化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術是超(chao)大(da)規模(mo)集成電(dian)路(lu)制造(zao)工(gong)藝(yi)中(zhong)的(de)關鍵技術之(zhi)一，能(neng)實現集成電(dian)路(lu)（IC）制造(zao)中(zhong)晶圓表(biao)面全局平(ping)坦(tan)化(hua)，使其達(da)到原子級超(chao)高平(ping)整度。

       CMP工序中，拋光液是影響拋光效果的關鍵因素。其中的磨料是材料(liao)去除(chu)的(de)工具，同(tong)時(shi)也(ye)參(can)與了基底材料(liao)的(de)表面腐蝕，因而(er)磨(mo)料(liao)在(zai)拋(pao)光液(ye)中起著重要的(de)因素。除(chu)了磨(mo)料(liao)本身的(de)性(xing)質（如硬度、形貌(mao)、粒徑分(fen)布、大(da)小）外，在(zai)拋(pao)光液(ye)中所占的(de)固含量對拋(pao)光性(xing)能（拋(pao)光速率(lv)、損傷(shang)層、劃痕）等也(ye)會有很大(da)的(de)影響(xiang)。

CMP原理圖

       近年(nian)來，由于許(xu)多領域(yu)都對(dui)產品光潔表面有所要求(qiu)，因此(ci)根據不同材料(liao)(liao)的物化性能和拋光要求(qiu)，業界(jie)提出了多種拋光液(ye)用磨料(liao)(liao)設(she)計方案(an)。初步(bu)看可(ke)簡單分為單一磨料(liao)(liao)以及混合磨料(liao)(liao)兩(liang)大類，以下(xia)是它們的性能對(dui)比。

       01單一磨料

       單(dan)一(yi)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)顧名思(si)義即拋(pao)(pao)光(guang)液中只使用(yong)同(tong)一(yi)種磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)。目前其相關研究大(da)(da)部分(fen)集中于(yu)制備單(dan)分(fen)散、大(da)(da)粒徑磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)，以(yi)下是(shi)常見的(de)材質選(xuan)(xuan)擇，具體要(yao)選(xuan)(xuan)擇哪種特定的(de)單(dan)一(yi)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)以(yi)及(ji)粒徑，則要(yao)考(kao)慮拋(pao)(pao)光(guang)目標材料(liao)(liao)的(de)特性和要(yao)求，以(yi)及(ji)拋(pao)(pao)光(guang)液中所(suo)需(xu)的(de)化學(xue)成分(fen)。不同(tong)的(de)CMP應用(yong)可能需(xu)要(yao)不同(tong)類型的(de)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)(liao)。

       ①二氧化硅（SiO2）：是(shi)一種常見的磨(mo)(mo)料，優點(dian)是(shi)選擇性和分散(san)性好，機械(xie)磨(mo)(mo)損性能較好，其(qi)缺(que)點(dian)是(shi)硬度較高，易在被(bei)拋光(guang)物體表面(mian)造成不平整，且在拋光(guang)漿料中易產生凝膠(jiao)現象。

       ②氧化(hua)鋁(lv)（Al2O3）：用于拋光(guang)(guang)各種表面的(de)最重(zhong)要的(de)研磨材料之一，一般使用高(gao)純納米(mi)α-氧化(hua)鋁(lv)拋光(guang)(guang)粉，主要應用于光(guang)(guang)學(xue)玻璃、晶體和(he)合金材料的(de)拋光(guang)(guang)。

       ③碳化硅（SiC）：用于(yu)特殊應用，如對一些特殊材料的拋光，具有較高的硬(ying)度和耐磨性。

       ④氧化鈰（CeO2）：具有切削力強、拋(pao)(pao)光(guang)時(shi)間短、使用壽命長、拋(pao)(pao)光(guang)精度高等(deng)優點，主(zhu)要應用于光(guang)學(xue)玻璃器件、電(dian)視機顯像(xiang)管、光(guang)學(xue)眼(yan)鏡(jing)片、半導體晶片和金屬精密制品(pin)等(deng)的拋(pao)(pao)光(guang)。

       ⑤氧化鐵（Fe2O3）：對(dui)某(mou)些特(te)定材料的拋光具有優勢，也(ye)可用于玻璃(li)，但速度較(jiao)慢。

       ⑥金剛石（Diamond）：最堅硬(ying)(ying)的(de)磨(mo)料之(zhi)一(yi)，常(chang)用于磁頭、硬(ying)(ying)盤、寶石、硬(ying)(ying)質(zhi)玻璃、陶瓷(ci)以及硬(ying)(ying)質(zhi)合金的(de)超精密拋(pao)光。

       ……

       住友化學的AM21及A21氧化鋁磨料

       單一磨料的主要優勢在于能使拋光過程的控制更容易（只需要考慮一種磨料的特性和反應，而不是多種磨料的復雜組合）以及保證拋光液的穩定性，在部分情況下使用單一磨料可能比混合多種磨料更經濟高效。但缺點就是單一磨料可能無法滿足不同部分的拋光需求，導致拋光不均勻。

       例：

       X.L.Shi等對比了分別采(cai)(cai)用(yong)Al2O3（平(ping)均粒(li)徑1.9μm）和SiO2（平(ping)均粒(li)徑100 nm）作為磨(mo)料(liao)對藍(lan)寶石晶(jing)圓(yuan)(yuan)CMP的效(xiao)果(guo)。結果(guo)表(biao)明，采(cai)(cai)用(yong)Al2O3磨(mo)料(liao)可(ke)以獲(huo)得較高(gao)的MRR，但藍(lan)寶石晶(jing)圓(yuan)(yuan)表(biao)面劃痕較多；采(cai)(cai)用(yong)SiO2磨(mo)料(liao)CMP時MRR較低，但藍(lan)寶石晶(jing)圓(yuan)(yuan)的表(biao)面粗(cu)糙度可(ke)降至0.1 nm，獲(huo)得了原子(zi)級的光滑(hua)表(biao)面。

       熊偉(wei)等(deng)采用(yong)粒徑(jing)分別為40、80和110 nm的(de)SiO2磨料(liao)對藍(lan)寶石進(jin)行CMP，發現MRR隨著(zhu)SiO2粒徑(jing)增大而增大，但是SiO2粒徑(jing)過大不利于(yu)形(xing)成光滑的(de)表(biao)面(mian)，采用(yong)粒徑(jing)為80 nm的(de)SiO2磨料(liao)時拋光效果(guo)較佳。

       02混合磨料

       隨著業界對拋(pao)(pao)光(guang)效率和表(biao)面質量(liang)要求(qiu)的不(bu)斷提高，很多情況(kuang)下采用單一磨(mo)料(liao)(liao)(liao)越(yue)(yue)來越(yue)(yue)難以滿足要求(qiu)，因此需要尋(xun)求(qiu)新型拋(pao)(pao)光(guang)磨(mo)料(liao)(liao)(liao)方案(an)，混(hun)合(he)磨(mo)料(liao)(liao)(liao)正是其中之一技術路(lu)線。在(zai)CMP中，混(hun)合(he)磨(mo)料(liao)(liao)(liao)是指不(bu)同(tong)尺寸的同(tong)種(zhong)(zhong)磨(mo)料(liao)(liao)(liao)或不(bu)同(tong)種(zhong)(zhong)類磨(mo)料(liao)(liao)(liao)混(hun)合(he)使(shi)用。

       ①混合粒徑

       用不(bu)同(tong)粒(li)徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)同(tong)一種(zhong)磨料(liao)組(zu)合(he)是一種(zhong)常(chang)見的(de)(de)(de)(de)做法，通常(chang)被稱為磨料(liao)的(de)(de)(de)(de)分級。不(bu)同(tong)粒(li)徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)磨料(liao)組(zu)合(he)使用時，可(ke)(ke)以(yi)充分利用每種(zhong)粒(li)徑(jing)(jing)磨料(liao)的(de)(de)(de)(de)特點，如(ru)較(jiao)大粒(li)徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)磨料(liao)可(ke)(ke)以(yi)更快地(di)去(qu)除表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)大部分材料(liao)，較(jiao)小粒(li)徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)磨料(liao)可(ke)(ke)以(yi)進一步細化拋光(guang)表(biao)(biao)面(mian)，因此可(ke)(ke)以(yi)更有(you)效地(di)改善(shan)表(biao)(biao)面(mian)平整度，也可(ke)(ke)以(yi)優(you)化拋光(guang)效率，減少表(biao)(biao)面(mian)劃痕和損傷的(de)(de)(de)(de)風險。

       混合粒(li)徑磨料拋光藍寶石模型

       例：

       H.Kong等采用粒徑為20~95 nm的SiO2混合磨料對藍寶石進(jin)行CMP，MRR與采用平(ping)均粒徑為90.5 nm的SiO2磨料時相比(bi)提高了50%，不過表(biao)面粗糙度相近。

       N.Bun-Athuek等研究(jiu)了(le)平均粒(li)(li)徑(jing)(jing)4 nm的(de)SiO2顆粒(li)(li)與平均粒(li)(li)徑(jing)(jing)分別為20、55和(he)(he)105 nm的(de)大(da)顆粒(li)(li)SiO2混合使用(yong)的(de)效果，發現(xian)與使用(yong)對應單一粒(li)(li)徑(jing)(jing)SiO2磨(mo)料時相比，藍寶(bao)石(shi)的(de)MRR分別提高了(le)85%、78%和(he)(he)32%，表面粗糙(cao)度(du)從(cong)0.20、0.24和(he)(he)0.30 nm分別降至0.14、0.15和(he)(he)0.20 nm。

       ②混合種類

       混(hun)合不(bu)同(tong)種類(lei)的(de)磨(mo)料同(tong)樣是一(yi)種常(chang)見的(de)做法，被稱為(wei)多磨(mo)料組合。因為(wei)不(bu)同(tong)種類(lei)的(de)磨(mo)料具有不(bu)同(tong)的(de)物理和(he)化(hua)學(xue)特性，所以混(hun)合使用可(ke)以充(chong)分發揮每種磨(mo)料的(de)優勢，進而提(ti)高拋光效(xiao)果。

       同(tong)時，通過混(hun)合(he)不同(tong)種類的(de)(de)磨(mo)(mo)料還可以(yi)根據(ju)具體應用的(de)(de)需求進行調整和優化(hua)，提高(gao)CMP拋(pao)光過程(cheng)的(de)(de)靈活性。例如CeO2、Al2O3、金剛石納(na)米磨(mo)(mo)料、聚合(he)物微(wei)球等與納(na)米SiO2的(de)(de)混(hun)合(he)磨(mo)(mo)料，在拋(pao)光中都有較好的(de)(de)效果(guo)。

       萬金(jin)油搭配(pei)選(xuan)擇：納米SiO2磨料(liao)

       不過(guo)，由于不同磨(mo)(mo)料(liao)之間(jian)可(ke)能會相互(hu)影(ying)響，而且(qie)混(hun)合(he)磨(mo)(mo)料(liao)、異形磨(mo)(mo)料(liao)大多數穩(wen)定性(xing)(xing)較差、易團聚(ju)，因此需要(yao)注意避免不良的(de)(de)相互(hu)作用，并進行大量實驗來(lai)確定各自的(de)(de)最佳比例和(he)使(shi)用條件，確保混(hun)合(he)磨(mo)(mo)料(liao)拋光過(guo)程的(de)(de)穩(wen)定性(xing)(xing)和(he)可(ke)控性(xing)(xing)。

       例：

       于江勇等對(dui)比了采用平均(jun)粒(li)徑(jing)(jing)都為(wei)30 nm的單(dan)一SiO2磨(mo)料和SiO2/Al2O3混合磨(mo)料對(dui)藍寶(bao)石(shi)襯底(di)CMP時(shi)MRR的影(ying)響，發現在(zai)拋(pao)光液中(zhong)加入(ru)20 mL/L的同粒(li)徑(jing)(jing)20%Al2O3懸浮液時(shi)，MRR從9μm/h提高至11μm/h，CMP后(hou)藍寶(bao)石(shi)的表(biao)面粗糙(cao)度(du)為(wei)0.23 nm。

       D.Yin等采用(yong)摻雜MgO的(de)納米SiO2磨料(liao)（平均粒徑85~95 nm）對藍寶(bao)石(shi)CMP，由于藍寶(bao)石(shi)表(biao)(biao)面與MgO和SiO2發(fa)生了(le)固(gu)相化學(xue)反應，CMP過程中(zhong)的(de)化學(xue)作用(yong)增強，因(yin)此藍寶(bao)石(shi)的(de)MRR增大，表(biao)(biao)面粗糙(cao)度(du)減小。采用(yong)混合磨料(liao)來提升藍寶(bao)石(shi)CMP的(de)效(xiao)率與質量主要通過提高(gao)CMP過程中(zhong)的(de)化學(xue)和機(ji)械(xie)作用(yong)來實(shi)現。

資(zi)料來(lai)源：

屈明慧,牛新(xin)環,侯子陽,等.藍寶石化學機械拋(pao)光液的(de)研究(jiu)進展[J].電(dian)鍍(du)與涂飾,2022,41(3):211-216. DOI:10.19289/j.1004-227x.2022.03.011.

趙之(zhi)琳.基于混合(he)粒徑磨(mo)料(liao)的CMP去除機理研究與應(ying)用(yong)[D].河北(bei):河北(bei)工業大學,2021.