xing)，不會引入(ru)金屬陽離子污染，其硬度(du)與單質(zhi)硅接近，對基底(di)材料造(zao)成(cheng)的刮傷、劃痕較少，適合用于軟金屬(shu)、硅等材(cai)料的拋光，是(shi)應用最廣泛(fan)的拋光液，但其材料(liao)去除(chu)率相對較低。

硅溶膠磨料

（a）40nm，異形(xing)結構(gou)；（b）60nm，球形(xing)結構(gou)；（c）90nm，球(qiu)形結構

CeO₂具有較為適中的硬度，由于Ce元素具有多種價態且不同價態間易轉化，容易將玻璃表面物質氧化或絡合，因此CeO₂被廣泛應用(yong)于手機屏幕、光(guang)學玻璃(li)、液晶顯示器和硬盤(pan)等產品的化(hua)學機械拋光中。但(dan)是Ce為稀土元素，且現有加工工藝較為復雜，生產出的CeO₂磨料的粒徑分布(bu)不均(jun)勻，而導致CeO₂拋光液的使用成本較高(gao)，限制了CeO₂拋光液的發展應(ying)用。

2. 混合磨料(liao)拋(pao)光液

隨(sui)著(zhu)研究的深入，單一磨料(liao)已無法滿足使用需求，研究人員開始嘗試將不(bu)同(tong)粒徑、不(bu)同(tong)形貌的一種或多種粒子組合(he)到一起使用。

例如(ru)，在(zai)大(da)粒徑(jing)硅(gui)溶(rong)膠(jiao)中加(jia)入小(xiao)粒徑(jing)的(de)(de)(de)硅(gui)溶(rong)膠(jiao)能(neng)明顯提(ti)高(gao)拋光速(su)率(lv)，且粒徑(jing)相差越大(da)提(ti)升率(lv)越高(gao)，這是因為(wei)在(zai)磨(mo)(mo)料(liao)總的(de)(de)(de)質量分數不變的(de)(de)(de)條件下，增大(da)小(xiao)粒徑(jing)磨(mo)(mo)料(liao)的(de)(de)(de)占比能(neng)增加(jia)硅(gui)溶(rong)膠(jiao)顆粒的(de)(de)(de)總體(ti)數量，從而起到了(le)提(ti)高(gao)拋光速(su)率(lv)的(de)(de)(de)作用(yong)。

大量的研(yan)究(jiu)成果表明，混合粒子(zi)的使(shi)用(yong)(yong)能夠不(bu)同程度的提高化學機械拋光的速率，但是(shi)對(dui)拋光后表面粗糙度的影響有(you)好(hao)有(you)壞，不(bu)同類型磨(mo)料混合使(shi)用(yong)(yong)對(dui)拋光結(jie)果的影響規律仍有(you)待進一步研(yan)究(jiu)。

3. 復合(he)磨(mo)料拋光液(ye)

除了混合磨(mo)料(liao)外，目前也有(you)各種新興(xing)的材料(liao)制(zhi)備方(fang)法被(bei)用來(lai)制(zhi)備復合磨(mo)料(liao)，常用的方(fang)法有(you)納米粒子包(bao)覆和摻雜等。

例如通過(guo)結(jie)構修飾(shi)改善納米粒(li)子的分散性、復合其他(ta)類型材料(liao)提升(sheng)在(zai)酸、堿性拋(pao)光液中的綜合性能等。

復合磨料相比混合磨料(liao)和單(dan)一(yi)磨料(liao)，在材料去除率(lv)及表面粗(cu)糙度方面均有(you)明顯的優勢，能(neng)實現納米級(ji)或亞納米級(ji)超低損傷的(de)表面形貌。但復合(he)磨料的制(zhi)備工藝相對比較復雜(za)，目前僅處(chu)于實(shi)驗室探(tan)索階段，距離(li)復合磨料(liao)在(zai)大規模(mo)生產(chan)上的(de)應用還(huan)有較遠的(de)距離。

二、氧化劑(ji)

氧化劑的作用是將被拋光工件表(biao)面的材(cai)料(liao)氧化，生成(cheng)一層質地較(jiao)軟且與(yu)基底結合力較(jiao)弱的氧化膜，然后通過(guo)磨粒的機械去除(chu)作用(yong)將氧化膜層去除(chu)，以達到拋光的目的。

氧化(hua)劑的種類(lei)決定了氧化(hua)膜生(sheng)成的速(su)率及氧化(hua)膜去除的難(nan)易程(cheng)度，對拋光(guang)速(su)率以及拋光(guang)效果有顯(xian)著的影響。

氧(yang)化(hua)(hua)膜的(de)(de)形(xing)成(cheng)有(you)利于提高機(ji)械拋光的(de)(de)效率，但也并非膜層越(yue)多越(yue)好，氧(yang)化(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)濃度需(xu)要達到一(yi)個合適的(de)(de)值：

氧(yang)化(hua)劑濃度較(jiao)低時，機械研磨過(guo)程起主導作用；

當氧(yang)化劑濃(nong)度(du)達到一定值時(shi)，氧(yang)化腐蝕(shi)過程與機械研磨過程達到動態(tai)平衡，此時(shi)去除(chu)效率(lv)最高；

隨著(zhu)氧(yang)化(hua)劑(ji)濃度繼(ji)續增加，一方(fang)面是(shi)氧(yang)化(hua)膜生成速(su)率(lv)(lv)(lv)大于去(qu)除速(su)率(lv)(lv)(lv)，氧(yang)化(hua)膜層朝著(zhu)致密化(hua)和(he)厚度增大的方(fang)向發展(zhan)，另一方(fang)面多(duo)余的氧(yang)化(hua)劑(ji)也會(hui)(hui)降低(di)拋(pao)光液(ye)的穩定性，這些因素反而會(hui)(hui)導致去(qu)除效率(lv)(lv)(lv)降低(di)。

氧(yang)化(hua)劑(ji)作(zuo)用過(guo)程

以前針對一(yi)些(xie)金屬(shu)(shu)材料的拋(pao)光，拋(pao)光液中大多采用具(ju)有(you)強氧化性的氧化劑，一(yi)般都包括重金屬(shu)(shu)離(li)子，隨著綠色環保意(yi)識的提高，H₂O₂作為一種綠色(se)環保(bao)的氧(yang)化劑已經被(bei)廣泛(fan)采納，但(dan)是H₂O₂僅在強酸性體系中穩(wen)定(ding)性較好，堿性體系中穩(wen)定(ding)性較差(cha)，且自身(shen)有(you)自分(fen)解(jie)現象，導致了含H₂O₂的堿性拋光液不穩定。因此，采取合適的方法(fa)提高H₂O₂在(zai)堿性體系中(zhong)的穩定性是目前亟待解決(jue)的問(wen)題．

3. 其他添加劑

拋光液中(zhong)磨粒、氧化劑和去離子水的(de)含量一般占(zhan)整個(ge)拋光液質量的(de)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(de)添加劑(ji)包(bao)括(kuo)絡合(he)劑(ji)（螯合(he)劑(ji)）、緩蝕劑(ji)、pH調節劑和表面活性劑。

絡合劑用于絡合CMP過程中的一些微溶產物，提高去除率；

緩蝕劑則是減少一些材(cai)料的表面腐蝕程(cheng)度；

PH調(diao)(diao)節(jie)(jie)劑用(yong)(yong)于調(diao)(diao)節(jie)(jie)拋(pao)光(guang)液的(de)酸堿度，酸性(xing)拋(pao)光(guang)液最早由化學(xue)腐蝕液改進(jin)而來(lai)，具有溶(rong)解性(xing)強(qiang)、氧化劑選擇(ze)范圍大、拋(pao)光(guang)效率高等優(you)點，常(chang)用(yong)(yong)于金屬(shu)材料的(de)CMP工(gong)藝．堿性(xing)拋(pao)光(guang)液具有選擇(ze)性(xing)高、腐蝕性(xing)弱等優(you)點，常(chang)用(yong)(yong)于非金屬(shu)材料的(de) CMP工(gong)藝。傳統的(de)pH調(diao)(diao)節(jie)(jie)劑一般選擇(ze)KOH、NaOH、HCl、HNO₃等，但其中的Na⁺、K⁺、Cl^?及NO₃^?會造成芯(xin)片性(xing)能下降，甚(shen)至失(shi)效等問(wen)題，因此，越(yue)來越(yue)多的研究者選擇有(you)機酸或(huo)有(you)機堿來作為(wei)pH調節劑；

表面(mian)活性劑的(de)(de)作(zuo)用是改善拋光液的(de)(de)分散穩定性，還可以起到降(jiang)低拋(pao)光(guang)液表面張力的(de)作用，有利于拋(pao)光(guang)液快速(su)潤濕被拋(pao)光(guang)的(de)工件表面及CMP工藝拋光后清洗流程的進行。

拋光墊

在化學機械拋光(guang)過程中，拋光(guang)墊的(de)作用(yong)主要(yao)有：

（1）存儲拋光(guang)液及(ji)輸送拋光(guang)液至拋光(guang)區域，使拋光(guang)持續均勻的(de)進行；

（2）傳遞材料，去(qu)除所(suo)需的(de)機械載荷；

（3）將拋光(guang)(guang)過程中產生的副產物（氧化產物、拋光(guang)(guang)碎屑等）帶出(chu)拋光(guang)(guang)區域；

（4）形(xing)成一定厚度的(de)拋(pao)光(guang)液層，提(ti)供拋(pao)光(guang)過程中化學反(fan)應和(he)機械去除發生的(de)場(chang)所。

拋光墊(dian)

拋光墊根據材料可(ke)以分為硬質和軟質兩類，硬質拋光(guang)墊(dian)可以較好的保證工件表面的平面度，軟質拋(pao)光墊可(ke)以獲得(de)表(biao)(biao)面損傷層薄和表(biao)(biao)面粗糙度低(di)的拋(pao)光表面。常用的硬(ying)質(zhi)拋光墊(dian)(dian)(dian)有粗布(bu)墊(dian)(dian)(dian)、纖維(wei)織物(wu)墊(dian)(dian)(dian)、聚(ju)乙烯墊(dian)(dian)(dian)等，軟質(zhi)拋光墊(dian)(dian)(dian)有聚(ju)氨酯墊(dian)(dian)(dian)、細(xi)毛氈墊(dian)(dian)(dian)、絨毛布(bu)墊(dian)(dian)(dian)等。

聚氨酯(zhi)拋光墊

拋(pao)光(guang)墊(dian)表面包括一定密度的微(wei)凸(tu)峰，也(ye)有許多(duo)微(wei)孔，有些拋光墊上開有可視窗，便于線上檢測。隨著CMP過程的進行，其物(wu)理(li)及化學性能會發生變(bian)化，具體包括表面殘留物(wu)質、微孔體積縮小和(he)數量減少、表面粗糙度(du)降低及表面分子重組而形(xing)成釉化層，這些都(dou)會導致拋光效率和(he)拋光質量的降低。

因此，拋光墊同拋光液一樣(yang)屬(shu)于(yu)消耗品，每經過一(yi)段時間的使用后(hou)都需要進行修整(zheng)或更換(huan)。改進(jin)拋光(guang)(guang)墊材(cai)料、延(yan)長拋光(guang)(guang)墊的使用壽命、減少拋光(guang)(guang)墊修(xiu)整加工時的損耗，是當前拋光(guang)墊研究的主要(yao)內容及方向(xiang)。

總結

CMP拋(pao)光(guang)(guang)墊和拋(pao)光(guang)(guang)液作(zuo)為關鍵晶(jing)圓(yuan)制造材料，其(qi)需求量和晶(jing)圓(yuan)產(chan)能(neng)直(zhi)接相關。目前拋光(guang)液和拋光(guang)墊仍屬于技術(shu)壁(bi)壘較(jiao)高、被國外龍頭壟斷的局面，在國家政策的扶持下CMP中低端領域中已基本完成了國外技術和產品的國產替代，但在高端設備、前沿技術領域中與國際巨頭仍有較大的差距。繼續深入研究CMP 技術，產出具有自主知識產權的關鍵材料、設備或工藝，不僅可以促進我國IC制造業的良性發展，同時也能帶來巨額的經濟效益。

參考來源：

1. 化(hua)學機械拋光技(ji)術研(yan)究(jiu)現狀及發展趨勢，燕(yan)禾(he)、吳(wu)春蕾、唐旭福、段先健、王躍林（廣州匯富研究院有限公司、湖北(bei)匯富納米(mi)材(cai)料股份有限(xian)公(gong)司）；

2. 一文看懂半導體(ti)CMP核心材料：國外巨頭高度(du)(du)壟斷，國產(chan)化程度(du)(du)極(ji)低！

粉體圈 小吉

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