随着先进电子产品制造朝着高精度、高性能、高集成度和高可靠性的方向快速发展，对许多部件表面的平整性提出了前所未有的高要求，原子级平整表面成为先进电子产品如计算机硬盘、磁头、集成电路硅晶片等制造中的共同要求。我们都知道，化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技术被誉为是当今时代能实现集成电路（IC）制造中晶圆表面全局平坦化的目前唯一技术，可达到原子级超高平整度，其效果直接影响到芯片最终的质量和成品率。

为什么需要原子级平整呢？

首先，在芯片制程中，随着芯片制程的进一步减小，更先进的芯片制程工艺对晶圆平整度和表面粗糙度的要求越来越高。当工艺节点达到3nm甚至更小时，光刻过程对于晶圆表面质量的要求趋于原子量级。

AMSL预测半导体制程升级规划

其次，晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节，尽管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上，但大多数器件和IC都做在经过外延生长的衬底上，原因是外延层比衬底材料更易于获得完美可控的晶体结构，更利于材料的应用开发。目前外延技术已成为绝大多数微波器件、光电器件、功率器件等制作不可缺少的工艺技术，特别是分子束、金属有机气相外延技术在薄层、超晶格、量子阱、应变超晶格、原子级薄层外延方面的成功应用，为半导体研究的新领域“能带工程”的开拓打下了夯实的基础。

随着分子束外延技术的发展，所生长的超晶格和异质结构体系已从最初的GaAs/AlGaAs体系扩展到其他的III-V族半导体及IV族，II-VI族半导体等。在所有这些多层结构的制备中，都要求衬底表面达到原子级平整，才有可能在其上面生长成界面缺陷少、电子特性良好的异质结构。

抛光后外延层生长

原子级平整的要求及加工技术发展

原子级平整，顾名思义，就是对于其表面粗糙度控制达到了原子大小。例如，目前，半导体工业可通过物理和化学方法（化学机械抛光）抛光出表面粗糙度(Sa)小于0.5 nm（1-2个原子层厚度）的硅晶圆，这对于抛光加工技术是一项巨大的挑战。

原子加工制造方法主要有离子束抛光、等离子抛光和化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)。

1.化学机械抛光

化学机械抛光主要利用化学能将原子键打开，实现原子级去除，是一种广泛认可的全局平坦化原子级加工制造方法，其主要原理是通过抛光液中化学试剂的化学腐蚀和纳米磨粒的机械磨削双重耦合，从而在原子水平上去除表面缺陷，获得全局平坦化表面，现已广泛应用于集成电路半导体晶圆的原子表面制造中，对微机电系统与微电子技术的发展具有十分重要的意义。

除此之外，近年来化学机械抛光技术凭借其优异的高质高效、超低损伤、效果稳定等工艺特点，在航空、航天、军事国防、新能源汽车、通信工程、物联网、人工智能等军民领域关键零部件和器件材料的超精密表面制造中均得到了广泛应用。

化学机械抛光原理示意图

扩展阅读：

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2.离子束抛光

目前在光学加工领域，离子束抛光（Ion Beam Figuring，IBF）技术已经逐渐取代机械抛光方法。离子束抛光与传统的机械抛光方法来说，离子束IBF加工的主要优点之一是离子束在元件加工上的非接触性，没有传统机械工具的接触导致的损伤后果。

对于离子束抛光相关的物理过程叫做“溅射”，离子溅射可以应用于任何材料，对于加工较硬的材料（如Si或SiC）和抛光高分子材料（如MgF₂、CaF₂、Si或WC）时，溅射过程的离子束抛光也可以取得比较好的加工效果。

离子束抛光可实现的表面粗糙度

其加工原理是带有一定能量的离子束（Ar+）流轰击非球面表面后，离子将同浅层表面内的原子不断地碰撞，在碰撞中与浅层原子进行能量交换，获得能量的原子继续将能量传递给周围原子，形成级联运动。当原子由于碰撞所获得的能量大到可以挣脱表面束缚时，将从固体表面脱离出去形成溅射原子，从而实现原子级别的去除精度。

离子束抛光示意图

3.等离子抛光

等离子体抛光是利用化学反应来去除表面材料而实现抛光的方法，通过射频发生器(RF)采用特定气体，制成含有自由基团（如OH自由基团、O自由基）的活性等离子体，当活性等离子体与工件表面作用，发生化学反应，生成易挥发的混合气体，从而将工件表面材料去除。
等离子体抛光技术具有可扩展性，尤其是对于一些加工难度高的硬质材料，如SiC、金刚石晶圆等，无论晶圆尺寸如何，都能提供相同的效果。这使得符合行业标准的晶圆处理、监测与控制技术得以应用，从而减少接触时间，同时提高产量与效率。

目前由于技术还在发展初期，且设备成本较高，等离子辅助磨粒抛光是当前普遍采用的方法。

总结

目前，原子级平整表面加工中的关键技术主要依赖进口，极大地制约了中国超精密加工技术的发展。因而，研究具有自主知识产权的原子级平整表面加工技术的具有重要的战略意义。目前虽CMP抛光技术为市场主流，但如何避免了传统抛光工艺中所出现的由于剪切与挤压等机械作用而导致的表面与亚表面损伤，实现无损伤的原子级表面制造，仍是迄待突破的课题。

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