20世紀60年代以前，半導體基片拋光還大(da)都(dou)沿用機械拋光，得到的(de)鏡(jing)面(mian)(mian)表(biao)面(mian)(mian)損傷是(shi)極其嚴(yan)重(zhong)的(de)。1965年Walsh和(he)(he)Herzog提(ti)出SiO2溶膠和(he)(he)凝膠拋光后，以SiO2漿料為代表(biao)的(de)化學機械拋光工(gong)藝就(jiu)逐漸代替(ti)了(le)以上(shang)舊方法。

化(hua)學(xue)機械拋(pao)光（Chemical-mechanical polishing），簡(jian)稱CMP，是目(mu)前(qian)能(neng)提(ti)供超大規模集(ji)成電路（VLSI）制(zhi)造過程中全(quan)面(mian)平坦(tan)(tan)化(hua)的一種新技術。用這種方法(fa)可以(yi)真正使(shi)得(de)整個硅圓晶(jing)片(pian)表面(mian)平坦(tan)(tan)化(hua)，而且具(ju)有加工方法(fa)簡(jian)單(dan)、加工成本低等優點。

2 CMP技術(shu)設備及(ji)消耗品

CMP技術所采用(yong)(yong)的(de)(de)設備及(ji)消耗(hao)品(pin)包括：CMP設備、研(yan)(yan)漿(jiang)(jiang)、拋(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)、后CMP清洗設備、拋(pao)(pao)(pao)光(guang)終點檢測及(ji)工藝控制設備、研(yan)(yan)漿(jiang)(jiang)分(fen)布(bu)系統(tong)、廢物處理和測量設備等。其(qi)(qi)中研(yan)(yan)漿(jiang)(jiang)和拋(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)為消耗(hao)品(pin)，其(qi)(qi)余為拋(pao)(pao)(pao)光(guang)及(ji)輔助設備。圖1給出(chu)了一(yi)(yi)種拋(pao)(pao)(pao)光(guang)機的(de)(de)簡圖。其(qi)(qi)基本組成(cheng)部分(fen)是(shi)一(yi)(yi)個轉動(dong)著的(de)(de)圓盤(pan)和一(yi)(yi)個圓晶(jing)片固定裝置。兩(liang)者都可施力于圓晶(jing)片并使其(qi)(qi)旋轉，在含有膠(jiao)裝二氧化硅懸浮顆粒的(de)(de)氫(qing)氧化鉀溶液研(yan)(yan)漿(jiang)(jiang)的(de)(de)幫助下(xia)完成(cheng)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)，用(yong)(yong)一(yi)(yi)個自動(dong)研(yan)(yan)漿(jiang)(jiang)添加系統(tong)就可以保(bao)證拋(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)濕(shi)潤程度均勻，適當的(de)(de)送人新研(yan)(yan)漿(jiang)(jiang)及(ji)保(bao)持其(qi)(qi)成(cheng)分(fen)不變(bian)。

CMP工藝過程中的(de)關鍵要(yao)素是研(yan)漿、拋光(guang)墊和拋光(guang)機(ji)。CMP研(yan)漿的(de)基本(ben)形式是由一個SiO2拋光(guang)劑和一個堿性組成(cheng)份水(shui)溶液組成(cheng)的(de)。SiO2顆(ke)粒(li)要(yao)求范圍為(wei)1100nm，堿性組成(cheng)一般使用KOH、氨(an)或有(you)機(ji)胺(an)，PH值為(wei)9.511.0。SiO2濃度為(wei)1.5%~50%。由于SiO2硬度和硅單晶硬度相似（模式硬度均為(wei)7），所以機(ji)械磨(mo)消作用較少(shao)，使機(ji)械損傷(shang)大大減(jian)少(shao)。

在CMP設(she)備方面(mian)，美(mei)國IPEC-Planar公(gong)司(si)生產的IPEC372-U、472、672型(xing)CMP設(she)備，都(dou)是單(dan)頭、單(dan)板拋(pao)光工(gong)藝。672-II型(xing)有兩個拋(pao)光模塊，生產能力(li)4050片(pian)(pian)/h，四(si)個拋(pao)光模塊，生產能力(li)80100片(pian)(pian)/h。英(ying)國Logitech公(gong)司(si)推出CP3000CMO設(she)備，可加工(gong)0.2032m圓片(pian)(pian)，從(cong)去膠開始全(quan)部由機(ji)械手(shou)操作(zuo)，使原片(pian)(pian)受損最小。日本東芝機(ji)械公(gong)司(si)推出CMS-200型(xing)單(dan)片(pian)(pian)式CMP設(she)備，可加工(gong)0.1524/0.2032m圓片(pian)(pian)，生產能力(li)20片(pian)(pian)/h，加壓具有自(zi)(zi)動分級功能，在拋(pao)光同時會自(zi)(zi)動清洗，甩干。

拋光墊(dian)一(yi)般是聚氨(an)酯等聚合物類(lei)材(cai)料。

3 化學機械拋(pao)光機理(li)

已有的研究表明，化學機械拋光過程是化學作用、磨削作(zuo)用(yong)及(ji)吸附(fu)效應同時作(zuo)用(yong)的過程。下面將以硅晶片的化學機械拋光工藝為(wei)例具(ju)體闡述。

CMP研(yan)漿中的(de)(de)納米SiO2粉末所形成的(de)(de)膠團結構為(wei)：

又因為有KOH的(de)存在，膠團中的(de)異電離子H+，會被OH-所中和：

因此(ci)，膠(jiao)(jiao)團中的(de)H+的(de)位置會被(bei)K+所代替。所以，實際上的(de)SiO2研(yan)漿中的(de)膠(jiao)(jiao)團結(jie)構為(wei)：

化學(xue)腐(fu)蝕是(shi)此種拋光液對硅(gui)片拋光的(de)第(di)一(yi)步，其(qi)所腐(fu)蝕作用是(shi)由(you)于堿性的(de)研漿和硅(gui)片接(jie)觸(chu)，發生下列(lie)化學(xue)反應

而SiO2極(ji)易(yi)按下式(shi)水解：

水解產物H2SiO2,能(neng)部分聚(ju)合成(cheng)多硅(gui)(gui)酸，同時(shi)另(ling)一部分H2SiO2電(dian)離(li)生成(cheng)SiO22-離(li)子i，結果形成(cheng)如下結構的(de)一半(ban)硅(gui)(gui)酸膠(jiao)體，覆蓋在(zai)硅(gui)(gui)片表面上(shang)：

這種覆蓋在硅片表面上的膠體，如不及時(shi)除去，則將影響

（1）式繼(ji)續進行化學腐蝕作用。

由（a）（b）兩(liang)式可看出，這兩(liang)種(zhong)膠核相同(tong)(tong)，而(er)兩(liang)膠粒帶有不同(tong)(tong)數(shu)量的凈剩負電(dian)荷，即膠粒中(zhong)異電(dian)離(li)子(zi)數(shu)目(mu)不同(tong)(tong)，這是由于兩(liang)膠粒中(zhong)的異電(dian)離(li)子(zi)半徑

因(yin)此膠核[SiO2] m對此二異電(dian)離子(zi)的引力將是

。同(tong)時也因為(wei)異電(dian)離子的體積不(bu)同(tong)，相同(tong)膠(jiao)核表面積上能(neng)容納的異電(dian)離子數(shu)目(mu)也應(ying)是

。所以膠(jiao)粒的緊密層中K-與H+的數目(mu)必然是：

（a）膠粒的2（n-y）K+<（b）膠粒的2（n-y）H+，即（a）膠粒凈剩負電荷數2y>（b）膠(jiao)粒凈剩負電荷(he)數(shu)2x-。

拋(pao)光(guang)機(ji)在高(gao)速拋(pao)光(guang)過程中(zhong)(zhong)，由于轉(zhuan)動(dong)與(yu)(yu)摩(mo)擦作(zuo)用(yong)，膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)間(jian)(jian)(jian)也(ye)(ye)隨之(zhi)高(gao)速相對(dui)運動(dong)，能(neng)(neng)可能(neng)(neng)完全脫離(li)(li)其(qi)各自(zi)的分三層(ceng)，這兩(liang)種帶(dai)不(bu)同數量(liang)凈剩負(fu)電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)的膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)，一方面在拋(pao)光(guang)機(ji)轉(zhuan)動(dong)的帶(dai)動(dong)下(xia)(xia)相對(dui)動(dong)能(neng)(neng)增大，同時在拋(pao)光(guang)壓(ya)力(li)(li)作(zuo)用(yong)下(xia)(xia)，使(shi)兩(liang)種膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)間(jian)(jian)(jian)距(ju)離(li)(li)也(ye)(ye)大大縮(suo)短，結(jie)果兩(liang)種膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)間(jian)(jian)(jian)引力(li)(li)加劇。另外，此時兩(liang)種膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)間(jian)(jian)(jian)電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)也(ye)(ye)將(jiang)相互(hu)影響（可視互(hu)為外電(dian)(dian)(dian)場），皆欲維(wei)持(chi)本(ben)膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)電(dian)(dian)(dian)中(zhong)(zhong)性穩定(ding)平衡，將(jiang)有互(hu)相吸引爭奪對(dui)方正電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)的趨勢。此時（a）膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)所帶(dai)凈剩負(fu)電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)較（b）膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)多，其(qi)吸引正電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)的力(li)(li)將(jiang)大于（b）膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)，但仍不(bu)可能(neng)(neng)將(jiang)（b）膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)緊密層(ceng)中(zhong)(zhong)的正電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)拉(la)下(xia)(xia)來，結(jie)果因（b）膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)與(yu)(yu)硅(gui)(gui)片(pian)表(biao)面間(jian)(jian)(jian)的一般吸附力(li)(li)小于靜(jing)電(dian)(dian)(dian)引力(li)(li)，則(ze)質量(liang)大，凈剩負(fu)電(dian)(dian)(dian)荷(he)(he)多的（a）膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)，將(jiang)（b）膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)從硅(gui)(gui)片(pian)表(biao)面上吸下(xia)(xia)來或(huo)減弱了（b）膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)與(yu)(yu)硅(gui)(gui)片(pian)間(jian)(jian)(jian)的吸附力(li)(li)，再配(pei)合(he)與(yu)(yu)拋(pao)光(guang)墊和研(yan)磨(mo)粒(li)(li)的摩(mo)擦，對(dui)突(tu)出(chu)表(biao)面產(chan)生機(ji)械作(zuo)用(yong)，則(ze)使(shi)突(tu)出(chu)表(biao)面的（b）膠(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)粒(li)(li)脫離(li)(li)硅(gui)(gui)片(pian)進入(ru)溶液中(zhong)(zhong)，暴露出(chu)新鮮金(jin)屬表(biao)面，再繼續與(yu)(yu)堿作(zuo)用(yong)進行化學(xue)腐蝕。這種化學(xue)作(zuo)用(yong)、吸附效應與(yu)(yu)機(ji)械作(zuo)用(yong)的不(bu)斷反(fan)復，使(shi)突(tu)出(chu)表(biao)面得以磨(mo)平。圖2為硅(gui)(gui)片(pian)，研(yan)漿(jiang)和拋(pao)光(guang)墊系(xi)統(tong)的示意圖。

4 拋光(guang)片的檢測及(ji)影響拋光(guang)片質量的因素

拋光片的檢測項目主要有：平整度、表(biao)面(mian)缺陷及損傷情況。

平整度

拋光片(pian)的平(ping)整度(du)一(yi)般(ban)用平(ping)整度(du)測(ce)試儀測(ce)試。影(ying)響平(ping)整度(du)的因(yin)素主要有：拋光片(pian)變形(xing)、盆形(xing)凹坑等。

使(shi)硅(gui)片(pian)(pian)變形(xing)的(de)(de)因素(su)較(jiao)多(duo)，除(chu)硅(gui)片(pian)(pian)切磨(mo)后(hou)的(de)(de)本身彎曲外，有的(de)(de)是由于(yu)硅(gui)片(pian)(pian)兩面損傷層嚴(yan)重差(cha)異引(yin)起(qi)。解(jie)決這(zhe)個問(wen)題的(de)(de)最(zui)好(hao)辦法(fa)是在拋(pao)光前對硅(gui)片(pian)(pian)進行(xing)化(hua)學腐蝕。這(zhe)樣猶豫硅(gui)片(pian)(pian)兩面的(de)(de)損傷層都(dou)去(qu)除(chu)，拋(pao)光后(hou)不致使(shi)晶片(pian)(pian)彎曲。

表面缺陷

拋光(guang)片的表面宏觀缺陷(xian)較(jiao)多，一(yi)般(ban)有劃道、蝕坑、波紋(wen)、桔皮、麻點、霧(wu)狀等。

產生(sheng)(sheng)劃道的(de)(de)(de)原因(yin)主要(yao)(yao)(yao)是(shi)(shi)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)液(ye)中混入了比二氧(yang)化硅顆粒(li)大(da)(da)得(de)多的(de)(de)(de)顆粒(li)物，因(yin)此拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)的(de)(de)(de)環(huan)境以及拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)機、拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)液(ye)的(de)(de)(de)清(qing)(qing)潔度(du)(du)尤為重要(yao)(yao)(yao)。蝕坑與(yu)波紋產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)原因(yin)主要(yao)(yao)(yao)是(shi)(shi)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)時(shi)(shi)腐蝕速率大(da)(da)于磨削(xue)速率之(zhi)(zhi)故(gu)，如研(yan)漿(jiang)pH值(zhi)過高，解決(jue)這一問題(ti)只(zhi)要(yao)(yao)(yao)稍(shao)降低研(yan)漿(jiang)的(de)(de)(de)pH值(zhi)就可(ke)以了。產生(sheng)(sheng)桔皮的(de)(de)(de)原因(yin)主要(yao)(yao)(yao)是(shi)(shi)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)時(shi)(shi)磨削(xue)速率大(da)(da)于腐蝕速率之(zhi)(zhi)故(gu)，只(zhi)要(yao)(yao)(yao)稍(shao)增(zeng)加研(yan)漿(jiang)中的(de)(de)(de)pH值(zhi)就可(ke)以了。在(zai)日光(guang)燈下(xia)(xia)就能(neng)(neng)看的(de)(de)(de)麻點實際上是(shi)(shi)磨片后留(liu)下(xia)(xia)來的(de)(de)(de)砂坑，關鍵(jian)是(shi)(shi)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)時(shi)(shi)間太短，沒(mei)有除(chu)去(qu)一定厚(hou)度(du)(du)之(zhi)(zhi)故(gu)，而另一種(zhong)只(zhi)能(neng)(neng)在(zai)聚(ju)光(guang)燈下(xia)(xia)才(cai)能(neng)(neng)發現的(de)(de)(de)亮(liang)點是(shi)(shi)猶豫拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)至清(qing)(qing)洗(xi)間硅片脫水，使(shi)得(de)一些(xie)微小的(de)(de)(de)雜物吸附(fu)在(zai)表(biao)面之(zhi)(zhi)故(gu)，最佳的(de)(de)(de)辦法(fa)是(shi)(shi)在(zai)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)后用熱去(qu)離子水取片，然后馬上清(qing)(qing)洗(xi)，就可(ke)消除(chu)此類亮(liang)點。拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)片表(biao)面的(de)(de)(de)霧狀(zhuang)可(ke)以用軟的(de)(de)(de)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)拋(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)來解決(jue)。

表面損傷

二氧化硅(gui)技術本身能引入輕微的損傷，解決辦法有兩種(zhong)，一(yi)是降低二氧化硅(gui)粒度(du)，另(ling)一(yi)種(zhong)是在(zai)拋(pao)光后用HNO：HF：HAC=50：1：20（體積(ji)比）的腐蝕液在(zai)冰(bing)點對拋(pao)光片(pian)進行剝離，剝離厚度(du)1~2pm。

5 CMP技術在半導體工業中(zhong)的作用

在(zai)半導體工(gong)(gong)業中(zhong)，CMP最早應于集成(cheng)電(dian)(dian)路(lu)（IC）制造用基材硅的(de)(de)(de)粗拋和精拋，大(da)大(da)提(ti)高了(le)硅片的(de)(de)(de)拋光(guang)精度(du)和拋光(guang)速度(du)，從而極大(da)地(di)提(ti)高了(le)硅片拋光(guang)的(de)(de)(de)質量和生(sheng)產(chan)(chan)效率(lv)，降低了(le)生(sheng)產(chan)(chan)成(cheng)本。在(zai)IC加工(gong)(gong)中(zhong)CMP技術的(de)(de)(de)使用是非常頻繁(fan)的(de)(de)(de)，如(ru)用于前道(dao)(dao)加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝，生(sheng)產(chan)(chan)元器(qi)件；后(hou)道(dao)(dao)加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝，用于生(sheng)產(chan)(chan)通(tong)路(lu)、通(tong)道(dao)(dao)、平(ping)坦化層間介電(dian)(dian)膜(mo)和封(feng)裝等(deng)等(deng)。

近(jin)幾年(nian)來，CMP技(ji)術已有(you)一些(xie)新(xin)的應用(yong)領(ling)域：平面(mian)顯示器(qi)、微電機系(xi)統、多晶片模組等(deng)等(deng)。CMP也(ye)可用(yong)于生產(chan)(chan)其他類似(si)半(ban)導(dao)體生產(chan)(chan)工藝生產(chan)(chan)的電子結構，如傳感器(qi)、檢測器(qi)和光導(dao)攝(she)像管的表面(mian)加工。

6 CMP技術(shu)的發展趨勢(shi)

隨著計算機(ji)通信及網絡技(ji)(ji)術(shu)的(de)高速發(fa)展(zhan)，對作為(wei)其基礎的(de)集(ji)成電(dian)路(lu)的(de)性(xing)能要(yao)求(qiu)愈來愈高，集(ji)成電(dian)路(lu)芯(xin)片增大而(er)單個(ge)晶體(ti)管元件(jian)減小(xiao)及多層集(ji)成電(dian)路(lu)芯(xin)片是發(fa)展(zhan)的(de)必然趨勢。這對CMP技(ji)(ji)術(shu)提(ti)出(chu)了(le)更高的(de)要(yao)求(qiu)。

在CMP設備方面，正在由單頭、雙頭拋光機向多頭拋光機發展，結構逐步由旋轉運動結構向軌道拋光方法和線性拋光技術方面發展；在CMP研漿方面，關鍵是要開發新型研磨液，能提供高的磨蝕速率，好的平整度，高的選擇性，表面均一性，利于后續清洗過程，使得磨料粒子不能殘留在芯片表面影響集成電路性能；在應用方面，CMP技術將在陶瓷、磁頭、硬磁盤、機械磨具、精密(mi)閥(fa)門、光學玻(bo)璃、金屬(shu)材料等表面加工領域不斷(duan)得到重視和應用(yong)。

目前，對(dui)CMP技術的(de)了解還(huan)在定性的(de)階段，人們(men)還(huan)缺少(shao)有關定量(liang)(liang)方(fang)面的(de)只是。因此，定量(liang)(liang)確定最(zui)佳CMP工藝，系統(tong)的(de)研究CMP工藝過程參數，建立完善的(de)CMP理論模(mo)型，滿足各種超大型集成電(dian)路生產對(dui)CMP工藝的(de)不(bu)同(tong)需(xu)求，是研究CMP技術的(de)重大課題(ti)。