燕 禾,吳春蕾,唐旭福,段先健,王躍林

1.廣州匯富研究院有限公司，廣東 廣州，510663；2.湖北匯富納米材料股份有限公司，湖北 宜昌，443007

化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術(shù)被譽(yù)為是當(dāng)今時(shí)代能實(shí)現(xiàn)集成電路（IC）制造中晶圓表面全局平坦化的目前唯一技術(shù)，化學(xué)機(jī)械拋光的效果直接影響到芯片最終的質(zhì)量和成品率．化學(xué)機(jī)械拋光的概念由Walsh［1］等人于1965年提出，最早是用于制造高質(zhì)量的玻璃表面，如軍用望遠(yuǎn)鏡等．1986年，IBM公司首次將該技術(shù)應(yīng)用于金屬機(jī)械拋光工藝中．隨著IC制造技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷推進(jìn)及低介電常數(shù)（low-k）材料［2-3］的引入，傳統(tǒng)的CMP工藝由于拋光壓力較高會(huì)破壞low-k介質(zhì)材料，因此CMP工藝開始朝著低壓力、低磨料［4-5］的方向發(fā)展，并成功地應(yīng)用到IC制造工藝中，逐漸成長為IC制造過程中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，特別是當(dāng)IC制造技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展到14 nm及以下時(shí)CMP已成為實(shí)現(xiàn)最新的鰭式場效應(yīng)晶體管（Fin FET）和硅通孔（TSV）的最核心的技術(shù)．在技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，CMP全球市場規(guī)模也得到了快速提升，2018年全球CMP市場約42.91億美元，預(yù)計(jì)到2026年全球市場規(guī)模可以達(dá)到71.6億美元．介紹了CMP系統(tǒng)的組成和工作原理，對拋光設(shè)備、拋光液、拋光墊的構(gòu)成及主要作用和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，對CMP技術(shù)未來的重點(diǎn)發(fā)展方向進(jìn)行了展望．

1 CMP系統(tǒng)組成和工作原理

與傳統(tǒng)的純機(jī)械拋光和純化學(xué)拋光的工藝相比，CMP有效的結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，避免了由單純機(jī)械拋光造成的表面損傷及單純化學(xué)拋光造成的拋光速率低、表面平整度低和一致性差的缺點(diǎn)．CMP系統(tǒng)主要由拋光設(shè)備、拋光液和拋光墊三個(gè)部分組成，其工作原理如圖1所示．

圖1 CMP工作原理示意圖Fig.1 The operating principle diagram of CMP

在CMP工作過程中，待拋光材料被固定在拋光頭上，通過對拋光頭施加一定壓力使其與拋光墊充分接觸，拋光頭和拋光盤在電機(jī)帶動(dòng)下以一定速度和方向旋轉(zhuǎn)，拋光液通過拋光機(jī)的加液系統(tǒng)以一定流量滴加到拋光墊，在離心力的作用下均勻分布到整個(gè)拋光墊上，CMP用的拋光液中的化學(xué)試劑將使被拋光基底材料氧化，生成一層較軟的氧化膜層，然后再通過機(jī)械摩擦作用去除氧化膜層，這樣通過反復(fù)的氧化成膜-機(jī)械去除過程，從而達(dá)到了有效拋光的目的，其反應(yīng)原理示意圖如圖2所示．在完成拋光過程后，由于拋光液等的殘留，往往還需要對被拋光工件進(jìn)行后清洗處理，最終制備出具有超精密表面的材料．

圖2 CMP反應(yīng)原理示意圖Fig.2 The reaction principle diagram of CMP

2 拋光設(shè)備

CMP設(shè)備是一種集機(jī)械學(xué)、流體力學(xué)、材料化學(xué)、精細(xì)化工、控制軟件等多領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)于一體的設(shè)備，是IC制造設(shè)備中較為復(fù)雜和研制難度較大的設(shè)備之一［6］．高性能的CMP設(shè)備是實(shí)現(xiàn)高效、高精度和高表面質(zhì)量的關(guān)鍵，也是研究CMP技術(shù)所必須的硬件基礎(chǔ)［7］．

現(xiàn)有的CMP設(shè)備主要有旋轉(zhuǎn)型、軌道式和直線式三種基本類型．旋轉(zhuǎn)型拋光機(jī)具有很高的拋光線速度，可單個(gè)或者多個(gè)拋光頭同時(shí)進(jìn)行加工，生產(chǎn)效率較高，但缺點(diǎn)是被拋光工件上任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相對簡單，拋光過程中存在不同點(diǎn)間拋光線速度相差較大的情況．軌道式拋光機(jī)是在旋轉(zhuǎn)式的基礎(chǔ)上增加了拋光頭的軌道運(yùn)動(dòng)，拋光頭可以沿直線或者弧線擺動(dòng)，從而解決了旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)軌跡簡單的缺點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)工件的表面平坦化．直線式拋光機(jī)采用傳送帶式設(shè)計(jì)替代傳統(tǒng)的拋光盤，通過電機(jī)帶動(dòng)拋光墊，實(shí)現(xiàn)了拋光頭相對拋光墊的直線運(yùn)動(dòng)，該設(shè)計(jì)可以消除拋光平面內(nèi)不同點(diǎn)線速度差異引起的均勻性問題，能精確控制拋光加載壓力及有效的減少拋光液的使用量．圖3為不同類型拋光機(jī)的示意圖．

圖3 不同類型的CMP設(shè)備（a）旋轉(zhuǎn)式；（b）軌道式；（c）直線式Fig.3 Different kinds of CMP equipment（a）rotation type；（b）rail type；（c）linear type

在CMP設(shè)備的研發(fā)方面，國外相關(guān)機(jī)構(gòu)處于大幅領(lǐng)先的地位，我國90%的高端CMP設(shè)備都依賴進(jìn)口，全球CMP設(shè)備的供應(yīng)商主要有Applied Materials（美國應(yīng)用材料）、Ebara Technologies（日本荏原）和Accretech（東京精密）．國內(nèi)CMP設(shè)備的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)有天津華海清科和中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所等．國產(chǎn)CMP設(shè)備目前主要為中低端（用于直徑200 mm及以下晶圓）產(chǎn)品，這類設(shè)備的技術(shù)已比較成熟，正在逐步完成進(jìn)口產(chǎn)品的替代化．國產(chǎn)的高端（用于直徑300 mm晶圓）的拋光CMP設(shè)備仍處于產(chǎn)品驗(yàn)證階段，其市場占有率較低．華海清科和中電45所自主研發(fā)的300 mm晶圓拋光CMP設(shè)備已通過中芯國際、上海華力等企業(yè)的產(chǎn)品驗(yàn)證并相繼投入使用，填補(bǔ)了國內(nèi)高端市場的空白，為CMP設(shè)備國產(chǎn)化替代做出了重要貢獻(xiàn)．

目前國際龍頭企業(yè)已經(jīng)基本停止了中低端CMP設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)，現(xiàn)主要致力于半導(dǎo)體芯片新制程的研究工作，5 nm制程的半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)線已經(jīng)成功建立．隨著300 mm晶圓的CMP設(shè)備技術(shù)的成熟化，450 mm設(shè)備研發(fā)早已提上日程，然而建立450 mm設(shè)備生產(chǎn)線需要巨額的資金投入，新一代CMP設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用被推遲，這為縮小國內(nèi)CMP設(shè)備技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)的差距提供了緩沖時(shí)間．

3 拋光液

拋光液是影響化學(xué)機(jī)械拋光質(zhì)量和拋光效率的關(guān)鍵因素，一般通過測定材料去除率（MRR）和表面粗糙度（Ra）的方法來評價(jià)拋光液性能優(yōu)良程度．拋光液的組分一般包括磨粒、氧化劑和其它添加劑．添加劑一般包括絡(luò)合劑、螯合劑、緩蝕劑、表面活性劑，以及p H調(diào)節(jié)劑等．通常根據(jù)被拋光材料的物理化學(xué)性質(zhì)及對拋光性能的要求，來選擇所需的成分配置拋光液．

3.1 磨粒

磨粒是拋光液最主要的組成部分，磨粒在拋光過程中通過微切削、微擦劃、滾壓等方式作用于被加工材料表面，達(dá)到機(jī)械去除材料的作用，其作用原理如圖4所示［8］．

圖4 磨料機(jī)械去除原理示意圖Fig.4 The mechanical removal principle diagram of abra?sive particles

3.1.1 單一磨料拋光液

化學(xué)機(jī)械拋光液在研究初期大多是使用單一磨粒，如三氧化二鋁（Al2O3）、二氧化硅（SiO2）、二氧化鈰（CeO2）、二氧化鋯（ZrO2）和金剛石微粒等，其中研究及應(yīng)用最多的是Al2O3，SiO2和CeO2這三種磨粒，三種粒子的透射電鏡圖如圖5所示［8］．

圖5 三種常用磨粒透射電鏡圖（a）SiO 2磨粒；（b）Al2O 3磨粒；（c）CeO2磨粒Fig.5 T he TEM pictures of three types of abrasive particles（a）SiO2；（b）Al2O3；（c）CeO2

Al2O3的硬度高，多用于光學(xué)玻璃、晶體和合金材料的拋光，但含Al2O3的拋光液具有選擇性低、分散穩(wěn)定性不好、易團(tuán)聚的問題，容易在拋光表面造成嚴(yán)重劃傷，一般需要配合各種添加劑使用才能獲得良好的拋光表面．王新澤等人［9］研究出一種含質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%、平均粒徑30 nm的Al2O3磨料，以1%的H2O2及蘋果酸作為添加劑的拋光液，該拋光液中蘋果酸同時(shí)起到了絡(luò)合劑和pH調(diào)節(jié)劑的作用，在經(jīng)過去質(zhì)子化處理后還能增強(qiáng)拋光液的穩(wěn)定性，該拋光液用于鎳金屬的拋光，拋光后的鎳金屬表面粗糙度能達(dá)到0.869 nm．宋曉嵐等人［10］將異丙醇胺作為分散劑，加入到含6%和粒徑為20 nm的γ-Al2O3漿料中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)異丙醇胺含量為Al2O3粉體質(zhì)量的1%，且pH值在4左右時(shí)，Zeta電位約為40 mV，可以獲得長時(shí)間穩(wěn)定的漿料．劉林林［11］將硝酸鋁加入到Al2O3拋光液中發(fā)現(xiàn)，硝酸鋁p H調(diào)節(jié)的效果遠(yuǎn)優(yōu)于硝酸，質(zhì)量添加量0.1%~1.0%的條件下即可維持p H偏移量在10%以內(nèi)，且反應(yīng)后一段時(shí)間內(nèi)pH能恢復(fù)至原本狀態(tài)．

SiO2具有良好的穩(wěn)定性和分散性，不會(huì)引入金屬陽離子污染，其硬度與單質(zhì)硅接近，對基底材料造成的刮傷、劃痕較少，適合用于軟金屬、硅等材料的拋光，是應(yīng)用最廣泛的拋光液，但其材料去除率相對較低．張楷亮［12］研究了硅溶膠粒徑大小對硅片拋光效果的影響發(fā)現(xiàn)：隨著粒徑增大MRR先增大后減小，而Ra先減小后增大．分析認(rèn)為：當(dāng)粒徑較?。?0 nm）時(shí)，化學(xué)腐蝕起主導(dǎo)作用；隨著粒徑的增大機(jī)械作用被加強(qiáng)，達(dá)到一定粒徑（75 nm）時(shí)化學(xué)作用與機(jī)械作用達(dá)到平衡，此時(shí)的MRR及Ra均達(dá)到最優(yōu)值；隨著粒徑繼續(xù)增大至100 nm時(shí)，機(jī)械作用超過化學(xué)作用，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)局部劃傷，降低了拋光質(zhì)量．蔡榮［13］通過研究發(fā)現(xiàn)，粒徑為40 nm左右且具有異形結(jié)構(gòu)的SiO2磨粒比粒徑60 nm左右的圓形SiO2磨粒表現(xiàn)出更高的MRR和更低的Ra．分析認(rèn)為，異形結(jié)構(gòu)相對球形結(jié)構(gòu)在同樣的加載壓力下與基底的接觸應(yīng)力更大，異形結(jié)構(gòu)與基底材料表面為雙點(diǎn)接觸，相比球形結(jié)構(gòu)的單點(diǎn)接觸起到了提高材料去除率的作用，同時(shí)較小的粒徑仍能保持拋光后材料表面粗糙度較小，磨粒結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示．于志堅(jiān)［14］研發(fā)出一種組成非常簡單的酸性銅拋光液配方，其只含有質(zhì)量份數(shù)為6%的20 nm硅溶膠、6%的過氧化氫、0.8%的殼寡糖和去離子水，其中殼寡糖同時(shí)起到了絡(luò)合劑、緩蝕劑、表面活性劑和p H調(diào)節(jié)劑的作用，在最優(yōu)工藝條件下最終得到Ra=0.444 nm的銅表面．

圖6 硅溶膠磨粒（a）40 nm，異形結(jié)構(gòu)；（b）60 nm，球形結(jié)構(gòu)；（c）90 nm，球形結(jié)構(gòu)Fig.6 Silica sol abrasive particles（a）40 nm，special-shaped structure；（b）60 nm，spherical structure；（c）90 nm，spherical structure

CeO2具有較為適中的硬度，由于Ce元素具有多種價(jià)態(tài)且不同價(jià)態(tài)間易轉(zhuǎn)化，容易將玻璃表面物質(zhì)氧化或絡(luò)合，因此CeO2被廣泛應(yīng)用于手機(jī)屏幕、光學(xué)玻璃、液晶顯示器和硬盤等產(chǎn)品的化學(xué)機(jī)械拋光中．但是Ce為稀土元素，且現(xiàn)有加工工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)出的CeO2磨粒的粒徑分布不均勻，而導(dǎo)致CeO2拋光液的使用成本較高，限制了CeO2拋光液的發(fā)展應(yīng)用．王婕［15］采用液相法制備納米CeO2粉體，在不同溫度（400~800℃）下熱處理2 h后將其分散于去離子水中，獲得平均粒徑在300~600 nm的拋光液．同時(shí)發(fā)現(xiàn)：熱處理的溫度越低，獲得的拋光液中磨粒的平均粒徑越小，磨粒的分散性相對越好；熱處理溫度為400℃時(shí)所得拋光液平均粒徑為349 nm，粒徑分布范圍較寬，Zeta電位為?59.7 mV，拋光液較為穩(wěn)定．夏超等人［16］發(fā)明了一種僅含2.5%的中位粒徑為200~300 nm的CeO2和3%的聚丙烯酸鈉及余量為去離子水的拋光液，將其用于硅片的化學(xué)機(jī)械拋光，在pH=10的條件下MRR能達(dá)到1100 nm/min，拋光后的硅片Ra在1 nm以下，該拋光液利用CeO2中的四價(jià)Ce本身具有氧化性的特點(diǎn)，省去額外氧化劑的添加使用，可以有效的降低拋光液的成本，避免氧化劑帶來的環(huán)境污染等問題．謝圣中等人［17］研究了p H值對CeO2分散液穩(wěn)定性的影響并發(fā)現(xiàn)：在pH小于4或pH大于9時(shí)，分散液的Zeta電位絕對值均高于30 mV；微量的焦磷酸鈉（SPP）及檸檬酸（LA）作為添加劑，可以顯著提高分散液的Zeta電位絕對值（大于50 mV），但LA由于自身分解的原因提升效果不穩(wěn)定．圖7為不同添加劑濃度對CeO2分散液Zeta電位及平均粒徑的影響圖．

圖7 不同類型添加劑濃度對CeO2分散液Zeta電位及平均粒徑的影響Fig.7 Effects of different additive concentrations on Zeta potential and average particle size of CeO 2 dispersion

3.1.2 混合磨料拋光液

隨著研究的深入，單一磨粒已無法滿足使用需求，研究人員開始嘗試將不同粒徑、不同形貌的一種或多種粒子組合到一起使用，獲得了大量的研究成果．

汪亞軍等人［18］通過將硅酸鈉緩慢滴加到氧化鋁?檸檬酸懸浮液中的方法制備出Al2O3/SiO2混合磨粒，研究了檸檬酸?硅酸鈉含量等因素對SiO2包覆Al2O3效果的影響．然后在Al2O3/SiO2混合磨粒的基礎(chǔ)上制備出Al2O3/SiO2/介孔SiO2混合磨粒，用于K 9光學(xué)玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)發(fā)現(xiàn)，與純Al2O3和純SiO2磨粒相比，混合磨粒能表現(xiàn)出更高的MRR和更低的Ra．Lee等人［19］將不同粒徑（30，70 nm）的SiO2按照不同比例混合制備出堿性拋光液，將其用于氧化硅薄膜的化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比w（D30）∶w（D70）=2∶1時(shí)混合磨粒的MRR最大．此外，Lee等人［20］還將不同形貌（球形和非球形）的SiO2混合，用于氧化硅薄膜的化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)發(fā)現(xiàn)，以一定比例混合后的磨粒拋光速率明顯優(yōu)于單一SiO2磨粒，但拋光后的表面粗糙度略有下降．汪海波等人［21］將粒徑相差較大的兩種硅溶膠按照一定比例混合，進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在大粒徑硅溶膠中加入小粒徑的硅溶膠能明顯提高拋光速率，且粒徑相差越大提升率越高，分析認(rèn)為在磨?？偟馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的條件下，增大小粒徑磨粒的占比能增加硅溶膠顆粒的總體數(shù)量，從而起到了提高拋光速率的作用．

大量的研究成果表明，混合粒子的使用能夠不同程度的提高化學(xué)機(jī)械拋光的速率，但是對拋光后表面粗糙度的影響有好有壞．迄今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)不同粒徑、不同形貌及不同種類磨?；旌鲜褂脤伖饨Y(jié)果的影響規(guī)律，針對混合磨粒的研究工作仍需要進(jìn)一步推進(jìn)．

3.1.3 復(fù)合磨料拋光液

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不同學(xué)科之間的交叉應(yīng)用，各種新興的材料制備方法被用來制備復(fù)合磨粒，常用的方法有納米粒子包覆和摻雜等．

Jaehoon Ryu等人［22］采用快速冷卻的方法，制備出一種表面帶有均勻褶皺的納米SiO2顆粒（WSNs）．該方法能將成核階段和生長階段分開，制備出的納米粒子具有優(yōu)良的分散性（圖8），且粒徑可以根據(jù)反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度人為的控制，該方法制備出的WSNs粒子相比同等粒徑的氣相SiO2和硅溶膠能表現(xiàn)出更好的MRR和Ra．張磊等人［23］通過在聚苯乙烯（PS）膠體中水解正硅酸乙酯（TEOS）的方法，制備出氧化硅包覆PS復(fù)合磨粒（SiO2@PS），并配置成堿性拋光液后用于銅的化學(xué)機(jī)械拋光．與大粒徑的硅溶膠相比，在拋光液其它組分和工藝參數(shù)相同的情況下，SiO2@PS對銅的拋光速率略高于硅溶膠，SiO2@PS拋光后銅表面RMS值為0.58 nm，而硅溶膠拋光后銅表面RMS值為1.95 nm，拋光效果提升顯著．

圖8 WSNs的T EM圖（a）和SEM圖（b）及不同方法制備出的粒子粒徑分布圖（c）Fig.8 The TEM picture（a）and SEM picture（b）of WSNs，and particle size distribution graph（c）prepared by different methods

復(fù)合磨粒相比混合磨粒和單一磨粒，在材料去除率及表面粗糙度方面均有明顯的優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)或亞納米級(jí)超低損傷的表面形貌．但復(fù)合磨粒的制備工藝相對比較復(fù)雜，目前僅處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，距離復(fù)合磨粒在大規(guī)模生產(chǎn)上的應(yīng)用還有較遠(yuǎn)的距離．

3.2 氧化劑

在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，氧化劑的作用是將被拋光工件表面的材料氧化，生成一層質(zhì)地較軟且與基底結(jié)合力較弱的氧化膜，然后通過磨粒的機(jī)械去除作用將氧化膜層去除，以達(dá)到拋光的目的．氧化劑的種類決定了氧化膜生成的速率及氧化膜去除的難易程度，對拋光速率以及拋光效果有顯著的影響．

朱玉廣等人［24］研究堿性拋光液中H2O2濃度對鋁合金CMP效果的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)H2O2濃度較低時(shí)，隨著濃度的升高鋁合金表面生成Al2O3和Al（OH）3膜層，其中―OH可以溶解Al（OH）3膜層，使得Al2O3膜層變得疏松多孔，有利于磨粒的機(jī)械去除過程；隨著H2O2濃度繼續(xù)升高，生成的Al2O3膜層變得致密且厚度增大，形成了鈍化層，而磨料的機(jī)械去除作用難以除去鈍化層，導(dǎo)致了MRR減小和Ra增大．張金等人［25］的研究成果表明：氧化劑濃度較低時(shí)，機(jī)械研磨過程起主導(dǎo)作用；當(dāng)氧化劑濃度達(dá)到一定值時(shí)，氧化腐蝕過程與機(jī)械研磨過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)的MRR達(dá)到最大值；隨著氧化劑濃度繼續(xù)增加，一方面是氧化膜生成速率大于去除速率，氧化膜層朝著致密化和厚度增大的方向發(fā)展，另一方面多余的氧化劑也會(huì)降低拋光液的穩(wěn)定性，這些因素都導(dǎo)致了MRR減小．倪自豐等人［26］研究了不同p H值及不同氧化劑對SiO2磨粒拋光SiC晶片的影響結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)：KMnO4作為氧化劑時(shí)，拋光液在弱酸性（pH=6）條件下MRR達(dá)到最大值；H2O2作為氧化劑時(shí)，拋光液在弱堿性（pH=8）條件下MRR達(dá)到最大值．董柏先［27］研究了多種氧化劑對CVD金剛石膜化學(xué)機(jī)械拋光的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，含有高錳酸鉀、重鉻酸鉀和高鐵酸鉀等氧化劑的拋光液，其表現(xiàn)出更高的材料去除率．

針對不銹鋼、銅及銅合金、鈦合金等金屬材料的化學(xué)機(jī)械拋光，初期研究階段拋光液中大多采用具有強(qiáng)氧化性的氧化劑，一般都包括重金屬離子，對實(shí)驗(yàn)人員及當(dāng)?shù)丨h(huán)境有危害作用．隨著當(dāng)今社會(huì)環(huán)保意識(shí)的逐步提高，開發(fā)新型綠色環(huán)保拋光液是必然的趨勢．H2O2作為一種綠色環(huán)保的氧化劑已經(jīng)被廣泛采納，但是H2O2僅在強(qiáng)酸性體系中穩(wěn)定性較好，堿性體系中穩(wěn)定性較差，且自身有自分解現(xiàn)象，導(dǎo)致了含H2O2的堿性拋光液不能長時(shí)間穩(wěn)定存在．因此，采取合適的方法提高H2O2在堿性體系中的穩(wěn)定性是目前亟待解決的問題．

3.3 其它添加劑

拋光液中磨粒、氧化劑和去離子水的含量一般占整個(gè)拋光液質(zhì)量的99%以上，雖然添加劑含量較少，但是能顯著的改善拋光液的性能．常用的添加劑包括絡(luò)合劑（螯合劑）、緩蝕劑、pH調(diào)節(jié)劑和表面活性劑．

劉蘋［28］研究了乙二胺四乙酸（EDTA）、三乙醇胺、乙胺、乙二胺、尿素、羥基亞乙基二膦酸（HEDP）、氨基三甲叉膦酸（ATMP）、二乙三胺五乙酸這八種絡(luò)合劑對金屬銅化學(xué)機(jī)械拋光的影響結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有乙二胺可得到較高的MRR．河北工業(yè)大學(xué)微電子研究所［29-33］自主研發(fā)的FA/O系列螯合劑已完成工業(yè)化生產(chǎn)，F(xiàn)A/O螯合劑屬于多羥基多胺基大分子化合物，具有4個(gè)胺基、16個(gè)羥基和13個(gè)以上的螯合環(huán)，對Cu2+等金屬離子及CMP過程中產(chǎn)生的微溶性氧化產(chǎn)物具有優(yōu)良的螯合效果，可以有效的提高M(jìn)RR，其分子結(jié)構(gòu)如圖9所示．

圖9 FA/OⅡ型大分子螯合劑結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structural representation of FA/OⅡmacromolecular chelating agent

苯丙三氮唑（BTA）是銅化學(xué)機(jī)械拋光工藝中最常用的緩蝕劑之一．Byoung-Jun Cho等人［34］研究了BTA在銅化學(xué)機(jī)械拋光過程中的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)pH值在4~10的范圍內(nèi)銅表面會(huì)形成穩(wěn)定的Cu-BTA絡(luò)合物．欒曉東［35］研究發(fā)現(xiàn)，BTA可以大幅減緩銅拋光過程中的腐蝕現(xiàn)象，但在銅表面形成的Cu-BTA膜需要較大的機(jī)械力才能去除，導(dǎo)致了銅的CMP后清洗較為困難，不利于后續(xù)工藝．Zhou等人［36］發(fā)現(xiàn)，肌氨酸能與Cu2+形成水溶性的復(fù)合物，部分吸附在銅的表面，肌氨酸與甘氨酸搭配使用時(shí)可作為緩蝕劑有效減少銅的表面腐蝕程度，與BTA相比Cu?肌氨酸復(fù)合物更容易在銅CMP后清洗工藝中被去除．

拋光液分為酸性和堿性兩類．酸性拋光液最早由化學(xué)腐蝕液改進(jìn)而來，具有溶解性強(qiáng)、氧化劑選擇范圍大、拋光效率高等優(yōu)點(diǎn)，常用于金屬材料的CMP工藝．堿性拋光液具有選擇性高、腐蝕性弱等優(yōu)點(diǎn)，常用于非金屬材料的CMP工藝．拋光液的酸堿度由p H調(diào)節(jié)劑來進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的p H調(diào)節(jié)劑一般選擇KOH，NaOH和HCl，HNO3等，但其中的Na+，K+，Cl?及NO3?會(huì)造成芯片性能下降［37］，甚至失效等問題．因此，越來越多的研究者選擇有機(jī)酸或有機(jī)堿來作為p H調(diào)節(jié)劑．Yao等人［38］選擇四乙基氫氧化銨（TEAH）替代KOH作為弱堿性銅拋光液的pH調(diào)節(jié)劑，發(fā)現(xiàn)TEAH能有效提高拋光液的穩(wěn)定性．楊金波等人［39］研究了有機(jī)和無機(jī)pH調(diào)節(jié)劑對硅片CMP的影響，發(fā)現(xiàn)相同pH條件下，采用有機(jī)堿作為調(diào)節(jié)劑時(shí)的拋光速率要明顯高于無機(jī)堿作為調(diào)節(jié)劑時(shí)的拋光速率．

表面活性劑的作用是改善拋光液的分散穩(wěn)定性，還可以起到降低拋光液表面張力的作用，有利于拋光液快速潤濕被拋光的工件表面及CMP工藝拋光后清洗流程的進(jìn)行．李炎等人［40］發(fā)現(xiàn)，多元胺醇型非離子表面活性劑能大幅降低拋光液的表面張力，同時(shí)也會(huì)小幅降低拋光液的黏度，通過控制該類活性劑的添加量可以在不影響拋光速率的條件下有效的避免磨粒導(dǎo)致的劃傷，降低表面粗糙度．Xu等人［41］向含有BTA的銅拋光液中加入脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO），發(fā)現(xiàn)AEO可以吸附在磨粒和銅的表面，減少了磨粒對銅表面的劃傷，提高了拋光選擇性，對提高拋光后銅表面的均勻性和提高表面質(zhì)量有促進(jìn)作用．

拋光液作為CMP工藝中最為重要的一個(gè)部分，對IC制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，現(xiàn)有的拋光液研究方向已經(jīng)在朝著弱堿性、綠色環(huán)保、一劑多用以及復(fù)配協(xié)同［42］等方向發(fā)展，研發(fā)出一種對設(shè)備、人員、環(huán)境友好，成分較為簡單、容易維護(hù)，拋光效率與質(zhì)量良好的拋光液是今后科研工作者的努力方向．

4 拋光墊

在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，拋光墊的作用主要有：存儲(chǔ)拋光液及輸送拋光液至拋光區(qū)域，使拋光持續(xù)均勻的進(jìn)行；傳遞材料，去除所需的機(jī)械載荷；將拋光過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物（氧化產(chǎn)物、拋光碎屑等）帶出拋光區(qū)域；形成一定厚度的拋光液層，提供拋光過程中化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械去除發(fā)生的場所．

拋光墊的合理選擇對于控制和優(yōu)化CMP過程有重要作用，拋光墊根據(jù)材料可以分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩類［43］．硬質(zhì)拋光墊可以較好的保證工件表面的平面度，軟質(zhì)拋光墊可以獲得表面損傷層薄和表面粗糙度低的拋光表面．常用的硬質(zhì)拋光墊有粗布?jí)|、纖維織物墊、聚乙烯墊等，軟質(zhì)拋光墊有聚氨酯墊、細(xì)毛氈墊、絨毛布?jí)|等．拋光墊在使用前的微觀表面是相當(dāng)不平整的，表面分布大量的不規(guī)則微孔，隨著CMP過程的進(jìn)行，拋光墊的物理及化學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化，具體包括表面殘留物質(zhì)、微孔體積縮小和數(shù)量減少、表面粗糙度降低及表面分子重組而形成釉化層［44］，這些都會(huì)導(dǎo)致拋光效率和拋光質(zhì)量的降低．因此，拋光墊每經(jīng)過一段時(shí)間的使用后都需要進(jìn)行修整，以恢復(fù)拋光墊原有的性能．改進(jìn)拋光墊材料、延長拋光墊的使用壽命、減少拋光墊修整加工時(shí)的損耗，是當(dāng)前拋光墊研究的主要內(nèi)容及方向．

5 結(jié)語

介紹了化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對CMP工藝中各重要組成部分的作用原理和發(fā)展趨勢作了展望．CMP作為大尺寸晶圓表面全局平坦化的不可取代關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)IC制造業(yè)技術(shù)革新的關(guān)鍵點(diǎn)之一．我國半導(dǎo)體行業(yè)起步較晚，在國家政策的扶持下CMP中低端領(lǐng)域中已基本完成了國外技術(shù)和產(chǎn)品的國產(chǎn)替代，但在高端設(shè)備、前沿技術(shù)領(lǐng)域中與國際巨頭仍有較大的差距．繼續(xù)深入研究CMP技術(shù)，產(chǎn)出帶有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵材料、設(shè)備或工藝，不僅可以促進(jìn)我國IC制造業(yè)的良性發(fā)展，同時(shí)也能帶來巨額的經(jīng)濟(jì)效益．