電子產品制造過程中CMP材料的應用研究

摘要：化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）是半導體制造工藝中實現晶圓表面平坦化的關鍵技術，廣泛應用于先進制程的生產。通過結合化學反應和機械磨削，CMP 工藝能夠去除晶圓表面材料，使晶圓表面實現高精度平坦化。從CMP 工藝的基本原理出發，深入探討了拋光墊和拋光液兩類核心CMP材料的特性及其對工藝效果的影響。研究表明，拋光墊的硬度、孔隙率和表面結構顯著影響了材料去除速率、表面粗糙度和均勻性；拋光液中磨料顆粒濃度、氧化劑和緩蝕劑配比直接決定了化學作用和機械作用的平衡。最后，總結了CMP 材料性能與工藝指標之間的關系，為CMP 材料的優化提供了重要依據。

關鍵詞：化學機械拋光；拋光墊；拋光液；去除速率；表面粗糙度

中圖分類號：TN305.2；TN405 文獻標識碼：A

0 引言

隨著半導體器件集成度的不斷提升，電子產品的表面平整度、厚度均勻性及工藝可靠性要求日益嚴格。晶圓表面極其微小的不平整都可能導致電路短路、信號延遲甚至器件失效，對產品性能和產品良率產生深遠影響[1]。在這一背景下，化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP） 技術憑借其卓越的材料去除能力、高精度平坦化效果及良好的工藝兼容性，成為半導體制造領域的重要表面加工方法[2]。本文圍繞CMP 材料展開深入探討，從CMP 材料的種類、性能評價、工藝優化和實際應用等角度，分析其特性及在實際工藝中的作用機制，并結合實驗數據展示關鍵參數，如拋光墊硬度、孔隙率，以及拋光液氧化劑和磨料顆粒濃度對材料去除速率、表面粗糙度等指標的影響。

1 CMP工藝的基本原理

CMP材料主要包括拋光液和拋光墊，兩者通過化學作用與機械作用來協同工作，CMP 工藝的基本原理如圖1 所示。化學作用主要涉及材料表面氧化、腐蝕和改性，機械作用則通過拋光墊和磨粒對材料表面施加摩擦力，去除多余材料，實現平坦化。

CMP工藝廣泛應用于半導體制造中，特別是晶圓的平坦化處理。CMP 工藝通過化學反應和機械研磨共同作用，能夠高效去除材料并實現晶圓表面平坦化，從而確保電路的完整性和可靠性[3]。其基本原理如下。

（1）拋光墊與晶圓的接觸：在CMP 工藝中，拋光墊是一個重要的工具。拋光墊通常由聚氨酯或其他材料制成，表面具有一定的孔隙度和柔軟性，從而確保其與晶圓表面之間的良好接觸。

（2）化學作用：CMP 工藝依賴于化學反應來輔助材料去除。拋光液中含有氧化劑、磨料、pH調節劑等成分，能夠促進晶圓表面的化學反應，幫助軟化或去除不需要的材料。

（3）磨料的作用：CMP 工藝中的拋光液包含細小的磨料顆粒，這些顆粒在化學反應的輔助下，在拋光墊和晶圓表面之間進行微細摩擦，去除表面不平整的部分。磨料顆粒的選擇和濃度對拋光速率和表面粗糙度具有重要影響。

（4）去除速率與表面平坦化：CMP 工藝的目標是去除多余的材料，實現晶圓表面的平坦化。然而，快速去除并不一定能保證良好的平坦化效果。平坦化的關鍵在于均勻去除，即確保晶圓表面不同區域的材料以相同的速率被去除。這種均勻性依賴于化學反應與機械研磨的協同作用，化學反應主要負責表面材料的軟化或改性，而機械研磨則利用磨料顆粒的微細摩擦來打磨材料。如果去除速率過高或不均勻，可能會導致表面局部過度研磨或研磨不足，從而影響平坦化效果。因此，在實際工藝中，需要在保證適當去除速率的同時，優化化學作用和機械作用的平衡，以實現高效的表面平坦化。

2 CMP材料介紹

2.1 拋光液

2.1.1 常見類型

（1）二氧化硅基拋光液：二氧化硅基拋光液廣泛應用于SiO2、銅等材料的平坦化過程中，在半導體制造領域中發揮關鍵作用。其通過化學反應與機械磨損相結合的方式，能夠去除晶圓表面材料，滿足晶圓表面極高的平整度要求，確保后續工藝的順利進行[4]。

（2）鈰基拋光液：鈰基拋光液是一種常用于顯示面板玻璃和硬盤磁性材料表面精密加工的高效拋光液。其獨特的化學性能使其在玻璃表面光學性能提升方面效果顯著，能夠顯著改善表面的光潔度和透明度，從而增強顯示效果和設備性能。同時，鈰基拋光液在硬盤制造中也具備優異的表面加工能力，滿足高精度數據存儲設備的制造要求。

（3）氧化鋁基拋光液：氧化鋁基拋光液因其優異的硬度和化學穩定性，常用于高硬度材料的加工，如藍寶石、陶瓷和某些金屬材料。它能夠在較短時間內高效去除大面積材料，同時保持加工表面的平整度。這種特性使其在需要快速去除材料且兼顧表面質量的應用場景中得到了廣泛應用。

2.1.2 應用場景

表1總結了典型CMP 拋光液的主要成分、應用領域及其關鍵性能指標。這些拋光液根據不同的加工需求被廣泛應用于電子產品制造的各個環節。例如，二氧化硅基拋光液以其穩定的化學性質和優異的拋光效果，常用于半導體芯片制造，能夠實現表面粗糙度≤ 1 nm 的高精度加工。鈰基拋光液則憑借其高去除速率（1.5 μm/min），被廣泛應用于顯示屏玻璃和高精度光學鏡片的表面處理，可有效提升表面光潔度和透明度。氧化鋁基拋光液因其出色的機械去除能力，適用于硬盤磁性材料的加工，平均去除率可達2 μm/min，滿足快速去除高硬度材料的需求。不同類型拋光液的性能差異反映了其在實際應用中不同的針對性和技術適配性。

2.2 拋光墊

拋光墊是CMP 系統的另一重要部分，其材料通常為聚氨酯或其他高分子材料，具有優異的耐磨性和彈性。

2.2.1 影響因素

（1）孔隙率：孔隙率是影響拋光墊性能的重要因素，它直接決定了拋光液在拋光過程中的分布均勻性，同時影響廢料的清除效率，從而對產品加工質量產生顯著作用。

（2）硬度：硬度是影響材料去除速率的關鍵參數，較高的硬度通常能夠提高工作效率，但可能會影響表面平整度，因此需要在二者之間進行平衡。

（3）表面結構：表面結構直接影響摩擦特性及磨粒分布均勻性，合理的表面設計能夠優化磨粒的作用效果，從而提升拋光的效率與表面質量。

2.2.2 拋光墊材料的選擇

在CMP系統中，拋光墊材料的選擇對拋光效果至關重要。聚氨酯墊的孔隙率為40%～50%，肖氏硬度為85 HS，適用于大面積金屬層的去除，其高機械強度和耐磨性使其在金屬拋光中表現優異。多孔聚酯墊的孔隙率為60%～70%，肖氏硬度為70 HS，適合納米級精度的半導體表面加工，其高孔隙率和適中硬度有助于實現高精度的表面平坦化。聚四氟乙烯墊的孔隙率為50%～60%，肖氏硬度為75 HS，因其低摩擦系數和優異的化學穩定性，更適用于高精度光刻層的拋光，能夠有效減少表面損傷。橡膠墊的孔隙率為30% ～ 40%，肖氏硬度為90 HS，適用于高硬度材料（如碳化硅、氮化鎵）的去除和精細拋光，其高硬度和彈性的特點能夠提供均勻的壓力分布和良好的耐磨性。不同拋光墊材料的孔隙率和硬度決定了它們在特定工藝中的獨特優勢，從而滿足半導體制造中多樣化的拋光需求。

3 CMP材料性能評價指標及其實際應用

3.1 材料去除速率

材料去除速率RR 是衡量拋光液和拋光墊性能的關鍵指標，其計算公式：

RR = Δh／t 。 （ 1）

式中，Δh 為材料去除厚度，t 為拋光時間。

通過測量拋光過程中的厚度變化并結合時間參數，可以準確評估拋光材料的去除性能，為優化加工工藝提供依據。

3.2 表面粗糙度

表面粗糙度是衡量拋光精度的重要指標，通常采用原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）測量。

在化學機械拋光中，拋光液的選擇對表面粗糙度有顯著影響。二氧化硅基拋光液能夠實現最低的表面粗糙度，僅為0.8 nm，這表明其在高效去除材料的同時，能夠保持較高的表面平整度，適用于對表面質量要求高的工藝，如高端半導體制造。鈰基拋光液的表面粗糙度為1.2 nm，略高于二氧化硅基拋光液，但其在特定材料（如玻璃和光學元件）的拋光中表現出色，尤其是在高精度光學元件的加工中具有獨特優勢。氧化鋁基拋光液的表面粗糙度為2.0 nm，雖然粗糙度較高，但其在高硬度材料（如藍寶石和碳化硅）的拋光中具有不可替代的作用，能夠有效去除材料并實現較好的平坦化效果。綜上，不同拋光液的選擇需要根據具體材料和工藝需求進行權衡，以實現最佳的拋光效果。

4 結語

本文系統性總結了CMP材料的種類、性能指標及其在電子產品制造中的實際應用。在現代電子產品制造中，隨著工藝要求的不斷提升，CMP 材料需要在納米級加工中實現更高的表面處理精度和材料去除速率。其中，表面處理精度包括表面粗糙度和整體平整度，是決定拋光效果的關鍵指標。未來，CMP 材料的發展將聚焦于技術創新與可持續發展，不斷優化拋光技術，拓寬應用領域，并強化環保意識，為電子產品制造業的轉型升級與高質量發展提供支撐。