一、化學機械拋光(CMP)簡介

       化學機械拋光(guang)（Chemical Mechanical Polishing, 簡稱 CMP）技(ji)術是一種依靠(kao)化學和機械的(de)協(xie)同(tong)作用實現(xian)工件表面材料去除的(de)超精密加(jia)工技(ji)術。下圖是一個典型的(de) CMP 系統示(shi)意(yi)圖：

       主(zhu)要包括：夾(jia)持工件的拋(pao)(pao)光頭、承載拋(pao)(pao)光墊的拋(pao)(pao)光盤、修(xiu)(xiu)整拋(pao)(pao)光墊表面的修(xiu)(xiu)整器和(he)拋(pao)(pao)光液供(gong)給系統(tong)四(si)大部分。

       在拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)過(guo)程中，工件通(tong)過(guo)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)頭，按照給定壓(ya)力(li)作用在貼(tie)有拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)墊的(de)旋轉拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)盤上，同時相對自身軸線做旋轉運動以及相對拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)盤做往復擺動運動。拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)液輸送在工件和(he)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)墊之間的(de)接觸界(jie)面內，不斷和(he)工件表面發生(sheng)化學(xue)反應，通(tong)過(guo)磨粒的(de)機械作用以及拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)液的(de)化學(xue)作用，實現表面材料(liao)的(de)去除。

       二、化學機械拋光(CMP)發展歷程

       CMP 技術(shu)起源于古(gu)典(dian)拋光(guang)技術(shu)，在(zai)早期主要用(yong)于玻璃(li)的(de)拋光(guang)。在(zai)當時的(de)工(gong)藝(yi)(yi)條件下，復雜的(de)影響因素導致拋光(guang)結果不穩定和不可控。在(zai)很長(chang)一(yi)段時間內，拋光(guang)工(gong)藝(yi)(yi)都(dou)被當作(zuo)是一(yi)種藝(yi)(yi)術(shu)，而不是一(yi)種科(ke)學看待。

       直到上個世紀八(ba)十年代初期，美(mei)國 IBM 公(gong)司(si)率先開發出應用于(yu)半導體(ti)晶圓拋光的CMP技術(shu)。

       CMP 在去除(chu)上(shang)道(dao)工序引起的損(sun)傷和缺陷的同時(shi)，能夠兼顧全局(ju)和局(ju)部(bu)平坦化要求，這使得半導體晶圓表面平坦化程度獲得大幅(fu)提高(gao)，克(ke)服了當時(shi)遇(yu)到的“深亞微米壁壘”。

       進入二十一世(shi)紀以(yi)(yi)來，集成(cheng)電路 （Integrated Circuit，簡稱 IC）制(zhi)(zhi)造(zao)在“摩爾定(ding)律”的(de)(de)指引以(yi)(yi)及(ji)資本的(de)(de)推動下(xia)飛速發展， 已經深入到計算機，通信，電子，軍事等各個領(ling)域。如今，IC 制(zhi)(zhi)造(zao)儼然成(cheng)為現代高科(ke)技的(de)(de)核心(xin)與先導，成(cheng)為大國之間博弈的(de)(de)重要籌碼。

       CMP 作為(wei)公認的能夠為(wei)晶圓表面提供(gong)優(you)異局部和全局平坦(tan)化的唯一(yi)技術，在 IC 制造對人類制造極(ji)限(xian)的一(yi)次次沖擊中獲(huo)得了極(ji)大的發展(zhan)。

       目前，CMP 技(ji)術遠遠超越了早先在IBM試驗室達(da)到的(de)水平(ping)，尤其(qi)是在 IC 制(zhi)造領(ling)域，CMP技(ji)術已經(jing)能夠實現原子水平(ping)上的(de)材料去除。

       CMP 技術(shu)多樣化挑戰(zhan) IC 制造(zao)領(ling)(ling)域(yu)對(dui)于CMP技術(shu)的推動和開(kai)發，也促進了CMP技術(shu)在(zai)其他制造(zao)領(ling)(ling)域(yu)的應用(yong)，如光(guang)學玻璃加工(gong)，強激光(guang)元件(jian)制造(zao)等領(ling)(ling)域(yu)。

       三、化學機械拋光(CMP)原理

       CMP 原(yuan)子級材料(liao)去除(chu)過程是在拋光(guang)液(ye)的(de)化學作用下，拋光(guang)墊/磨粒/工件三(san)者之間原(yuan)子級的(de)摩擦磨損過程是 CMP 技(ji)術最底(di)層的(de)材料(liao)去除(chu)過程。

       Preston 作為(wei)拋(pao)(pao)光技(ji)術的(de)先驅者(zhe)，在1926年(nian)關于(yu)玻(bo)璃拋(pao)(pao)光的(de)文獻中就提出以下論述：不同于(yu)研磨這種依靠機(ji)械磨損導致玻(bo)璃表面破碎的(de)材料(liao)去除(chu)(chu)方(fang)式，玻(bo)璃的(de)拋(pao)(pao)光更像是(shi)一(yi)種連續(xu)的(de)，在“分(fen)子或(huo)近(jin)似分(fen)子”量級的(de)材料(liao)去除(chu)(chu)。

       然而(er)，在過(guo)去的很長一段時間內，由于難以確(que)定 CMP 過(guo)程中的化(hua)學作用機(ji)理，相關理論研(yan)究(jiu)更多的注重于 CMP 過(guo)程中機(ji)械(xie)作用，并將材料(liao)去除(chu)歸因于磨(mo)粒和工件之間的“固固” 磨(mo)損。其中最具代表性(xing)的為1991年Kaufman等人的研(yan)究(jiu)，他(ta)們提出CMP的材料(liao)去除(chu)過(guo)程是一種化(hua)學輔助的機(ji)械(xie)劃擦過(guo)程，具體過(guo)程如圖(tu)所示：

       首先，拋光(guang)液中(zhong)的(de)(de)(de)化學溶劑(ji)和(he)工件表面(mian)發生化學反(fan)應(ying)(ying)，在(zai)工件表面(mian)生成一(yi)種軟質的(de)(de)(de)反(fan)應(ying)(ying)層。磨粒在(zai)拋光(guang)墊的(de)(de)(de)擠壓(ya)下劃擦表面(mian)反(fan)應(ying)(ying)層，產生材料去除。反(fan)應(ying)(ying)層被去除之(zhi)后(hou)，底層的(de)(de)(de)新(xin)(xin)鮮表面(mian)重新(xin)(xin)裸(luo)露(lu)在(zai)拋光(guang)液中(zhong)并生成新(xin)(xin)的(de)(de)(de)反(fan)應(ying)(ying)層，之(zhi)后(hou)再被磨粒去除，如此循環往復。

       當機械去除(chu)和化學反應兩(liang)種過程處于平衡時，材(cai)(cai)料(liao)去除(chu)效率(lv)將達到最(zui)佳，并且任何影響這兩(liang)個(ge)過程的參(can)數都將對最(zui)終的材(cai)(cai)料(liao)去除(chu)率(lv)以及表(biao)面質(zhi)量產生(sheng)影響。

       然而，這種基于機(ji)械劃擦理(li)論(lun)的(de)(de)材料(liao)去除機(ji)理(li)的(de)(de)認知在(zai)如(ru)今面臨很(hen)大的(de)(de)局限性。首先(xian)，目前 CMP 技(ji)術(shu)可以實現超光滑表(biao)面的(de)(de)加(jia)工，在(zai)拋光 GaN，藍寶石(shi)等晶體材料(liao)時會(hui)觀測到原子臺階(jie)現象。

       原子臺(tai)階是由(you)于晶向偏角或(huo)者晶格缺陷(xian)的(de)存在，導(dao)致表面裸露的(de)晶格結構呈現(xian)穩(wen)定的(de)周期性臺(tai)階，是表面加(jia)工所能達到(dao)的(de)理論光滑極限。

       顯然，基(ji)于(yu)(yu)磨粒壓(ya)入(ru)-塑(su)性(xing)耕(geng)犁的材料(liao)去除模式(shi)無法解釋 CMP 這種原子(zi)級(ji)的極限(xian)加工(gong)能力。另外，在(zai)典型的 CMP 工(gong)況下(xia)，拋光液中的納米磨粒壓(ya)入(ru)工(gong)件表面的深度(du)甚至小于(yu)(yu)一個原子(zi)直徑，在(zai)這種原子(zi)級(ji)別的壓(ya)入(ru)深度(du)下(xia)，基(ji)于(yu)(yu)連續介(jie)質理論(lun)的壓(ya)入(ru)-耕(geng)犁去除模式(shi)將不再(zai)適用于(yu)(yu) CMP 原子(zi)級(ji)材料(liao)去除機理的解釋。

       分子(zi)(zi)動力學(xue)（Molecular Dynamics, 簡(jian)稱 MD）由(you)于可在原子(zi)(zi)尺(chi)度展示所(suo)研究系統的動態運動過程(cheng)，目前已經成為研究 CMP 在原子(zi)(zi)尺(chi)度上的化學(xue)機械協同作用以(yi)及材料去除(chu)過程(cheng)的主要途(tu)徑之一。

       基于拋光過程的MD 仿真模(mo)型(xing)(xing)主要包括磨(mo)粒磨(mo)損模(mo)型(xing)(xing)和(he)磨(mo)粒沖擊模(mo)型(xing)(xing)。兩者(zhe)均(jun)利(li)用 MD 來(lai)模(mo)擬磨(mo)粒對(dui)工(gong)件表(biao)面的材料(liao)去除機制和(he)損傷機理，而前者(zhe)主要基于納(na)米(mi)切削或者(zhe)納(na)米(mi)壓痕過程的仿真。

       然而，傳(chuan)統MD方(fang)法(fa)基(ji)于牛頓力(li)學運動(dong)方(fang)程，無法(fa)考(kao)慮化學作用的(de)(de)影響，因此，模擬(ni)結果具有很大(da)的(de)(de)局(ju)限性。 基(ji)于反應(ying)力(li)場的(de)(de)分子動(dong)力(li)學（Reactive Force Field-Molecular Dynamics, 簡稱ReaxFF MD）方(fang)法(fa)是 MD 方(fang)法(fa)的(de)(de)一種(zhong)延伸，其突(tu)破了 MD 基(ji)于傳(chuan)統的(de)(de)牛頓運動(dong)定律的(de)(de)力(li)場體系(xi)，而采(cai)用第(di)一性原理的(de)(de)計(ji)算方(fang)法(fa)計(ji)算原子級(ji)(ji)別的(de)(de)動(dong)態過(guo)(guo)程。另外，通過(guo)(guo)建立勢能函數和鍵級(ji)(ji)的(de)(de)關系(xi)，ReaxFF-MD可以(yi)進(jin)一步用來描述體系(xi)中原子尺度的(de)(de)化學反應(ying)。

       下(xia)圖展示了SiO2 磨粒在閾值壓(ya)力下(xia)劃(hua)擦 Si 表面發生的單層原子(zi)去除(chu)過(guo)程。

 ;      在初始階段，如圖(a)所(suo)(suo)示，Si 工(gong)件和(he) SiO2 磨粒(li)表(biao)(biao)面分(fen)別和(he)H2O發(fa)生(sheng)(sheng)化學反應(ying)，生(sheng)(sheng)成(cheng) Si–H 和(he) Si– OH 官(guan)能團。接(jie)著，Si 和(he) SiO2 磨粒(li)在載荷(he)的(de)作(zuo)用下發(fa)生(sheng)(sheng)接(jie)觸，表(biao)(biao)面官(guan)能團重組形成(cheng) Si– O–Si 界面橋鍵，如圖(b)所(suo)(suo)示，其中顏色云(yun)圖表(biao)(biao)示 Si 原(yuan)子(zi)在載荷(he)作(zuo)用下的(de) Z 向位移。 在滑動過(guo)程中，界面 Si–O–Si 鍵將拉(la)應(ying)力傳遞給 Si 基(ji)體(ti)，促(cu)進 Si 基(ji)體(ti)中 Si–Si 鍵的(de)斷 裂，并(bing)發(fa)生(sheng)(sheng)表(biao)(biao)面單層(ceng) Si 原(yuan)子(zi)的(de)去除，如圖(c)所(suo)(suo)示。

       基(ji)于原(yuan)子(zi)力顯(xian)微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱 AFM）技術的(de) AFM 探針(zhen)試驗，是研究原(yuan)子(zi)尺(chi)度上材(cai)料去除過程的(de)重(zhong)要試驗方法。

       研究發現，金剛石針尖(jian)在劃擦(ca) Si 表(biao)面(mian)時，只有在大(da)載荷(he)(he)條件下(xia)才會造(zao)成材料(liao)去除，而 SiO2 針尖(jian)卻可(ke)以(yi)在更小(xiao)的載荷(he)(he)條件下(xia)產(chan)生更大(da)的材料(liao)去除，并且 SiO2 針尖(jian)的材料(liao)去除率和環境濕度密切相關。將這種現象(xiang)歸因于 SiO2 和 Si 在 H2O 環境中的表(biao)面(mian)羥基化(hua)。當(dang)外載荷(he)(he)作用(yong)時，SiO2 和 Si 表(biao)面(mian)的羥基脫水(shui)縮(suo)合(he)形成 Si–O–Si 界面(mian)橋鍵。

       這種(zhong)原子(zi)尺度(du)的(de)(de)機(ji)械(xie)化(hua)學反應，降低(di)了材(cai)料(liao)去(qu)除的(de)(de)能量閾值，使得 SiO2 針尖可以(yi)在更小的(de)(de)載荷(he)下去(qu)除材(cai)料(liao)，并進一步建立了單顆磨粒(li)的(de)(de)材(cai)料(liao)去(qu)除率和最(zui)大接觸壓(ya)力 Pmax 以(yi)及(ji)相對劃擦速度(du) v 之間的(de)(de)關系(xi)。

       基于上(shang)述原子(zi)尺度的(de)機械(xie)化學反應，科研人員利用直徑為 250 μm 的(de) SiO2探針，在單晶硅 Si(100) 面上(shang)實(shi)(shi)現了 Si 原子(zi)的(de)單層(ceng)去(qu)除(chu)，并通過(guo)高分(fen)辨(bian)透射(she)電鏡(jing)（High Resolution Transmission Electron Microscope，簡稱 HRTEM），證實(shi)(shi)了 Si 原子(zi)的(de)單層(ceng)去(qu)除(chu)現象(xiang)。

       盡管上(shang)述研究取得了一(yi)系列的(de)成果(guo)，然而，真實 CMP 過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)拋光環境更加(jia)復雜，涉及各(ge)類(lei)參數，各(ge)類(lei)材料在拋光過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)動態變(bian)化等等。

       以(yi)目前(qian)的(de)數值(zhi)模擬(ni)技術和試(shi)驗技術，要準確(que)建(jian)立真實(shi) CMP 過程中的(de)原子級材料去除模型仍舊存在困(kun)難(nan)。

       四、CMP 納/微/宏跨尺度材料去除

       化(hua)(hua)學機械協(xie)同作(zuo)用下(xia)的(de)(de)原子級材(cai)料(liao)去(qu)除(chu)過(guo)程是 CMP 技術最底層的(de)(de)物理過(guo)程。然而，這種從原子級的(de)(de)材(cai)料(liao)去(qu)除(chu)過(guo)程到(dao)宏觀材(cai)料(liao)去(qu)除(chu)過(guo)程的(de)(de)映射，是一個復雜的(de)(de)動態跨尺(chi)度問題。如下(xia)圖 (a)所示，拋(pao)(pao)光過(guo)程中，工件(jian)以給定載(zai)荷作(zuo)用在拋(pao)(pao)光墊表面并發生相對運動。與(yu)此同時，拋(pao)(pao)光液在離心力(li)的(de)(de)作(zuo)用下(xia)，流入工件(jian)和拋(pao)(pao)光墊之(zhi)間的(de)(de)接觸界面，提供(gong)供(gong)材(cai)料(liao)去(qu)除(chu)的(de)(de)納米磨(mo)粒(li)以及化(hua)(hua)學溶劑環(huan)境。

       拋(pao)光(guang)墊作為一種拋(pao)光(guang)工具，其(qi)表面存在大量的微觀粗糙結構，因(yin)此，粗糙的拋(pao)光(guang)墊表面只有一些局部高點才會和工件發生真實(shi)接觸(chu)，如圖(b)所示。

       在 CMP 過程(cheng)中(zhong)，納米磨粒嵌入在一(yi)個個接觸點內，并(bing)跟(gen)隨拋光墊一(yi)起，相對(dui)工件表面(mian)運動(dong)，如圖(c)所示。

       最(zui)后，在機械載荷以(yi)及拋光液的(de)化(hua)學作用(yong)下，磨粒和(he)工件(jian)之間發(fa)生原子級的(de)材料去除(chu)，如圖 (d)所示。

       五、拋光墊作用及分類

       拋(pao)光墊的微(wei)觀接(jie)(jie)觸(chu)狀(zhuang)態，指(zhi)的是拋(pao)光墊粗糙表面(mian)的高點(dian)和工件表面(mian)形成的接(jie)(jie)觸(chu)區域。

       一(yi)般來說，拋(pao)(pao)光墊(dian)(dian)/工(gong)件(jian)之間(jian)接觸點尺(chi)寸在 1~100 μm 范圍內(nei)。拋(pao)(pao)光墊(dian)(dian)的(de)微觀接觸狀態是拋(pao)(pao)光墊(dian)(dian)力學特性(xing)和表面微觀形貌的(de)綜合體現。

       拋(pao)光(guang)過程中，任何導致(zhi)拋(pao)光(guang)墊表面力學特性以(yi)及微觀形貌變化的的因素都會對拋(pao)光(guang)墊的微觀接觸狀態產生影響。

       以(yi)下(xia)是(shi)拋光墊微觀接(jie)觸狀態的(de)影響因(yin)素的(de)詳細討論：

       (1) 微觀接觸狀態主要取決于(yu)拋光墊的材料力學(xue)特性和結(jie)構(gou)特點

       拋(pao)光(guang)墊(dian)一般是由聚氨酯(zhi)材料(liao)制作而成，具(ju)有(you)(you)優良的(de)機械性(xing)(xing)能，耐磨損性(xing)(xing)，以及良好的(de)化學(xue)穩定(ding)性(xing)(xing)。另外(wai)，聚氨酯(zhi)材料(liao)具(ju)有(you)(you)很好的(de)可(ke)設計(ji)性(xing)(xing)和可(ke)加工(gong)(gong)性(xing)(xing)，可(ke)以滿足不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)工(gong)(gong)藝(yi)需求。這種設計(ji)和制造工(gong)(gong)藝(yi)的(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)，導致不(bu)(bu)同(tong)(tong)拋(pao)光(guang)墊(dian)之(zhi)間的(de)力學(xue)特(te)性(xing)(xing)和結(jie)構特(te)點(dian)差異明(ming)顯。基于(yu)拋(pao)光(guang)墊(dian)的(de)結(jie)構特(te)點(dian)，將主流(liu)的(de)商用拋(pao)光(guang)墊(dian)分為以下四(si)類，如表所(suo)示。

       可(ke)見，每(mei)種類型的拋(pao)光墊都(dou)有獨(du)特的表面(mian)(mian)微觀結構，表面(mian)(mian)微觀結構決定(ding)了拋(pao)光墊的真實接觸狀態(tai)，決定(ding)了磨(mo)粒在接觸界(jie)面(mian)(mian)內的承(cheng)載狀態(tai)以及工(gong)件表面(mian)(mian)的化學反應(ying)時(shi)間，從(cong)而對(dui)最終的材料(liao)去除率產生影響。

       另外，拋(pao)(pao)光(guang)墊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)力(li)學特性(xing)表現出明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)非線性(xing)特點(dian)，首先，為了保證拋(pao)(pao)光(guang)液在(zai)(zai)(zai)接(jie)觸界面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)存儲和(he)運輸，大(da)部(bu)分拋(pao)(pao)光(guang)墊都含有微孔或(huo)者間隙結構(gou)。以 IC1000 系(xi)列(lie)拋(pao)(pao)光(guang)墊為例，其在(zai)(zai)(zai)制備過(guo)程(cheng)中(zhong)會(hui)填充一定比(bi)例的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)空心聚合(he)物微球，混合(he)固化后(hou)在(zai)(zai)(zai)內部(bu)形(xing)成大(da)量(liang)半徑 10~50 μm 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)封閉(bi)微孔，這(zhe)種多孔結構(gou)導致拋(pao)(pao)光(guang)墊表現出明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料非線性(xing)特點(dian)。并且，由于(yu)拋(pao)(pao)光(guang)機械載荷(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用以及(ji)化學溶劑帶(dai)來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)聚氨酯水解現象(xiang)，拋(pao)(pao)光(guang)墊表層的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)力(li)學特性(xing)和(he)基體層也將存在(zai)(zai)(zai)很(hen)大(da)差異(yi)，同(tong)樣(yang)會(hui)帶(dai)來顯(xian)著的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)非線性(xing)問題。復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)力(li)學特性(xing)導致拋(pao)(pao)光(guang)墊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微觀接(jie)觸狀態變得更(geng)加復(fu)雜。

       (2) 微觀(guan)接觸(chu)狀態很容易受到拋光過程和修(xiu)整(zheng)過程的影響

       一方面(mian)(mian)，CMP 的運動特征導致拋(pao)光(guang)墊粗糙(cao)峰(feng)不斷經歷拋(pao)光(guang)載荷(he)以(yi)及剪切(qie)力的循(xun)環(huan)作用，從而誘發(fa)粗糙(cao)峰(feng)發(fa)生塑性流動并(bing)趨(qu)于平面(mian)(mian)化，這種(zhong)拋(pao)光(guang)墊表面(mian)(mian)平面(mian)(mian)化的現象(xiang)(xiang)也被稱為釉化現象(xiang)(xiang)，如圖(b)所(suo)示。

       另一方面，拋光(guang)液中的(de)磨粒很容易積累在表面微孔結構中，并導(dao)致(zhi)材料去除(chu)效率的(de)惡化以及(ji)劃痕的(de)產生(sheng)。因此，實際的(de) CMP 過(guo)程中大多會引入修整工(gong)(gong)藝來保證加工(gong)(gong)質(zhi)量以及(ji)加工(gong)(gong)過(guo)程的(de)穩(wen)定性。

       修整是對拋光墊表(biao)面(mian)進(jin)行機械加工(gong)的過程，如(ru)圖(c)所示。

       嵌有金剛(gang)石顆粒的(de)(de)修整盤在一定的(de)(de)修整載荷下劃擦拋(pao)(pao)光墊(dian)表(biao)(biao)面，通(tong)過(guo)金剛(gang)石顆粒的(de)(de)切割作用，重(zhong)新生(sheng)成(cheng)具有一定粗糙度的(de)(de)表(biao)(biao)面，如圖(d)所示。修整過(guo)程直接(jie)決定拋(pao)(pao)光墊(dian)表(biao)(biao)面的(de)(de)微觀形貌(mao)，從(cong)而(er)影響拋(pao)(pao)光墊(dian)/工件之間(jian)的(de)(de)微觀接(jie)觸(chu)狀態(tai)(tai)。然(ran)而(er)修整過(guo)程是一種隨機過(guo)程，如何表(biao)(biao)征(zheng)隨機修整過(guo)程中的(de)(de)微觀接(jie)觸(chu)特征(zheng)，是導致拋(pao)(pao)光墊(dian)微觀接(jie)觸(chu)狀態(tai)(tai)研究復(fu)雜的(de)(de)另外一個重(zhong)要因素(su)。

       六、CMP面臨的挑戰

       多行業的(de)應用導致CMP技(ji)術面臨多樣化的(de)材料以及加(jia)工(gong)工(gong)藝需求。CMP 技(ji)術所面臨的(de)多樣化挑戰(zhan)包括以下幾部分：

       (1)材料多樣化挑戰

       CMP 工藝所涉及的材料越來越多，包括玻璃、單晶硅、砷化鎵、碳化硅、氮化硅、氮化鎵、硅鍺化合(he)物、銅、鋁、鎢、金、藍寶(bao)石、金剛石和各種陶(tao)瓷等。

       根據易(yi)(yi)磨損（Easy to Abrade，簡(jian)稱 ETA），難(nan)(nan)磨損（Difficult to Abrade，簡(jian)稱 DTA）兩類(lei)機械特性和易(yi)(yi)反應(ying)（Easy to React，簡(jian)稱 ETR），難(nan)(nan)反應(ying)（Difficult to React，簡(jian)稱 DTR）兩類(lei)化學(xue)特性，將材料分為以(yi)下四個大類(lei)：

       (a)ETA–ETR材料，Cu，Al 這種質軟(ruan)、化學特(te)性活潑的金屬材料一般屬于(yu)這一類，其在 CMP 過程中很容易產生劃痕(hen)以及化學腐(fu)蝕現象(xiang)。

       (b)DTA–ETR材料(liao)，SiO2等氧化物阻擋(dang)層一般屬于這一類，雖然表面很難被劃擦，但是比較容(rong)易發生化學反應。

       (c)ETA–DTR材料(liao)，IC領域(yu)中的Low k材料(liao)和 MEMS 領域(yu)中 SU-8 光刻膠(jiao)就屬(shu)于這(zhe)一類。

       (d)DTA–DTR材(cai)料，一(yi)些新型的(de)寬禁帶半導體(ti)材(cai)料如 SiC 和 GaN 一(yi)般(ban)屬于這一(yi)類(lei)，材(cai)料本身比較硬(ying)且有(you)具有(you)很強的(de)化學反應(ying)惰性(xing)。

       可(ke)見(jian)，不(bu)同(tong)(tong)的材(cai)料具有不(bu)同(tong)(tong)的物理化(hua)學特性(xing)，而 CMP 技術本身又(you)是(shi)一種依靠(kao)化(hua)學和(he)(he)機(ji)械協同(tong)(tong)作(zuo)用(yong)實現材(cai)料去除(chu)的加工(gong)方(fang)式，材(cai)料多樣化(hua)的挑(tiao)戰(zhan)對 CMP 過程中化(hua)學和(he)(he)機(ji)械協同(tong)(tong)作(zuo)用(yong)的理解和(he)(he)控制提出(chu)新的要求(qiu)。

       (2) 加工技術指標的多樣化(hua)挑戰

       不(bu)同領(ling)域對CMP 的(de)(de)加(jia)工(gong)要求(qiu)和精度指標有(you)(you)所(suo)差異，即(ji)(ji)使是(shi)(shi)相同領(ling)域，不(bu)同工(gong)藝路線和流程(cheng)下的(de)(de)加(jia)工(gong)指標也有(you)(you)所(suo)不(bu)同。多樣化(hua)的(de)(de)加(jia)工(gong)技(ji)術(shu)(shu)指標是(shi)(shi) CMP 技(ji)術(shu)(shu)面臨(lin)的(de)(de)另一(yi)個挑戰。以 IC 制造為例，鰭(qi)式場效應晶體管(guan)（Fin Field-effect Transistor，簡稱 FinFET）是(shi)(shi)7nm制程(cheng)下廣泛(fan)使用的(de)(de)工(gong)藝設計(ji)。FinFET 制造中(zhong)對 CMP 技(ji)術(shu)(shu)提出的(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)指標是(shi)(shi)在 SiN 和 SiO2 層上實現 Poly-Si 層的(de)(de)選擇(ze)性去除(chu)，即(ji)(ji)要求(qiu) CMP 在平坦化(hua)過程(cheng)中(zhong)具有(you)(you)較高的(de)(de)選擇(ze)性去除(chu)能力，滿足(zu) Poly-Si 的(de)(de)高去除(chu)率又保(bao)證作為襯底材(cai)料的(de)(de) SiN，SiO2 不(bu)被去除(chu)。

       而3D-NAND 是(shi)一(yi)種將存儲(chu)單元在(zai)垂(chui)(chui)直(zhi)方向(xiang)進(jin)行(xing)堆疊從而提高芯片存儲(chu)容量的技術(shu)。為了滿足存儲(chu)單元在(zai)垂(chui)(chui)直(zhi)方向(xiang)堆疊，就需(xu)要(yao)一(yi)些大的溝道結構，導致阻擋層(ceng)和隔離層(ceng)材料如 SiN，SiO2以及(ji) poly-Si 在(zai)沉積時，出現明顯(xian)的高度差，如下圖(a)所(suo)示。

       為了保證(zheng)全局(ju)和局(ju)部的(de)(de)平(ping)坦化的(de)(de)要(yao)求，就要(yao)在一(yi)次 CMP 過程中實(shi)現(xian)SiN，SiO2 以及 Poly Si 這幾種不(bu)同材料的(de)(de)同時去(qu)除(chu)，這提出了和 FinFET 制造中不(bu)同的(de)(de)工藝需求。

       另外，半導體制(zhi)造流(liu)程在前段制(zhi)程（Front End of Line）以及后段制(zhi)程（Back End of Line）中經常遇到(dao)一(yi)些(xie)高縱(zong)深(shen)比(bi)(bi)的(de)(de)(de)三維結(jie)構。這些(xie)高縱(zong)深(shen)比(bi)(bi)的(de)(de)(de)三維結(jie)構在填充后，很容易產生(sheng)一(yi)些(xie)大的(de)(de)(de)臺階高度，如上(shang)圖(b)所示(shi)，這些(xie)高縱(zong)深(shen)比(bi)(bi)結(jie)構的(de)(de)(de)存在，則對 CMP 的(de)(de)(de)去除效(xiao)率提出新(xin)的(de)(de)(de)要(yao)求。

       (3)各(ge)產業未來發(fa)展的(de)挑戰

       隨著各領(ling)域的發展，各種新(xin)型材料(liao)會被不(bu)斷的開發出來(lai)，一些傳統材料(liao)也在(zai)新(xin)的背景需(xu)求(qiu)下得到新(xin)的應用。

       同(tong)時，各個領域的(de)不斷的(de)發(fa)展又會不斷提出新(xin)的(de)加工工藝指(zhi)標(biao)和(he)技術要求，這就需要 CMP 技術具有很強的(de)適應(ying)能(neng)(neng)力和(he)調控能(neng)(neng)力，能(neng)(neng)夠快速滿足產業(ye)化需求。如何快速開發(fa)針(zhen)對特(te)定(ding)材料和(he)加工性能(neng)(neng)要求的(de) CMP 工藝，是決定(ding)未來市場(chang)競爭力和(he)產業(ye)化速度(du)的(de)關(guan)鍵(jian)問題(ti)之(zhi)一，同(tong)樣也是 CMP 技術面臨(lin)的(de)新(xin)的(de)挑戰。

       以(yi)IC領(ling)域為例(li)，集成(cheng)電路正繼續遵循(xun)摩爾定律向著更(geng)小線(xian)寬(kuan)、更(geng)多互連層數、更(geng)大晶(jing)圓尺寸(cun)的方向發(fa)展，對晶(jing)圓平坦化工(gong)藝的平整度和缺陷控制(zhi)的要求(qiu)越來越苛刻，可以(yi)預見，CMP 技術將成(cheng)為未(wei)來 IC 制(zhi)造的瓶頸之一。

       下表列舉(ju)了 IC領域中新的發展趨勢(shi)對(dui)于(yu) CMP 技術的影(ying)響(xiang)。

       對于(yu)晶(jing)(jing)體管(guan)來說，為了(le)提高晶(jing)(jing)體管(guan)柵極結構的電子遷移率，提出利用Ge、III-V族半導體和石墨烯以(yi)及碳納(na)米管(guan)等(deng)碳類材(cai)料作為溝道材(cai)料的 MOSFET 結構。

       這種新型三維(wei)結構和柵極材料的使用，導致 CMP 技術的開發(fa)難度(du)急(ji)劇增加。對(dui)于互連(lian)來說， 隨著互連(lian)線寬縮小，互連(lian)溝槽深寬比增大，傳統的鉭基(ji)阻(zu)擋層無法(fa)實現(xian)均勻沉(chen)積，容易出(chu)現(xian)縮口現(xian)象(xiang)。因此，提出(chu)新的銅/釕（鈷）亞(ya) 10nm 結構來替(ti)代傳統的銅/鉭結構。

       然而，銅、釕(liao)之間的(de)(de)(de)電(dian)化學(xue)性能差異極大，如(ru)果機械力和(he)化學(xue)的(de)(de)(de)耦合作(zuo)用控(kong)制不當，極易(yi)導致界(jie)面電(dian)偶腐(fu)蝕(shi)，造成芯片斷(duan)路。因此，這種新型結(jie)構的(de)(de)(de)使用對 CMP 過程中機械和(he)化學(xue)作(zuo)用的(de)(de)(de)調控(kong)提出了更嚴格的(de)(de)(de)要(yao)求。

       七、總結

       可以(yi)預見(jian)，在未來幾年，隨著不(bu)同物理化學響應的(de)(de)拋光材(cai)料(liao)的(de)(de)增加，再加上面(mian)形精度、表面(mian)粗糙(cao)度、材(cai)料(liao)去除均勻性、材(cai)料(liao)選擇去除性等不(bu)同加工結果的(de)(de)要求，CMP技(ji)術面(mian)臨越來越多(duo)樣(yang)化的(de)(de)挑戰。然而，由于影(ying)響 CMP 加工質量和(he)效率的(de)(de)因(yin)素眾多(duo)，且各因(yin)素的(de)(de)影(ying)響間存在復雜的(de)(de)耦合(he)關系(xi)，人(ren)們依舊需要提高對 CMP 技(ji)術機理的(de)(de)認知(zhi)。 

       好了，關于化學(xue)(xue)機械(xie)拋(pao)光CMP的知識就介紹到這兒，歡迎各(ge)位同學(xue)(xue)閱讀《半導(dao)體全解》的其它文章！