化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術(shù)是超大規(guī)模集成電路制造工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一，能實(shí)現(xiàn)集成電路（IC）制造中晶圓表面全局平坦化，使其達(dá)到原子級(jí)超高平整度。

       CMP工序中，拋光液是影響拋光效果的關(guān)鍵因素。其中的磨料是材料去除的工具，同時(shí)也參與了基底材料的表面腐蝕，因而磨料在拋光液中起著重要的因素。除了磨料本身的性質(zhì)（如硬度、形貌、粒徑分布、大小）外，在拋光液中所占的固含量對(duì)拋光性能（拋光速率、損傷層、劃痕）等也會(huì)有很大的影響。

CMP原理圖

       近年來(lái)，由于許多領(lǐng)域都對(duì)產(chǎn)品光潔表面有所要求，因此根據(jù)不同材料的物化性能和拋光要求，業(yè)界提出了多種拋光液用磨料設(shè)計(jì)方案。初步看可簡(jiǎn)單分為單一磨料以及混合磨料兩大類，以下是它們的性能對(duì)比。

       01單一磨料

       單一磨料顧名思義即拋光液中只使用同一種磨料。目前其相關(guān)研究大部分集中于制備單分散、大粒徑磨料，以下是常見(jiàn)的材質(zhì)選擇，具體要選擇哪種特定的單一磨料以及粒徑，則要考慮拋光目標(biāo)材料的特性和要求，以及拋光液中所需的化學(xué)成分。不同的CMP應(yīng)用可能需要不同類型的磨料。

       ①二氧化硅（SiO2）：是一種常見(jiàn)的磨料，優(yōu)點(diǎn)是選擇性和分散性好，機(jī)械磨損性能較好，其缺點(diǎn)是硬度較高，易在被拋光物體表面造成不平整，且在拋光漿料中易產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象。

       ②氧化鋁（Al2O3）：用于拋光各種表面的最重要的研磨材料之一，一般使用高純納米α-氧化鋁拋光粉，主要應(yīng)用于光學(xué)玻璃、晶體和合金材料的拋光。

       ③碳化硅（SiC）：用于特殊應(yīng)用，如對(duì)一些特殊材料的拋光，具有較高的硬度和耐磨性。

       ④氧化鈰（CeO2）：具有切削力強(qiáng)、拋光時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、拋光精度高等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于光學(xué)玻璃器件、電視機(jī)顯像管、光學(xué)眼鏡片、半導(dǎo)體晶片和金屬精密制品等的拋光。

       ⑤氧化鐵（Fe2O3）：對(duì)某些特定材料的拋光具有優(yōu)勢(shì)，也可用于玻璃，但速度較慢。

       ⑥金剛石（Diamond）：最堅(jiān)硬的磨料之一，常用于磁頭、硬盤、寶石、硬質(zhì)玻璃、陶瓷以及硬質(zhì)合金的超精密拋光。

       ……

       住友化學(xué)的AM21及A21氧化鋁磨料

       單一磨料的主要優(yōu)勢(shì)在于能使拋光過(guò)程的控制更容易（只需要考慮一種磨料的特性和反應(yīng)，而不是多種磨料的復(fù)雜組合）以及保證拋光液的穩(wěn)定性，在部分情況下使用單一磨料可能比混合多種磨料更經(jīng)濟(jì)高效。但缺點(diǎn)就是單一磨料可能無(wú)法滿足不同部分的拋光需求，導(dǎo)致拋光不均勻。

       例：

       X.L.Shi等對(duì)比了分別采用Al2O3（平均粒徑1.9μm）和SiO2（平均粒徑100 nm）作為磨料對(duì)藍(lán)寶石晶圓CMP的效果。結(jié)果表明，采用Al2O3磨料可以獲得較高的MRR，但藍(lán)寶石晶圓表面劃痕較多；采用SiO2磨料CMP時(shí)MRR較低，但藍(lán)寶石晶圓的表面粗糙度可降至0.1 nm，獲得了原子級(jí)的光滑表面。

       熊偉等采用粒徑分別為40、80和110 nm的SiO2磨料對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行CMP，發(fā)現(xiàn)MRR隨著SiO2粒徑增大而增大，但是SiO2粒徑過(guò)大不利于形成光滑的表面，采用粒徑為80 nm的SiO2磨料時(shí)拋光效果較佳。

       02混合磨料

       隨著業(yè)界對(duì)拋光效率和表面質(zhì)量要求的不斷提高，很多情況下采用單一磨料越來(lái)越難以滿足要求，因此需要尋求新型拋光磨料方案，混合磨料正是其中之一技術(shù)路線。在CMP中，混合磨料是指不同尺寸的同種磨料或不同種類磨料混合使用。

       ①混合粒徑

       用不同粒徑的同一種磨料組合是一種常見(jiàn)的做法，通常被稱為磨料的分級(jí)。不同粒徑的磨料組合使用時(shí)，可以充分利用每種粒徑磨料的特點(diǎn)，如較大粒徑的磨料可以更快地去除表面的大部分材料，較小粒徑的磨料可以進(jìn)一步細(xì)化拋光表面，因此可以更有效地改善表面平整度，也可以優(yōu)化拋光效率，減少表面劃痕和損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

       混合粒徑磨料拋光藍(lán)寶石模型

       例：

       H.Kong等采用粒徑為20~95 nm的SiO2混合磨料對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行CMP，MRR與采用平均粒徑為90.5 nm的SiO2磨料時(shí)相比提高了50%，不過(guò)表面粗糙度相近。

       N.Bun-Athuek等研究了平均粒徑4 nm的SiO2顆粒與平均粒徑分別為20、55和105 nm的大顆粒SiO2混合使用的效果，發(fā)現(xiàn)與使用對(duì)應(yīng)單一粒徑SiO2磨料時(shí)相比，藍(lán)寶石的MRR分別提高了85%、78%和32%，表面粗糙度從0.20、0.24和0.30 nm分別降至0.14、0.15和0.20 nm。

       ②混合種類

       混合不同種類的磨料同樣是一種常見(jiàn)的做法，被稱為多磨料組合。因?yàn)椴煌N類的磨料具有不同的物理和化學(xué)特性，所以混合使用可以充分發(fā)揮每種磨料的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提高拋光效果。

       同時(shí)，通過(guò)混合不同種類的磨料還可以根據(jù)具體應(yīng)用的需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，提高CMP拋光過(guò)程的靈活性。例如CeO2、Al2O3、金剛石納米磨料、聚合物微球等與納米SiO2的混合磨料，在拋光中都有較好的效果。

       萬(wàn)金油搭配選擇：納米SiO2磨料

       不過(guò)，由于不同磨料之間可能會(huì)相互影響，而且混合磨料、異形磨料大多數(shù)穩(wěn)定性較差、易團(tuán)聚，因此需要注意避免不良的相互作用，并進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)來(lái)確定各自的最佳比例和使用條件，確保混合磨料拋光過(guò)程的穩(wěn)定性和可控性。

       例：

       于江勇等對(duì)比了采用平均粒徑都為30 nm的單一SiO2磨料和SiO2/Al2O3混合磨料對(duì)藍(lán)寶石襯底CMP時(shí)MRR的影響，發(fā)現(xiàn)在拋光液中加入20 mL/L的同粒徑20%Al2O3懸浮液時(shí)，MRR從9μm/h提高至11μm/h，CMP后藍(lán)寶石的表面粗糙度為0.23 nm。

       D.Yin等采用摻雜MgO的納米SiO2磨料（平均粒徑85~95 nm）對(duì)藍(lán)寶石CMP，由于藍(lán)寶石表面與MgO和SiO2發(fā)生了固相化學(xué)反應(yīng)，CMP過(guò)程中的化學(xué)作用增強(qiáng)，因此藍(lán)寶石的MRR增大，表面粗糙度減小。采用混合磨料來(lái)提升藍(lán)寶石CMP的效率與質(zhì)量主要通過(guò)提高CMP過(guò)程中的化學(xué)和機(jī)械作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

資料來(lái)源：

屈明慧,牛新環(huán),侯子陽(yáng),等.藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光液的研究進(jìn)展[J].電鍍與涂飾,2022,41(3):211-216. DOI:10.19289/j.1004-227x.2022.03.011.

趙之琳.基于混合粒徑磨料的CMP去除機(jī)理研究與應(yīng)用[D].河北:河北工業(yè)大學(xué),2021.