超硬材料网

       化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技术是超大规模集成电路制造工艺中的关键技术之一，能实现集成电路（IC）制造中晶圆表面全局平坦化，使其达到原子级超高平整度。

       CMP工序中，抛光液是影响抛光效果的关键因素。其中的磨料是材料去除的工具，同时也参与了基底材料的表面腐蚀，因而磨料在抛光液中起着重要的因素。除了磨料本身的性质（如硬度、形貌、粒径分布、大小）外，在抛光液中所占的固含量对抛光性能（抛光速率、损伤层、划痕）等也会有很大的影响。

CMP原理图

       近年来，由于许多领域都对产品光洁表面有所要求，因此根据不同材料的物化性能和抛光要求，业界提出了多种抛光液用磨料设计方案。初步看可简单分为单一磨料以及混合磨料两大类，以下是它们的性能对比。

       01单一磨料

       单一磨料顾名思义即抛光液中只使用同一种磨料。目前其相关研究大部分集中于制备单分散、大粒径磨料，以下是常见的材质选择，具体要选择哪种特定的单一磨料以及粒径，则要考虑抛光目标材料的特性和要求，以及抛光液中所需的化学成分。不同的CMP应用可能需要不同类型的磨料。

       ①二氧化硅（SiO2）：是一种常见的磨料，优点是选择性和分散性好，机械磨损性能较好，其缺点是硬度较高，易在被抛光物体表面造成不平整，且在抛光浆料中易产生凝胶现象。

       ②氧化铝（Al2O3）：用于抛光各种表面的最重要的研磨材料之一，一般使用高纯纳米α-氧化铝抛光粉，主要应用于光学玻璃、晶体和合金材料的抛光。

       ③碳化硅（SiC）：用于特殊应用，如对一些特殊材料的抛光，具有较高的硬度和耐磨性。

       ④氧化铈（CeO2）：具有切削力强、抛光时间短、使用寿命长、抛光精度高等优点，主要应用于光学玻璃器件、电视机显像管、光学眼镜片、半导体晶片和金属精密制品等的抛光。

       ⑤氧化铁（Fe2O3）：对某些特定材料的抛光具有优势，也可用于玻璃，但速度较慢。

       ⑥金刚石（Diamond）：最坚硬的磨料之一，常用于磁头、硬盘、宝石、硬质玻璃、陶瓷以及硬质合金的超精密抛光。

       ……

       住友化学的AM21及A21氧化铝磨料

       单一磨料的主要优势在于能使抛光过程的控制更容易（只需要考虑一种磨料的特性和反应，而不是多种磨料的复杂组合）以及保证抛光液的稳定性，在部分情况下使用单一磨料可能比混合多种磨料更经济高效。但缺点就是单一磨料可能无法满足不同部分的抛光需求，导致抛光不均匀。

       例：

       X.L.Shi等对比了分别采用Al2O3（平均粒径1.9μm）和SiO2（平均粒径100 nm）作为磨料对蓝宝石晶圆CMP的效果。结果表明，采用Al2O3磨料可以获得较高的MRR，但蓝宝石晶圆表面划痕较多；采用SiO2磨料CMP时MRR较低，但蓝宝石晶圆的表面粗糙度可降至0.1 nm，获得了原子级的光滑表面。

       熊伟等采用粒径分别为40、80和110 nm的SiO2磨料对蓝宝石进行CMP，发现MRR随着SiO2粒径增大而增大，但是SiO2粒径过大不利于形成光滑的表面，采用粒径为80 nm的SiO2磨料时抛光效果较佳。

       02混合磨料

       随着业界对抛光效率和表面质量要求的不断提高，很多情况下采用单一磨料越来越难以满足要求，因此需要寻求新型抛光磨料方案，混合磨料正是其中之一技术路线。在CMP中，混合磨料是指不同尺寸的同种磨料或不同种类磨料混合使用。

       ①混合粒径

       用不同粒径的同一种磨料组合是一种常见的做法，通常被称为磨料的分级。不同粒径的磨料组合使用时，可以充分利用每种粒径磨料的特点，如较大粒径的磨料可以更快地去除表面的大部分材料，较小粒径的磨料可以进一步细化抛光表面，因此可以更有效地改善表面平整度，也可以优化抛光效率，减少表面划痕和损伤的风险。

       混合粒径磨料抛光蓝宝石模型

       例：

       H.Kong等采用粒径为20~95 nm的SiO2混合磨料对蓝宝石进行CMP，MRR与采用平均粒径为90.5 nm的SiO2磨料时相比提高了50%，不过表面粗糙度相近。

       N.Bun-Athuek等研究了平均粒径4 nm的SiO2颗粒与平均粒径分别为20、55和105 nm的大颗粒SiO2混合使用的效果，发现与使用对应单一粒径SiO2磨料时相比，蓝宝石的MRR分别提高了85%、78%和32%，表面粗糙度从0.20、0.24和0.30 nm分别降至0.14、0.15和0.20 nm。

       ②混合种类

       混合不同种类的磨料同样是一种常见的做法，被称为多磨料组合。因为不同种类的磨料具有不同的物理和化学特性，所以混合使用可以充分发挥每种磨料的优势，进而提高抛光效果。

       同时，通过混合不同种类的磨料还可以根据具体应用的需求进行调整和优化，提高CMP抛光过程的灵活性。例如CeO2、Al2O3、金刚石纳米磨料、聚合物微球等与纳米SiO2的混合磨料，在抛光中都有较好的效果。

       万金油搭配选择：纳米SiO2磨料

       不过，由于不同磨料之间可能会相互影响，而且混合磨料、异形磨料大多数稳定性较差、易团聚，因此需要注意避免不良的相互作用，并进行大量实验来确定各自的最佳比例和使用条件，确保混合磨料抛光过程的稳定性和可控性。

       例：

       于江勇等对比了采用平均粒径都为30 nm的单一SiO2磨料和SiO2/Al2O3混合磨料对蓝宝石衬底CMP时MRR的影响，发现在抛光液中加入20 mL/L的同粒径20%Al2O3悬浮液时，MRR从9μm/h提高至11μm/h，CMP后蓝宝石的表面粗糙度为0.23 nm。

       D.Yin等采用掺杂MgO的纳米SiO2磨料（平均粒径85~95 nm）对蓝宝石CMP，由于蓝宝石表面与MgO和SiO2发生了固相化学反应，CMP过程中的化学作用增强，因此蓝宝石的MRR增大，表面粗糙度减小。采用混合磨料来提升蓝宝石CMP的效率与质量主要通过提高CMP过程中的化学和机械作用来实现。

资料来源：

屈明慧,牛新环,侯子阳,等.蓝宝石化学机械抛光液的研究进展[J].电镀与涂饰,2022,41(3):211-216. DOI:10.19289/j.1004-227x.2022.03.011.

赵之琳.基于混合粒径磨料的CMP去除机理研究与应用[D].河北:河北工业大学,2021.