一、化學機械拋光(CMP)簡介

       化學機械(xie)拋光（Chemical Mechanical Polishing, 簡(jian)稱 CMP）技(ji)術(shu)是一(yi)種依靠化學和機械(xie)的協同(tong)作用實現(xian)工件(jian)表面材料去除的超精(jing)密(mi)加工技(ji)術(shu)。下圖(tu)是一(yi)個典型的 CMP 系統示意圖(tu)：

   ;    主要(yao)包括(kuo)：夾持工(gong)件的(de)(de)拋(pao)光頭、承(cheng)載(zai)拋(pao)光墊(dian)的(de)(de)拋(pao)光盤、修整拋(pao)光墊(dian)表面的(de)(de)修整器和(he)拋(pao)光液供給(gei)系(xi)統四大部分。

       在(zai)(zai)拋光(guang)(guang)(guang)過(guo)程中(zhong)，工(gong)件通(tong)過(guo)拋光(guang)(guang)(guang)頭，按照給(gei)定壓力作(zuo)用(yong)在(zai)(zai)貼有拋光(guang)(guang)(guang)墊的(de)旋轉拋光(guang)(guang)(guang)盤(pan)上(shang)，同時相對(dui)自身軸線做(zuo)旋轉運(yun)動以(yi)及(ji)相對(dui)拋光(guang)(guang)(guang)盤(pan)做(zuo)往(wang)復擺動運(yun)動。拋光(guang)(guang)(guang)液(ye)輸(shu)送在(zai)(zai)工(gong)件和(he)拋光(guang)(guang)(guang)墊之間(jian)的(de)接觸界面內(nei)，不斷(duan)和(he)工(gong)件表面發生(sheng)化(hua)學反應，通(tong)過(guo)磨粒的(de)機械作(zuo)用(yong)以(yi)及(ji)拋光(guang)(guang)(guang)液(ye)的(de)化(hua)學作(zuo)用(yong)，實現表面材料的(de)去(qu)除。

       二、化學機械拋光(CMP)發展歷程

       CMP 技術(shu)(shu)起源于(yu)古典拋光(guang)(guang)技術(shu)(shu)，在早期主要(yao)用(yong)于(yu)玻璃(li)的(de)拋光(guang)(guang)。在當時(shi)的(de)工(gong)藝(yi)條件下，復雜的(de)影響因素(su)導致拋光(guang)(guang)結果不穩定和不可控。在很(hen)長一(yi)段時(shi)間(jian)內，拋光(guang)(guang)工(gong)藝(yi)都被當作是一(yi)種藝(yi)術(shu)(shu)，而不是一(yi)種科學看待。

       直到上個世紀八(ba)十年代初期，美國 IBM 公(gong)司率先開發出應用于半導(dao)體晶(jing)圓拋(pao)光(guang)的CMP技術(shu)。

       CMP 在去除上道工序引起的損(sun)傷和缺陷(xian)的同時(shi)，能夠兼顧全局和局部(bu)平(ping)坦化(hua)要求，這使(shi)得半導體晶圓表面平(ping)坦化(hua)程度獲(huo)得大幅提(ti)高，克服了當(dang)時(shi)遇到的“深(shen)亞(ya)微米壁(bi)壘(lei)”。

       進入(ru)二十(shi)一世紀以(yi)來，集成電(dian)(dian)路 （Integrated Circuit，簡稱 IC）制(zhi)造在“摩(mo)爾定(ding)律”的(de)(de)(de)指引以(yi)及資(zi)本(ben)的(de)(de)(de)推動下(xia)飛速發展， 已(yi)經深入(ru)到(dao)計算機(ji)，通(tong)信，電(dian)(dian)子，軍事等各個領域。如今(jin)，IC 制(zhi)造儼然成為(wei)現代高科技的(de)(de)(de)核心與(yu)先導，成為(wei)大(da)國之間博弈的(de)(de)(de)重要(yao)籌碼。

       CMP 作為公(gong)認的(de)(de)能(neng)夠為晶圓表面提供優異(yi)局部和(he)全局平(ping)坦化的(de)(de)唯一技術，在 IC 制造(zao)對人類制造(zao)極限(xian)的(de)(de)一次次沖擊中獲(huo)得(de)了極大的(de)(de)發展。

       目前，CMP 技(ji)術遠遠超越(yue)了早先在IBM試驗室達到的水平(ping)，尤其是在 IC 制造領域，CMP技(ji)術已經(jing)能夠實(shi)現(xian)原(yuan)子水平(ping)上的材(cai)料(liao)去除。

       CMP 技術多(duo)樣化挑戰(zhan) IC 制(zhi)(zhi)造(zao)領域(yu)對于CMP技術的推動和開發，也促進了CMP技術在(zai)其他制(zhi)(zhi)造(zao)領域(yu)的應用(yong)，如(ru)光學玻璃加工，強(qiang)激光元件制(zhi)(zhi)造(zao)等領域(yu)。

       三、化學機械拋光(CMP)原理

       CMP 原子級材料去(qu)除過程(cheng)(cheng)是在拋光液的(de)化學(xue)作用下(xia)，拋光墊(dian)/磨粒/工件三者之間原子級的(de)摩擦磨損過程(cheng)(cheng)是 CMP 技術最底層(ceng)的(de)材料去(qu)除過程(cheng)(cheng)。

 ;      Preston 作為拋光技術的(de)先驅者，在1926年關于玻璃(li)(li)拋光的(de)文獻中就(jiu)提出以(yi)下論述：不同于研磨(mo)(mo)這種依靠機械磨(mo)(mo)損導致玻璃(li)(li)表面破碎的(de)材料去除方(fang)式，玻璃(li)(li)的(de)拋光更像是一(yi)種連續的(de)，在“分子或近似(si)分子”量級的(de)材料去除。

       然而，在過(guo)去的(de)很長一(yi)段時間(jian)(jian)內，由于難以(yi)確(que)定 CMP 過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)化學(xue)作用機理，相(xiang)關理論研究更多的(de)注重于 CMP 過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)機械(xie)(xie)作用，并將材(cai)料(liao)(liao)去除(chu)歸因于磨粒和工件(jian)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)“固固” 磨損。其中(zhong)(zhong)最具(ju)代表性的(de)為1991年Kaufman等(deng)人的(de)研究，他(ta)們提出CMP的(de)材(cai)料(liao)(liao)去除(chu)過(guo)程(cheng)是一(yi)種化學(xue)輔助的(de)機械(xie)(xie)劃擦過(guo)程(cheng)，具(ju)體過(guo)程(cheng)如圖所示：

       首先(xian)，拋光液(ye)中(zhong)的(de)化學(xue)溶劑和工(gong)(gong)件表(biao)(biao)面(mian)發生(sheng)化學(xue)反(fan)應，在工(gong)(gong)件表(biao)(biao)面(mian)生(sheng)成一種軟質的(de)反(fan)應層(ceng)(ceng)。磨粒在拋光墊的(de)擠壓下劃擦表(biao)(biao)面(mian)反(fan)應層(ceng)(ceng)，產生(sheng)材料去(qu)除。反(fan)應層(ceng)(ceng)被去(qu)除之后(hou)，底層(ceng)(ceng)的(de)新(xin)鮮表(biao)(biao)面(mian)重(zhong)新(xin)裸露在拋光液(ye)中(zhong)并生(sheng)成新(xin)的(de)反(fan)應層(ceng)(ceng)，之后(hou)再(zai)被磨粒去(qu)除，如(ru)此循(xun)環往復。

       當機械去除(chu)(chu)和化學反(fan)應兩(liang)種過程處于平衡時(shi)，材料(liao)去除(chu)(chu)效率將(jiang)達到(dao)最佳，并且(qie)任何影響這兩(liang)個過程的參數都將(jiang)對最終的材料(liao)去除(chu)(chu)率以及表面質(zhi)量產生影響。

       然而，這(zhe)種基于機(ji)械劃(hua)擦理論(lun)的(de)材料去除機(ji)理的(de)認知在(zai)如今(jin)面臨(lin)很大的(de)局限性。首先，目前 CMP 技術可以實現超光滑表面的(de)加(jia)工，在(zai)拋光 GaN，藍寶石(shi)等晶體材料時(shi)會觀測到原子臺階現象。

       原子臺階是由于晶(jing)向偏角(jiao)或者晶(jing)格缺(que)陷的(de)存在，導(dao)致表面裸(luo)露(lu)的(de)晶(jing)格結構(gou)呈現穩定的(de)周期性臺階，是表面加工所能達(da)到(dao)的(de)理論(lun)光滑極(ji)限。

       顯然，基于磨粒壓(ya)入-塑性耕犁的(de)(de)材料去(qu)除(chu)模(mo)式無法解(jie)釋(shi) CMP 這種(zhong)原子(zi)(zi)級的(de)(de)極限加工能力(li)。另外，在(zai)(zai)典型的(de)(de) CMP 工況下，拋光液中的(de)(de)納(na)米磨粒壓(ya)入工件表面的(de)(de)深度甚至(zhi)小于一個原子(zi)(zi)直徑，在(zai)(zai)這種(zhong)原子(zi)(zi)級別的(de)(de)壓(ya)入深度下，基于連續(xu)介質(zhi)理論的(de)(de)壓(ya)入-耕犁去(qu)除(chu)模(mo)式將不再適用于 CMP 原子(zi)(zi)級材料去(qu)除(chu)機理的(de)(de)解(jie)釋(shi)。

       分子動力學(xue)(xue)（Molecular Dynamics, 簡稱 MD）由于(yu)可在(zai)原子尺度(du)展示(shi)所(suo)研究系(xi)統的(de)動態(tai)運(yun)動過程，目前已經成為研究 CMP 在(zai)原子尺度(du)上的(de)化學(xue)(xue)機(ji)械(xie)協同作用以(yi)及材料去除過程的(de)主(zhu)要途徑之一。

       基于拋光過(guo)程的MD 仿(fang)真(zhen)模型(xing)主(zhu)要(yao)包(bao)括磨粒(li)磨損模型(xing)和磨粒(li)沖擊模型(xing)。兩者(zhe)均利用 MD 來模擬磨粒(li)對工件表面的材料去除機制和損傷(shang)機理，而前者(zhe)主(zhu)要(yao)基于納米(mi)切削或者(zhe)納米(mi)壓痕過(guo)程的仿(fang)真(zhen)。

       然而(er)，傳(chuan)統(tong)MD方(fang)(fang)(fang)法基(ji)于(yu)(yu)牛頓力(li)學(xue)(xue)運動方(fang)(fang)(fang)程，無法考(kao)慮化(hua)(hua)學(xue)(xue)作用的(de)(de)影響，因此(ci)，模(mo)擬結(jie)果具有(you)很大的(de)(de)局限(xian)性(xing)。 基(ji)于(yu)(yu)反(fan)應(ying)力(li)場的(de)(de)分(fen)子動力(li)學(xue)(xue)（Reactive Force Field-Molecular Dynamics, 簡(jian)稱ReaxFF MD）方(fang)(fang)(fang)法是 MD 方(fang)(fang)(fang)法的(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)延(yan)伸，其(qi)突破了 MD 基(ji)于(yu)(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)(de)牛頓運動定律的(de)(de)力(li)場體系，而(er)采(cai)用第(di)一(yi)(yi)性(xing)原理的(de)(de)計算方(fang)(fang)(fang)法計算原子級別的(de)(de)動態過(guo)程。另外，通過(guo)建(jian)立(li)勢能函(han)數和鍵(jian)級的(de)(de)關系，ReaxFF-MD可以進一(yi)(yi)步用來描述體系中原子尺度(du)的(de)(de)化(hua)(hua)學(xue)(xue)反(fan)應(ying)。

       下圖展(zhan)示了SiO2 磨粒在閾值壓力下劃擦 Si 表面(mian)發生的(de)單層(ceng)原(yuan)子去(qu)除過程。

       在(zai)(zai)初始階段，如(ru)圖(tu)(a)所示(shi)，Si 工件和(he) SiO2 磨粒(li)表面分別和(he)H2O發生化學反應，生成(cheng) Si–H 和(he) Si– OH 官能團。接著(zhu)，Si 和(he) SiO2 磨粒(li)在(zai)(zai)載(zai)荷的(de)作用下發生接觸，表面官能團重組形成(cheng) Si– O–Si 界(jie)面橋鍵，如(ru)圖(tu)(b)所示(shi)，其中(zhong)顏色云圖(tu)表示(shi) Si 原(yuan)子在(zai)(zai)載(zai)荷作用下的(de) Z 向位移。 在(zai)(zai)滑動(dong)過(guo)程中(zhong)，界(jie)面 Si–O–Si 鍵將拉應力傳遞(di)給 Si 基體，促進 Si 基體中(zhong) Si–Si 鍵的(de)斷 裂，并發生表面單(dan)層 Si 原(yuan)子的(de)去除，如(ru)圖(tu)(c)所示(shi)。

       基于(yu)原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱 AFM）技術的 AFM 探針試驗(yan)，是研究原子尺(chi)度(du)上材料去除(chu)過程(cheng)的重要試驗(yan)方法(fa)。

       研究發現，金剛石針(zhen)(zhen)尖在劃(hua)擦(ca) Si 表(biao)面(mian)時(shi)，只有在大載(zai)荷條(tiao)(tiao)件下(xia)(xia)才(cai)會造成材料(liao)去(qu)除，而 SiO2 針(zhen)(zhen)尖卻可以在更(geng)小的載(zai)荷條(tiao)(tiao)件下(xia)(xia)產生更(geng)大的材料(liao)去(qu)除，并且 SiO2 針(zhen)(zhen)尖的材料(liao)去(qu)除率和(he)環境濕度密切相關。將這種現象歸因于(yu) SiO2 和(he) Si 在 H2O 環境中的表(biao)面(mian)羥基化。當外載(zai)荷作用時(shi)，SiO2 和(he) Si 表(biao)面(mian)的羥基脫水縮(suo)合(he)形成 Si–O–Si 界(jie)面(mian)橋鍵(jian)。

       這種(zhong)原子(zi)尺(chi)度(du)的(de)機(ji)械化學反應(ying)，降(jiang)低了(le)材(cai)料(liao)(liao)去除(chu)(chu)的(de)能量閾值(zhi)，使得 SiO2 針尖可以在更(geng)小的(de)載荷下去除(chu)(chu)材(cai)料(liao)(liao)，并進一步(bu)建立了(le)單顆磨粒的(de)材(cai)料(liao)(liao)去除(chu)(chu)率和最大接觸(chu)壓力 Pmax 以及相對劃擦速(su)度(du) v 之間的(de)關系。

       基(ji)于上述原(yuan)子尺度的(de)(de)機械化學反應，科(ke)研人員利(li)用(yong)直徑為 250 μm 的(de)(de) SiO2探針，在(zai)單(dan)晶硅 Si(100) 面上實現了(le) Si 原(yuan)子的(de)(de)單(dan)層去(qu)除，并(bing)通過高分辨透射(she)電鏡（High Resolution Transmission Electron Microscope，簡稱 HRTEM），證實了(le) Si 原(yuan)子的(de)(de)單(dan)層去(qu)除現象。

       盡(jin)管上述研究取(qu)得了(le)一系列的(de)(de)成果，然而，真實(shi) CMP 過程中(zhong)的(de)(de)拋光環(huan)境更加復(fu)雜，涉及(ji)各(ge)類參(can)數(shu)，各(ge)類材料在拋光過程中(zhong)的(de)(de)動(dong)態變化(hua)等等。

       以目前的數值模(mo)擬技(ji)術和試驗技(ji)術，要準確建立真實 CMP 過程中的原(yuan)子級材料去除模(mo)型仍舊存在困(kun)難。

       四、CMP 納/微/宏跨尺度材料去除

       化學機械協同作(zuo)用下的原子(zi)(zi)級(ji)材(cai)料(liao)(liao)去除(chu)(chu)過(guo)程是 CMP 技術最(zui)底層的物理過(guo)程。然而，這種從原子(zi)(zi)級(ji)的材(cai)料(liao)(liao)去除(chu)(chu)過(guo)程到宏(hong)觀(guan)材(cai)料(liao)(liao)去除(chu)(chu)過(guo)程的映射，是一個復(fu)雜的動態(tai)跨尺度問題。如(ru)下圖(tu) (a)所示，拋(pao)光(guang)過(guo)程中，工件以給定(ding)載荷作(zuo)用在拋(pao)光(guang)墊表(biao)面并發生相對運(yun)動。與此同時(shi)，拋(pao)光(guang)液在離(li)心力(li)的作(zuo)用下，流入工件和拋(pao)光(guang)墊之間的接觸界面，提供供材(cai)料(liao)(liao)去除(chu)(chu)的納(na)米磨(mo)粒以及化學溶(rong)劑環境。

       拋光墊作(zuo)為一種(zhong)拋光工(gong)具(ju)，其表(biao)(biao)面存在(zai)大量的微(wei)觀(guan)粗糙(cao)結構，因此，粗糙(cao)的拋光墊表(biao)(biao)面只有(you)一些局部高點才(cai)會和工(gong)件發生真實接觸，如(ru)圖(b)所示。

       在(zai) CMP 過程中，納米磨(mo)粒嵌入(ru)在(zai)一(yi)個(ge)個(ge)接觸點內，并跟隨拋光墊一(yi)起，相對工件表(biao)面運(yun)動(dong)，如圖(c)所示。

       最后，在(zai)機械載荷以及拋光液的(de)化(hua)學作用下(xia)，磨粒和(he)工件之間發(fa)生(sheng)原子(zi)級的(de)材料去除(chu)，如(ru)圖 (d)所示。

       五、拋光墊作用及分類

 ;      拋(pao)光墊的(de)(de)微觀接觸狀態(tai)，指的(de)(de)是(shi)拋(pao)光墊粗糙(cao)表面的(de)(de)高點和工件(jian)表面形成的(de)(de)接觸區域。

       ;一般來(lai)說，拋光墊/工件之(zhi)間接觸(chu)點尺寸在 1~100 μm 范圍內。拋光墊的微(wei)觀(guan)(guan)接觸(chu)狀態是(shi)拋光墊力學特性和表面(mian)微(wei)觀(guan)(guan)形貌的綜合體現。

       拋(pao)光(guang)過(guo)程中，任何導致拋(pao)光(guang)墊(dian)表面(mian)力(li)學(xue)特(te)性以(yi)及微觀形(xing)貌變化的的因素都會對拋(pao)光(guang)墊(dian)的微觀接觸(chu)狀態產(chan)生影(ying)響。

       ;以(yi)下(xia)是拋光墊微觀接觸狀(zhuang)態的(de)影響(xiang)因素的(de)詳細(xi)討論：

       (1) 微觀接(jie)觸狀態主要(yao)取決于拋光墊的材(cai)料力(li)學特性和結構特點

       拋(pao)(pao)光墊一(yi)般是由聚(ju)氨酯材料(liao)制作而成，具有優良的(de)(de)機械(xie)性能，耐磨(mo)損性，以(yi)(yi)及良好的(de)(de)化學穩定性。另外(wai)，聚(ju)氨酯材料(liao)具有很(hen)好的(de)(de)可設(she)計性和(he)可加工(gong)性，可以(yi)(yi)滿足(zu)不同(tong)的(de)(de)工(gong)藝需求(qiu)。這種設(she)計和(he)制造工(gong)藝的(de)(de)不同(tong)，導致(zhi)不同(tong)拋(pao)(pao)光墊之(zhi)間的(de)(de)力學特(te)性和(he)結構特(te)點差異(yi)明顯(xian)。基于拋(pao)(pao)光墊的(de)(de)結構特(te)點，將主流(liu)的(de)(de)商用拋(pao)(pao)光墊分為以(yi)(yi)下四類，如表所(suo)示。

       可見(jian)，每種(zhong)類(lei)型的(de)(de)拋光墊都(dou)有獨特的(de)(de)表(biao)面微(wei)觀結(jie)構，表(biao)面微(wei)觀結(jie)構決定了(le)拋光墊的(de)(de)真實(shi)接觸狀(zhuang)態，決定了(le)磨粒在接觸界面內(nei)的(de)(de)承(cheng)載狀(zhuang)態以及(ji)工件表(biao)面的(de)(de)化學反應(ying)時間，從而對最終的(de)(de)材料去除率(lv)產生(sheng)影響。

       另外，拋(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)的(de)(de)(de)力學特(te)性(xing)(xing)表(biao)現(xian)出(chu)明顯(xian)的(de)(de)(de)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)特(te)點(dian)，首先，為了保證拋(pao)(pao)(pao)光(guang)液在(zai)接(jie)觸界面的(de)(de)(de)存儲和(he)運輸，大(da)部分拋(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)都含(han)有微孔或者間隙結構。以 IC1000 系列拋(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)為例(li)，其在(zai)制(zhi)備過程中會(hui)填充一(yi)定比例(li)的(de)(de)(de)空心聚合物微球，混合固(gu)化(hua)后(hou)在(zai)內部形成大(da)量(liang)半徑 10~50 μm 的(de)(de)(de)封閉微孔，這種(zhong)多孔結構導(dao)致拋(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)表(biao)現(xian)出(chu)明顯(xian)的(de)(de)(de)材料(liao)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)特(te)點(dian)。并且，由于(yu)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)機械載(zai)荷(he)的(de)(de)(de)作用以及化(hua)學溶劑帶來(lai)的(de)(de)(de)聚氨(an)酯水解現(xian)象(xiang)，拋(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)表(biao)層(ceng)的(de)(de)(de)力學特(te)性(xing)(xing)和(he)基體層(ceng)也(ye)將(jiang)存在(zai)很大(da)差異，同樣會(hui)帶來(lai)顯(xian)著的(de)(de)(de)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)問題(ti)。復(fu)雜的(de)(de)(de)力學特(te)性(xing)(xing)導(dao)致拋(pao)(pao)(pao)光(guang)墊(dian)的(de)(de)(de)微觀(guan)接(jie)觸狀態(tai)變(bian)得更加復(fu)雜。

       (2) 微觀接觸狀態很容(rong)易(yi)受到(dao)拋光過(guo)程(cheng)和修整(zheng)過(guo)程(cheng)的影響(xiang)

       一方面，CMP 的(de)運動特征導致拋(pao)光(guang)墊(dian)粗糙峰(feng)不斷經歷拋(pao)光(guang)載荷(he)以及(ji)剪切力的(de)循環作用，從而誘發粗糙峰(feng)發生塑性流動并趨(qu)于平(ping)面化(hua)，這(zhe)種(zhong)拋(pao)光(guang)墊(dian)表面平(ping)面化(hua)的(de)現象也被稱為釉化(hua)現象，如圖(b)所示。

       另一(yi)方(fang)面，拋光液中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)磨粒很容易(yi)積(ji)累在表面微孔(kong)結構中(zhong)(zhong)，并導致(zhi)材料去除效率(lv)的(de)(de)(de)(de)惡化以(yi)及劃(hua)痕的(de)(de)(de)(de)產生。因此，實際的(de)(de)(de)(de) CMP 過(guo)程中(zhong)(zhong)大多會引入修整(zheng)工(gong)藝來保證加工(gong)質(zhi)量以(yi)及加工(gong)過(guo)程的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定性。

       修整是對拋光(guang)墊(dian)表面進(jin)行(xing)機械加(jia)工(gong)的過程，如圖(c)所示。

       嵌有金剛石顆(ke)粒(li)的(de)修(xiu)整(zheng)盤在一(yi)(yi)(yi)定(ding)的(de)修(xiu)整(zheng)載(zai)荷(he)下劃擦拋(pao)(pao)光(guang)墊(dian)(dian)(dian)表面(mian)，通過(guo)(guo)金剛石顆(ke)粒(li)的(de)切割作(zuo)用，重(zhong)新生(sheng)成具有一(yi)(yi)(yi)定(ding)粗糙度的(de)表面(mian)，如(ru)圖(d)所示。修(xiu)整(zheng)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)直接(jie)決定(ding)拋(pao)(pao)光(guang)墊(dian)(dian)(dian)表面(mian)的(de)微觀(guan)形貌(mao)，從而影響拋(pao)(pao)光(guang)墊(dian)(dian)(dian)/工(gong)件之間的(de)微觀(guan)接(jie)觸狀態。然而修(xiu)整(zheng)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)是(shi)一(yi)(yi)(yi)種隨機(ji)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)，如(ru)何(he)表征隨機(ji)修(xiu)整(zheng)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中的(de)微觀(guan)接(jie)觸特征，是(shi)導(dao)致拋(pao)(pao)光(guang)墊(dian)(dian)(dian)微觀(guan)接(jie)觸狀態研究(jiu)復雜的(de)另外(wai)一(yi)(yi)(yi)個重(zhong)要因素。

       六、CMP面臨的挑戰

       多(duo)(duo)行業的(de)應用(yong)導致(zhi)CMP技術面臨多(duo)(duo)樣(yang)化的(de)材料以及加工(gong)工(gong)藝需求。CMP 技術所面臨的(de)多(duo)(duo)樣(yang)化挑戰包括以下幾(ji)部(bu)分：

       (1)材(cai)料多(duo)樣化挑戰

       CMP 工藝所涉及的材料越來越多，包括玻璃、單晶硅、砷化鎵、碳化硅、氮化(hua)硅、氮化(hua)鎵、硅鍺化(hua)合物、銅、鋁(lv)、鎢、金(jin)、藍寶石、金(jin)剛(gang)石和(he)各種(zhong)陶瓷等。

       根據易磨(mo)(mo)損（Easy to Abrade，簡稱 ETA），難(nan)(nan)磨(mo)(mo)損（Difficult to Abrade，簡稱 DTA）兩(liang)類機(ji)械(xie)特性和易反(fan)應（Easy to React，簡稱 ETR），難(nan)(nan)反(fan)應（Difficult to React，簡稱 DTR）兩(liang)類化學特性，將(jiang)材料分為(wei)以下四(si)個大類：

       (a)ETA–ETR材(cai)料，Cu，Al 這(zhe)種質(zhi)軟、化(hua)學特性活潑(po)的(de)金屬材(cai)料一般屬于這(zhe)一類(lei)，其在(zai) CMP 過程中很容易產生劃痕(hen)以及化(hua)學腐蝕現(xian)象。

       (b)DTA–ETR材料，SiO2等氧化(hua)物阻擋層一(yi)般屬于這(zhe)一(yi)類，雖(sui)然表面(mian)很(hen)難被劃擦，但是(shi)比較(jiao)容(rong)易發生(sheng)化(hua)學反應。

       (c)ETA–DTR材料(liao)，IC領域(yu)中的Low k材料(liao)和 MEMS 領域(yu)中 SU-8 光刻膠就屬于這一類。

       (d)DTA–DTR材料，一(yi)些(xie)新型(xing)的寬禁帶半導體材料如 SiC 和(he) GaN 一(yi)般屬于這一(yi)類(lei)，材料本身比較硬且(qie)有具有很強的化學反應惰(duo)性。

       可見，不(bu)同的(de)(de)材料具有不(bu)同的(de)(de)物理化學特性，而 CMP 技術本身(shen)又是一種依靠(kao)化學和機械協同作用實現材料去除的(de)(de)加工(gong)方(fang)式，材料多樣化的(de)(de)挑戰(zhan)對 CMP 過程中化學和機械協同作用的(de)(de)理解(jie)和控(kong)制(zhi)提出(chu)新的(de)(de)要求。

       (2) 加(jia)工技術指標的多樣(yang)化挑戰

       不(bu)同領域(yu)對CMP 的(de)(de)(de)加工(gong)(gong)(gong)要求和(he)(he)精度指標(biao)有(you)所(suo)差(cha)異(yi)，即使是相同領域(yu)，不(bu)同工(gong)(gong)(gong)藝(yi)路線和(he)(he)流程下(xia)的(de)(de)(de)加工(gong)(gong)(gong)指標(biao)也有(you)所(suo)不(bu)同。多樣化的(de)(de)(de)加工(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)術指標(biao)是 CMP 技(ji)(ji)術面(mian)臨(lin)的(de)(de)(de)另(ling)一(yi)個挑戰。以(yi) IC ;制(zhi)造為例，鰭式場效(xiao)應晶(jing)體(ti)管(guan)（Fin Field-effect Transistor，簡稱(cheng) FinFET）是7nm制(zhi)程下(xia)廣泛使用的(de)(de)(de)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)設計。FinFET 制(zhi)造中(zhong)對 CMP 技(ji)(ji)術提出的(de)(de)(de)技(ji)(ji)術指標(biao)是在 SiN 和(he)(he) SiO2 層(ceng)上實(shi)現 Poly-Si 層(ceng)的(de)(de)(de)選擇(ze)(ze)性去(qu)除，即要求 CMP 在平(ping)坦化過程中(zhong)具有(you)較高(gao)的(de)(de)(de)選擇(ze)(ze)性去(qu)除能(neng)力，滿(man)足(zu) Poly-Si 的(de)(de)(de)高(gao)去(qu)除率又保證作為襯(chen)底材料的(de)(de)(de) SiN，SiO2 不(bu)被去(qu)除。

       而(er)3D-NAND 是一種將存(cun)(cun)儲(chu)單(dan)元在(zai)垂直(zhi)方(fang)向進行堆(dui)(dui)疊(die)從而(er)提高芯片(pian)存(cun)(cun)儲(chu)容量的技術。為(wei)了滿足(zu)存(cun)(cun)儲(chu)單(dan)元在(zai)垂直(zhi)方(fang)向堆(dui)(dui)疊(die)，就需要一些大(da)的溝道(dao)結構(gou)，導致阻擋層和隔離層材料如 SiN，SiO2以及 poly-Si 在(zai)沉積時，出(chu)現明(ming)顯(xian)的高度差，如下圖(a)所示。

       為了保(bao)證全局和(he)(he)局部的(de)(de)(de)平(ping)坦化的(de)(de)(de)要求，就要在一次(ci) CMP 過程中實現SiN，SiO2 以及(ji) Poly Si 這幾(ji)種(zhong)不同材(cai)料的(de)(de)(de)同時(shi)去除，這提出了和(he)(he) FinFET 制造中不同的(de)(de)(de)工藝(yi)需(xu)求。

       另外(wai)，半(ban)導體制造(zao)流程在(zai)(zai)前段制程（Front End of Line）以及后段制程（Back End of Line）中經(jing)常遇到一(yi)些(xie)(xie)高(gao)縱(zong)深比的(de)三(san)維結(jie)(jie)構(gou)。這些(xie)(xie)高(gao)縱(zong)深比的(de)三(san)維結(jie)(jie)構(gou)在(zai)(zai)填充后，很(hen)容易產生(sheng)一(yi)些(xie)(xie)大的(de)臺階高(gao)度，如上圖(b)所示，這些(xie)(xie)高(gao)縱(zong)深比結(jie)(jie)構(gou)的(de)存在(zai)(zai)，則對 CMP 的(de)去除效(xiao)率提出新(xin)的(de)要求(qiu)。

       (3)各(ge)產業未(wei)來發展的挑(tiao)戰

       隨著(zhu)各領域(yu)的發展，各種新(xin)型材(cai)料(liao)會(hui)被不斷的開發出來(lai)，一(yi)些傳統材(cai)料(liao)也(ye)在新(xin)的背(bei)景(jing)需求(qiu)下得到(dao)新(xin)的應用。

       同時，各個領域的(de)(de)不斷的(de)(de)發(fa)展(zhan)又(you)會不斷提出新(xin)的(de)(de)加工(gong)工(gong)藝(yi)指標和(he)(he)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)要求，這就需要 CMP 技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)具有(you)很強的(de)(de)適應能(neng)(neng)力(li)(li)(li)和(he)(he)調控能(neng)(neng)力(li)(li)(li)，能(neng)(neng)夠快速(su)滿足(zu)產業化(hua)(hua)需求。如(ru)何快速(su)開發(fa)針對(dui)特定材料和(he)(he)加工(gong)性能(neng)(neng)要求的(de)(de) CMP 工(gong)藝(yi)，是(shi)(shi)決定未來市場(chang)競爭力(li)(li)(li)和(he)(he)產業化(hua)(hua)速(su)度的(de)(de)關鍵問題之一(yi)，同樣也是(shi)(shi) CMP 技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)面臨的(de)(de)新(xin)的(de)(de)挑戰。

       以IC領(ling)域為例，集成電路正繼續遵循摩爾定律向著更小線寬(kuan)、更多(duo)互連層數、更大晶(jing)圓尺寸的方向發展，對晶(jing)圓平(ping)坦化工藝的平(ping)整度和缺陷控制的要求越(yue)來越(yue)苛刻，可以預見，CMP 技(ji)術(shu)將成為未來 IC 制造的瓶頸之一。

       下表列舉了 IC領域中新的發展趨勢對于 CMP 技(ji)術(shu)的影響。

       對于晶(jing)體(ti)(ti)管來說，為了提(ti)高(gao)晶(jing)體(ti)(ti)管柵(zha)極結(jie)構的電子遷移(yi)率，提(ti)出利用Ge、III-V族(zu)半導體(ti)(ti)和(he)石(shi)墨烯(xi)以及碳納米(mi)管等碳類(lei)材(cai)料作(zuo)為溝(gou)道材(cai)料的 MOSFET 結(jie)構。

       這種新(xin)(xin)型(xing)三(san)維結構(gou)和柵極材料的使用，導致 CMP 技術(shu)的開發(fa)難度急劇增加。對(dui)于互連來說， 隨著互連線寬縮(suo)小(xiao)，互連溝槽深寬比增大，傳(chuan)(chuan)統(tong)的鉭基阻擋層無法實現均(jun)勻(yun)沉(chen)積(ji)，容(rong)易出(chu)現縮(suo)口現象。因此，提出(chu)新(xin)(xin)的銅(tong)/釕（鈷）亞 10nm 結構(gou)來替代傳(chuan)(chuan)統(tong)的銅(tong)/鉭結構(gou)。

       然而，銅、釕之間的電(dian)(dian)化(hua)學(xue)性能差異(yi)極大(da)，如果機械力和化(hua)學(xue)的耦合作用(yong)控制不當，極易導致界面(mian)電(dian)(dian)偶腐蝕，造成(cheng)芯(xin)片(pian)斷路。因此，這種(zhong)新(xin)型結構(gou)的使用(yong)對 CMP 過程中(zhong)機械和化(hua)學(xue)作用(yong)的調(diao)控提出了更(geng)嚴(yan)格的要求。

       七、總結

       可以預見，在未來(lai)幾(ji)年，隨著不(bu)同物理(li)化學響應的(de)(de)拋光材(cai)料(liao)的(de)(de)增加(jia)，再加(jia)上(shang)面(mian)形精(jing)度、表面(mian)粗糙度、材(cai)料(liao)去除(chu)均(jun)勻性、材(cai)料(liao)選擇去除(chu)性等不(bu)同加(jia)工結(jie)果(guo)的(de)(de)要(yao)求(qiu)，CMP技術面(mian)臨越來(lai)越多樣化的(de)(de)挑戰(zhan)。然(ran)而，由于(yu)影(ying)響 CMP 加(jia)工質量和(he)效(xiao)率的(de)(de)因素眾多，且各因素的(de)(de)影(ying)響間(jian)存在復雜的(de)(de)耦合(he)關系，人們(men)依舊需要(yao)提高對 CMP 技術機理(li)的(de)(de)認(ren)知。 

       好了(le)，關于化學(xue)機械(xie)拋(pao)光(guang)CMP的知識就(jiu)介紹到(dao)這(zhe)兒，歡迎各位同學(xue)閱讀《半導體全解》的其它文章！