化學機械拋光（ChemicalMechanicalPolishing，CMP）技術被譽為是當今時代能實現集成電路（IC）制造中晶圓表面全局平坦化的目前唯一技術，可達到原子級超高平整度，其效果直接影響到芯片最終的質量和成品率。

      按照被拋光的材料類型，具體可以劃分為三大類：1）襯底：主要是硅材料；2）金屬：包括Al/Cu金屬互聯層，Ta/Ti/TiN/TiNxCy等擴散阻擋層、粘附層；3）介質：包括SiO₂/BPSG/PSG等ILD（層間介質），Si₃N₄/SiO_xN_y等鈍化層、阻擋層。

      在CMP工作過程中，CMP用的拋光液中的化學試劑將使被拋光基底材料氧化，生成一層較軟的氧化膜層，然后再通過機械摩擦作用去除氧化膜層，這樣通過反復的氧化成膜-機械去除過程，從而達到了有效拋光的目的。

▲CMP工作原理示意圖

      CMP技術對于半導體晶圓加工不可或缺，其加工質量與其中各類關鍵材料的作用息息相關，由下圖可知，在晶圓制造中，CMP拋光材料約占據總成本的7%，而在CMP材料細分占比當中，拋光液和拋光墊是最核心的材料，價值量占比分別為49%和33%。其他拋光材料還包括拋光頭、研磨盤、檢測設備、清洗設備等。

▲晶圓制造材料細分占比

▲CMP材料細分占比

      拋光液是影響化學機械拋光質量和拋光效率的關鍵因素，一般通過測定材料去除率（MRR）和表面粗糙度（Ra）的方法來評價拋光液性能優良程度。其組分一般包括磨料、氧化劑和其它添加劑，通常根據被拋光材料的物理化學性質及對拋光性能的要求，來選擇所需的成分配置拋光液。

磨料是拋光液最主要的組成部分，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，達到機械去除材料的作用。

▲磨料機械去除原理示意圖

      化學機械拋光液在研究初期大多是使用單一磨料，如氧化鋁（Al₂O₃）、二氧化硅（SiO₂）、二氧化鈰（CeO₂）、氧化鋯（ZrO₂）和金剛石微粒等，其中研究及應用最多的是Al₂O₃、SiO₂和CeO₂。

▲三種常用磨料透射電鏡圖

（a）SiO₂；（b）A_l2O₃；（c）CeO₂

      Al₂O₃的硬度高，多用于光學玻璃、晶體和合金材料的拋光，但含Al₂O₃的拋光液具有選擇性低、分散穩定性不好、易團聚的問題，容易在拋光表面造成嚴重劃傷，一般需要配合各種添加劑使用才能獲得良好的拋光表面。

      SiO₂具有良好的穩定性和分散性，不會引入金屬陽離子污染，其硬度與單質硅接近，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，是應用最廣泛的拋光液，但其材料去除率相對較低。

▲硅溶膠磨料

a）40nm，異形結構；b）60nm，球形結構；c）90nm，球形結構

      CeO₂具有較為適中的硬度，由于Ce元素具有多種價態且不同價態間易轉化，容易將玻璃表面物質氧化或絡合，因此CeO₂被廣泛應用于手機屏幕、光學玻璃、液晶顯示器和硬盤等產品的化學機械拋光中。但是Ce為稀土元素，且現有加工工藝較為復雜，生產出的CeO₂磨料的粒徑分布不均勻，而導致CeO₂拋光液的使用成本較高，限制了CeO₂拋光液的發展應用。

隨著研究的深入，單一磨料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。

例如，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，這是因為在磨料總的質量分數不變的條件下，增大小粒徑磨料的占比能增加硅溶膠顆粒的總體數量，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機械拋光的速率，但是對拋光后表面粗糙度的影響有好有壞，不同類型磨料混合使用對拋光結果的影響規律仍有待進一步研究。

除了混合磨料外，目前也有各種新興的材料制備方法被用來制備復合磨料，常用的方法有納米粒子包覆和摻雜等。

例如通過結構修飾改善納米粒子的分散性、復合其他類型材料提升在酸、堿性拋光液中的綜合性能等。

復合磨料相比混合磨料和單一磨料，在材料去除率及表面粗糙度方面均有明顯的優勢，能實現納米級或亞納米級超低損傷的表面形貌。但復合磨料的制備工藝相對比較復雜，目前僅處于實驗室探索階段，距離復合磨料在大規模生產上的應用還有較遠的距離。

氧化劑的作用是將被拋光工件表面的材料氧化，生成一層質地較軟且與基底結合力較弱的氧化膜，然后通過磨粒的機械去除作用將氧化膜層去除，以達到拋光的目的。

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。

氧化膜的形成有利于提高機械拋光的效率，但也并非膜層越多越好，氧化劑的濃度需要達到一個合適的值：

氧化劑濃度較低時，機械研磨過程起主導作用；

當氧化劑濃度達到一定值時，氧化腐蝕過程與機械研磨過程達到動態平衡，此時去除效率最高；

隨著氧化劑濃度繼續增加，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展，另一方面多余的氧化劑也會降低拋光液的穩定性，這些因素反而會導致去除效率降低。

▲氧化劑作用過程

以前針對一些金屬材料的拋光，拋光液中大多采用具有強氧化性的氧化劑，一般都包括重金屬離子，隨著綠色環保意識的提高，H₂O₂作為一種綠色環保的氧化劑已經被廣泛采納，但是H₂O₂僅在強酸性體系中穩定性較好，堿性體系中穩定性較差，且自身有自分解現象，導致了含H₂O₂的堿性拋光液不穩定。因此，采取合適的方法提高H₂O₂在堿性體系中的穩定性是目前亟待解決的問題．

拋光液中磨粒、氧化劑和去離子水的含量一般占整個拋光液質量的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合劑（螯合劑）、緩蝕劑、pH調節劑和表面活性劑。

絡合劑用于絡合CMP過程中的一些微溶產物，提高去除率；

緩蝕劑則是減少一些材料的表面腐蝕程度；

PH調節劑用于調節拋光液的酸堿度，酸性拋光液最早由化學腐蝕液改進而來，具有溶解性強、氧化劑選擇范圍大、拋光效率高等優點，常用于金屬材料的CMP工藝．堿性拋光液具有選擇性高、腐蝕性弱等優點，常用于非金屬材料的CMP工藝。傳統的pH調節劑一般選擇KOH、NaOH、HCl、HNO₃等，但其中的Na⁺、K⁺、Cl⁻及NO₃⁻會造成芯片性能下降，甚至失效等問題，因此，越來越多的研究者選擇有機酸或有機堿來作為pH調節劑；

表面活性劑的作用是改善拋光液的分散穩定性，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行。

在化學機械拋光過程中，拋光墊的作用主要有：

1）存儲拋光液及輸送拋光液至拋光區域，使拋光持續均勻的進行；

2）傳遞材料，去除所需的機械載荷；

3）將拋光過程中產生的副產物（氧化產物、拋光碎屑等）帶出拋光區域；

4）形成一定厚度的拋光液層，提供拋光過程中化學反應和機械去除發生的場所。

▲拋光墊

拋光墊根據材料可以分為硬質和軟質兩類，硬質拋光墊可以較好的保證工件表面的平面度，軟質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。常用的硬質拋光墊有粗布墊、纖維織物墊、聚乙烯墊等，軟質拋光墊有聚氨酯墊、細毛氈墊、絨毛布墊等。

▲聚氨酯拋光墊

拋光墊表面包括一定密度的微凸峰，也有許多微孔，有些拋光墊上開有可視窗，便于線上檢測。隨著CMP過程的進行，其物理及化學性能會發生變化，具體包括表面殘留物質、微孔體積縮小和數量減少、表面粗糙度降低及表面分子重組而形成釉化層，這些都會導致拋光效率和拋光質量的降低。

因此，拋光墊同拋光液一樣屬于消耗品，每經過一段時間的使用后都需要進行修整或更換。改進拋光墊材料、延長拋光墊的使用壽命、減少拋光墊修整加工時的損耗，是當前拋光墊研究的主要內容及方向。

CMP拋光墊和拋光液作為關鍵晶圓制造材料，其需求量和晶圓產能直接相關。目前拋光液和拋光墊仍屬于技術壁壘較高、被國外龍頭壟斷的局面，在國家政策的扶持下CMP中低端領域中已基本完成了國外技術和產品的國產替代，但在高端設備、前沿技術領域中與國際巨頭仍有較大的差距。繼續深入研究CMP技術，產出具有自主知識產權的關鍵材料、設備或工藝，不僅可以促進我國IC制造業的良性發展，同時也能帶來巨額的經濟效益。