來源：聚氨酯拋光墊

1 前言

20世紀60年代以前，半導體基片拋光還大都沿用機械拋光，得到的鏡面表面損傷是極其嚴重的。1965年Walsh和Herzog提出SiO2溶膠和凝膠拋光后，以SiO2漿料為代表的化學機械拋光工藝就逐漸代替了以上舊方法。

化學機械拋光（Chemical-mechanical polishing），簡稱CMP，是目前能提供超大規模集成電路（VLSI）制造過程中全面平坦化的一種新技術。用這種方法可以真正使得整個硅圓晶片表面平坦化，而且具有加工方法簡單、加工成本低等優點。

2 CMP技術設備及消耗品

CMP技術所采用的設備及消耗品包括：CMP設備、研漿、拋光墊、后CMP清洗設備、拋光終點檢測及工藝控制設備、研漿分布系統、廢物處理和測量設備等。其中研漿和拋光墊為消耗品，其余為拋光及輔助設備。圖1給出了一種拋光機的簡圖。其基本組成部分是一個轉動著的圓盤和一個圓晶片固定裝置。兩者都可施力于圓晶片并使其旋轉，在含有膠裝二氧化硅懸浮顆粒的氫氧化鉀溶液研漿的幫助下完成拋光，用一個自動研漿添加系統就可以保證拋光墊濕潤程度均勻，適當的送人新研漿及保持其成分不變。

CMP工藝過程中的關鍵要素是研漿、拋光墊和拋光機。CMP研漿的基本形式是由一個SiO2拋光劑和一個堿性組成份水溶液組成的。SiO2顆粒要求范圍為1100nm，堿性組成一般使用KOH、氨或有機胺，PH值為9.511.0。SiO2濃度為1.5%~50%。由于SiO2硬度和硅單晶硬度相似（模式硬度均為7），所以機械磨消作用較少，使機械損傷大大減少。

在CMP設備方面，美國IPEC-Planar公司生產的IPEC372-U、472、672型CMP設備，都是單頭、單板拋光工藝。672-II型有兩個拋光模塊，生產能力4050片/h，四個拋光模塊，生產能力80100片/h。英國Logitech公司推出CP3000CMO設備，可加工0.2032m圓片，從去膠開始全部由機械手操作，使原片受損最小。日本東芝機械公司推出CMS-200型單片式CMP設備，可加工0.1524/0.2032m圓片，生產能力20片/h，加壓具有自動分級功能，在拋光同時會自動清洗，甩干。

拋光墊一般是聚氨酯等聚合物類材料。

3 化學機械拋光機理

已有的研究表明，化學機械拋光過程是化學作用、磨削作用及吸附效應同時作用的過程。下面將以硅晶片的化學機械拋光工藝為例具體闡述。

CMP研漿中的納米SiO2粉末所形成的膠團結構為：

又因為有KOH的存在，膠團中的異電離子H+，會被OH-所中和：

因此，膠團中的H+的位置會被K+所代替。所以，實際上的SiO2研漿中的膠團結構為：

化學腐蝕是此種拋光液對硅片拋光的第一步，其所腐蝕作用是由于堿性的研漿和硅片接觸，發生下列化學反應

而SiO2極易按下式水解：

水解產物H2SiO2,能部分聚合成多硅酸，同時另一部分H2SiO2電離生成SiO22-離子i，結果形成如下結構的一半硅酸膠體，覆蓋在硅片表面上：

這種覆蓋在硅片表面上的膠體，如不及時除去，則將影響

（1）式繼續進行化學腐蝕作用。

由（a）（b）兩式可看出，這兩種膠核相同，而兩膠粒帶有不同數量的凈剩負電荷，即膠粒中異電離子數目不同，這是由于兩膠粒中的異電離子半徑

因此膠核[SiO2] m對此二異電離子的引力將是

。同時也因為異電離子的體積不同，相同膠核表面積上能容納的異電離子數目也應是。所以膠粒的緊密層中K-與H+的數目必然是：

（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）膠粒凈剩負電荷數2x-。

拋光機在高速拋光過程中，由于轉動與摩擦作用，膠粒間也隨之高速相對運動，能可能完全脫離其各自的分三層，這兩種帶不同數量凈剩負電荷的膠粒，一方面在拋光機轉動的帶動下相對動能增大，同時在拋光壓力作用下，使兩種膠粒間距離也大大縮短，結果兩種膠粒間引力加劇。另外，此時兩種膠粒間電荷也將相互影響（可視互為外電場），皆欲維持本膠粒電中性穩定平衡，將有互相吸引爭奪對方正電荷的趨勢。此時（a）膠粒所帶凈剩負電荷較（b）膠粒多，其吸引正電荷的力將大于（b）膠粒，但仍不可能將（b）膠粒緊密層中的正電荷拉下來，結果因（b）膠粒與硅片表面間的一般吸附力小于靜電引力，則質量大，凈剩負電荷多的（a）膠粒，將（b）膠粒從硅片表面上吸下來或減弱了（b）膠粒與硅片間的吸附力，再配合與拋光墊和研磨粒的摩擦，對突出表面產生機械作用，則使突出表面的（b）膠粒脫離硅片進入溶液中，暴露出新鮮金屬表面，再繼續與堿作用進行化學腐蝕。這種化學作用、吸附效應與機械作用的不斷反復，使突出表面得以磨平。圖2為硅片，研漿和拋光墊系統的示意圖。

4 拋光片的檢測及影響拋光片質量的因素

拋光片的檢測項目主要有：平整度、表面缺陷及損傷情況。

平整度

拋光片的平整度一般用平整度測試儀測試。影響平整度的因素主要有：拋光片變形、盆形凹坑等。

使硅片變形的因素較多，除硅片切磨后的本身彎曲外，有的是由于硅片兩面損傷層嚴重差異引起。解決這個問題的最好辦法是在拋光前對硅片進行化學腐蝕。這樣猶豫硅片兩面的損傷層都去除，拋光后不致使晶片彎曲。

表面缺陷

拋光片的表面宏觀缺陷較多，一般有劃道、蝕坑、波紋、桔皮、麻點、霧狀等。

產生劃道的原因主要是拋光液中混入了比二氧化硅顆粒大得多的顆粒物，因此拋光的環境以及拋光機、拋光液的清潔度尤為重要。蝕坑與波紋產生的原因主要是拋光時腐蝕速率大于磨削速率之故，如研漿pH值過高，解決這一問題只要稍降低研漿的pH值就可以了。產生桔皮的原因主要是拋光時磨削速率大于腐蝕速率之故，只要稍增加研漿中的pH值就可以了。在日光燈下就能看的麻點實際上是磨片后留下來的砂坑，關鍵是拋光時間太短，沒有除去一定厚度之故，而另一種只能在聚光燈下才能發現的亮點是猶豫拋光至清洗間硅片脫水，使得一些微小的雜物吸附在表面之故，最佳的辦法是在拋光后用熱去離子水取片，然后馬上清洗，就可消除此類亮點。拋光片表面的霧狀可以用軟的拋光墊拋光來解決。

表面損傷

二氧化硅技術本身能引入輕微的損傷，解決辦法有兩種，一是降低二氧化硅粒度，另一種是在拋光后用HNO：HF：HAC=50：1：20（體積比）的腐蝕液在冰點對拋光片進行剝離，剝離厚度1~2pm。

5 CMP技術在半導體工業中的作用

在半導體工業中，CMP最早應于集成電路（IC）制造用基材硅的粗拋和精拋，大大提高了硅片的拋光精度和拋光速度，從而極大地提高了硅片拋光的質量和生產效率，降低了生產成本。在IC加工中CMP技術的使用是非常頻繁的，如用于前道加工工藝，生產元器件；后道加工工藝，用于生產通路、通道、平坦化層間介電膜和封裝等等。

近幾年來，CMP技術已有一些新的應用領域：平面顯示器、微電機系統、多晶片模組等等。CMP也可用于生產其他類似半導體生產工藝生產的電子結構，如傳感器、檢測器和光導攝像管的表面加工。

6 CMP技術的發展趨勢

隨著計算機通信及網絡技術的高速發展，對作為其基礎的集成電路的性能要求愈來愈高，集成電路芯片增大而單個晶體管元件減小及多層集成電路芯片是發展的必然趨勢。這對CMP技術提出了更高的要求。

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、精密閥門、光學玻璃、金屬材料等表面加工領域不斷得到重視和應用。

目前，對CMP技術的了解還在定性的階段，人們還缺少有關定量方面的只是。因此，定量確定最佳CMP工藝，系統的研究CMP工藝過程參數，建立完善的CMP理論模型，滿足各種超大型集成電路生產對CMP工藝的不同需求，是研究CMP技術的重大課題。

審核編輯：湯梓紅