化学机械抛光技术研究进展

抛光垫方向
抛光垫 CeO2 粒子
CeO2 粒子
SiO2 颗粒
SiO2 层
SiO2 层
图 2 CeO2 粒子的抛光机理
SiO2 颗粒
首先纳米 CeO2粒子通过化学吸附与抛光表面上 的 SiO2 之间形成 Ce—O—Si 键，CeO2 粒子将表面部 分 SiO2 撕裂下来，进入溶液中；经过扩散，SiO2 粒 子又从 CeO2 粒子的表面脱落。Ce—O—Si 键的形成 与 S—O—Si 键的断裂影响着抛光速率。化学吸附作 用和机械撕裂作用同时影响着 Si—O—Si 键的断 裂。
摘 要：通过回顾化学机械抛光技术的发展历史，概述了化学机械抛光作用机制与实际应用情况，着重阐述了几
种重要抛光浆料（如 CeO2、SiO2、Al2O3 抛光浆料）的优缺点、抛光机理及其国内外新近制备方法，进一步展望 了化学机械抛光技术的发展前景与新型抛光浆料的开发方向。
关键词：化学机械抛光；抛光浆料；抛光机理
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化工进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
2008 年第 27 卷第 1 期
化学机械抛光技术研究进展
宋晓岚 1，李宇焜 1，江 楠 1，屈一新 2，邱冠周 1
（1 中南大学资源加工与生物工ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ学院，湖南 长沙 410083；2 北京化工大学化学工程学院，北京 100029）
具有高抛光性能的纳米 CeO2 目前的合成方法 主要有：液相反应法、固相反应法、机械化学法。 液相反应法包括：溶胶-凝胶法、液相沉淀法、电化
学法、水热法、微乳液法、喷雾热分解法等。张鹏 珍 等 [23]采 用 溶 胶 -凝 胶 法 制 备 了 平 均 晶 粒 度 在 13.3 nm 且粒度分布均匀的纳米 CeO2 粉体，经此 CeO2 抛光浆料抛光后的玻璃基片表面粗糙度（Ra） 可降到 0.6 nm 左右，显示了良好的抛光性能。Ming 等[24]也采用此法在常压下制备纳米 CeO2，原料为 硝酸铈铵、尿素和去离子水，通过加热得到的 CeO2 粒径为 8 nm，具有立方体结构。电化学法制得的 CeO2 优点是粒子粒度很小，分散性也较好，工艺也 相对简单，但是产率较低[25]。水热法的优点是不需 要进行高温灼烧处理，避免了硬团聚。Verdon 等[26] 在耐熔的合金容器中，于 1.5 MPa 和 500％条件下 进行水热合成制得的纳米 CeO2 晶型较好。Bondioli F 等[27]利用固相反应在得到的 CeO2 产物尺寸为 10～20 nm，且具有较好的尺寸分布。有研究表 明[28]，用机械化学法也能制成粒度在 10～20 nm 的 纳米 CeO2。Rajendran[29]通过一种新的方法研究了 CeO2 抛光 SiO2 过程，发现 CeO2 的机械作用能加速 其与 SiO2 还原的化学反应，并且在抛光过程中存在 Ce3+与 Ce4+两种价态。 2.2 SiO2 抛光浆料
和纳米磨料颗粒作用下，硅片表面形成腐蚀软质层， 从而有效地减弱磨料对硅片基体的刻划作用，提高 抛光效率和抛光表面质量。另一方面，根据 Preston 公式[15]：NRR=QwNV（其中，NRR 为材料去除率； Qw 为被抛光材料的密度；N 为抛光有效磨料数；V 为单个磨料所去除材料的体积，包括被去除的硅基 体的体积 V1 和软质层的体积 V2），软质层的形成 导致 V 增大（即化学腐蚀作用可促进机械磨削作 用），V1 减小，从而有利于减小切削深度、增强 塑性磨削和提高抛光表面质量。因此，在抛光浆料 质量浓度相同的条件下，采用纳米磨料抛光不仅有 利于减小切削深度、提高抛光表面质量，同时由于 有效磨料数 N 的急剧增大，还有利于提高抛光效 率。应该指出的是，软质层的厚度同抛光条件有关， 就纳米级磨料而言，相应的软质层的厚度一般处于 几纳米至十几纳米之间；而由于 CMP 是机械去除 和化学去除相互作用的过程，因此难以通过静态化 学腐蚀测量软质层的硬度。忽略抛光垫和其它一些 因素的影响，抛光浆料的流动特性对 CMP 的行为 有很大的影响。一般抛光浆料磨粒为圆形的纳米级 粒子，利用微极性流体可以模拟粒子的微旋运动对 抛光性能的影响。张朝辉[16]研究的模拟结果表明 微极性将增加承载能力，从而有利于提高抛光速 率。这一特性在低节距或低转速下更为显著，体现 出尺寸依赖性。
Abstract：The history of chemical mechanical polishing (CMP) is reviewed. The polishing mechanism and application of CMP are summarized. In addition，the different polishing slurries，such as CeO2，SiO2 and Al2O3 polishing slurries，and their advantages and disadvantages，polishing mechanisms and recent preparation methods are also elaborated. Finally，the future prospect of CMP and the development trends
第1期
宋晓岚等：化学机械抛光技术研究进展
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1 化学机械抛光作用机制
CMP 作用机理目前还没有完整的从微观角度 的理论解释。但从宏观上来说，可以解释如下：将 旋转的被抛光晶片压在与其同方向旋转的弹性抛光 垫上，而抛光浆料在晶片与底板之间连续流动。上 下盘高速反向运转，被抛光晶片表面的反应产物被 不断地剥离，新抛光浆料补充进来，反应产物随抛 光浆料带走。新裸露的晶片平面又发生化学反应， 产物再被剥离下来而循环往复[9]，在衬底、磨粒和 化学反应剂的联合作用下，形成超精表面，如图 1 所示。要获得品质好的抛光片，必须使抛光过程中 的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。如 果化学腐蚀作用大于机械抛光作用，则会在抛光片 表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹；反之，机械抛光作 用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层[10]。
（1 College of Resources Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China； 2College of Chemical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）
CeO2抛光浆料区别于传统抛光活性强的抛光 浆料都是强酸，它在碱性抛光环境下是两性的，能 同时吸附阳离子和阴离子[20]，故有更好的抛光性 能。纯度、硬度、粒度、粒度分布、悬浮性、表面 电性、表面活性和密度等都是影响其抛光性能的主 要因素[21]：粒度大的适合高速抛光，粒度小的适用 于低速抛光[22]。
2 化学机械抛光浆料
抛光浆料的成分主要由三部分组成：腐蚀介质、 成膜剂和助剂、纳米磨料粒子。抛光浆料要满足抛 光速率快、抛光均一性好及抛后易清洗等要求[10]。 磨料粒子的硬度也不宜太高，以保证对膜层表面的 机械损害比较轻。
按 pH 值分类，抛光浆料主要分为两类：酸性 抛光浆料和碱性抛光浆料。一般酸性抛光浆料都包 含氧化剂、助氧化剂、抗蚀剂（又叫成膜剂）、均 蚀剂、pH 调制剂和磨料。氧化剂起在被抛光物件 表面发生氧化腐蚀作用，然后通过机械作用去除表 面凸起部分，使物件表面平整；另外，氧化剂还能 氧化基体表面形成一层氧化膜从而提高选择性。助 氧化剂起到提高氧化速率的作用。均蚀剂可使腐蚀 均匀，从而使表面光滑细腻；抗蚀剂的作用是在被 抛光物件表面与被腐蚀基体形成一层联结膜，从而 阻止腐蚀的进行以提高选择性。而碱性抛光浆料中 一般包含络合剂、氧化剂、分散剂、pH 调制剂和
抛光浆料输送装置
夹持头 背膜 硅片
抛光垫
工作台
抛光浆料
图 1 典型的化学机械抛光原理示意图
为了进一步了解 CMP 作用的本质，近年来国 内外有很多关于 CMP 作用微观机理的研究[11－16]。 清华大学王亮亮、路新春[11]的研究表明：CMP 中主 要是低频、大波长的表面起伏被逐渐消除，而小尺 度上的粗糙度并未得到显著改善；当颗粒直径在 10～25 nm 的范围时，粒径和粗糙度不存在单调的 增减关系；桔皮的产生主要是抛光浆料中碱浓度过 高所致。而北京交通大学张朝辉等[2]根据 Lei[12]提出 的 CMP 作用中纳米流体薄膜理论，提出化学机械 抛光过程中，受载的粗糙峰和被抛光的晶片表面之 间存在一纳米量级的薄流体膜，形成了纳米级薄膜 流动系统，指出对纳米级流动规律进行研究将有助 于了解化学机械抛光的作用机理，其中，在极薄的 膜厚情况下的温度场分析是一项迫切任务。同时， 陈杨[13]的研究也表明了相似的观点：材料的去除首 先源于化学腐蚀作用。一方面，在抛光过程中晶片 表面局部接触点产生高温高压，从而导致一系列复 杂的摩擦化学反应[14－15]；在抛光浆料中的碱性组分
of new types of polishing slurry are outlined. Key words：chemical mechanical polishing; polishing slurry; polishing mechanism
化学机械抛光（chemical mechanical polishing， CMP）技术的概念是 1965 年由 Monsanto 首次提 出[1]。该技术最初是用于获取高质量的玻璃表面， 如军用望远镜等[2]。1988 年 IBM 开始将 CMP 技术 运用于 4M DRAM 的制造中，而自从 1991 年 IBM 将 CMP 成功应用到 64M DRAM 的生产中[3]以后， CMP 技术在世界各地迅速发展起来。区别于传统 的纯机械或纯化学的抛光方法，CMP 通过化学的 和机械的综合作用，从而避免了由单纯机械抛光造 成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速 度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。它利用 了磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行 抛光以实现高质量的表面抛光[2]。在一定压力及抛 光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫作相对运 动[4]，借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀 作用之间的有机结合，在被研磨的工件表面形成光 洁表面[5]。CMP 技术最广泛的应用是在集成电路 （IC）和超大规模集成电路中（ULSI）对基体材
料硅晶片的抛光。而国际上普遍认为，器件特征尺 寸在 0.35 µm 以下时，必须进行全局平面化以保证 光刻影像传递的精确度和分辨率，而 CMP 是目前 几乎唯一的可以提供全局平面化的技术[6]。其中化 学机械抛光浆料是关键因素之一。抛光磨料的种 类、物理化学性质、粒径大小、颗粒分散度及稳定 性等均与抛光效果紧密相关。此外，抛光垫的属性 （如材料、平整度等）也极大地影响了化学机械抛 光的效果[7]。随着半导体行业的发展，2003 年，全 球 CMP 抛光浆料市场已发展至 4.06 亿美元[8]。但 国际上 CMP 抛光浆料的制备基本属于商业机密， 不对外公布。
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化工进展
2008 年第 27 卷
磨料。因为碱性抛光浆料仅在强碱中才有很宽的腐 蚀领域，而且磨料易造成划伤，所以应用远不如酸 性抛光浆料广泛。对于不同的腐蚀基体要选择不同 的络合剂；分散剂一般为大分子量非离子有机分散 剂，其作用是保证浆料中的磨料不发生絮凝和沉降 现象，并使磨料的黏度保持尽可能低，具有良好的 流动性[17]。下面主要介绍目前使用最为广泛的几 种抛光浆料。 2.1 CeO2 抛光浆料
稀土氧化物 CeO2 具有很好的抛光性能，其特 点是抛光速率高，对材料的去除率高，被抛光表面 粗糙度和表面微观波纹度较小，颗粒硬度低，对被 抛光表面损伤较弱；其缺点是黏度大，易划伤且高 低选择性不好，沉淀在介质膜上吸附严重，为后续 清洗带来困难[18]。CeO2 抛光浆料广泛应用于玻璃精 密抛光、超大规模集成电路 SiO2 介质层抛光和单晶 硅片抛光等，而现在国内外有很多研究也致力于 CeO2 抛光浆料对半导体衬底材料（如 GaAs 晶片） 的抛光。CeO2 粒子抛光 SiO2 介电层的机理如图 2 所示[19]。
中图分类号：TB 383
文献标识码：A
文章编号：1000–6613（2008）01–0026–06
Recent development of chemical mechanical polishing
SONG Xiaolan1，LI Yukun1，JIANG Nan1，QU Yixin2，QIU Guanzhou1
收稿日期：2007–08–09；修改稿日期：2007–09–22。 基金项目：科技部国际科技合作项目资助（2005DFBA028）及中南大 学大学生创新教育项目资助（LA06030）。 第一作者简介：宋晓岚（1964—），女，硕士，副教授，副院长，研 究内容为无机功能材料、纳米材料。电话 0731–8830346；E–mail xlsong@hnu.cn。