CMP全称为化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing），是半导体晶片表面加工的关键技术之一，比如说单晶硅片制造过程和前半制程，往往需要多次用到这项技术，使硅片表面变得更加平坦，并且还具有加工成本低及加工方法简单的优势，因而成为目前最为普遍的半导体材料表面平整技术。

CMP工艺原理

与此前普遍使用的机械抛光相比，化学机械抛光工艺中多出了化学腐蚀的部分，整个过程是化学作用与机械作用的交替进行，氧化作用在化学层面上为抛光提供协助，磨粒的去除作用在最适合的化学作用下发挥出优化晶片表面质量的作用，两者互为补充。具体如下：

①化学腐蚀–抛光液： 首先是介于工件表面和抛光垫之间的抛光液中的氧化剂、催化剂等于工件表面材料进行化学反应，在工件表面产生一层化学反应薄膜；

②机械摩擦–抛光垫： 然后由抛光液中的磨粒和由高分子材料制成的抛光垫通过机械作用将这一层化学反应薄膜去除，使工件表面重新裸露出来，然后再进行化学反应。

至于CMP工艺中的“化学反应”为何，根据情况可为芬顿反应、过硫酸钠、高锰酸钾、氢氧化钾等不同的氧化反应。根据研究发现，经过通过对四种氧化反应进行对比，会发现芬顿反应之后的半导体晶体表面出现的氧化层最明显、氧化范围最大。由于CMP的加工效率主要由工件表面的化学反应速率决定，因此近年许多学者都对半导体晶圆CMP加工中的芬顿反应进行了相关研究。到底它是何方神圣，接下来我们就来一起了解一下~

什么是芬顿反应？

芬顿反应最早是1894年由法国的科学家Fenton发现并提出的，它是一种过氧化氢与二价亚铁离子结合形成具有强氧化性的反应体系。在亚铁离子的催化作用下，H₂O₂的分解活化能变得非常低(34.9kJ·mol^-1)，因此在反应过程中很容易产生数量众多的中间态的活性氧化物质羟基自由基(·OH)。羟基自由基(·OH)在自然界中拥有着仅次于氟气的氧化还原电位(E=2.80V)，是一种氧化能力极强的氧化剂，羟基自由基与其他常见的氧化剂的氧化电位对比如表所示。

常见氧化剂的氧化电位

而在芬顿反应体系的实际应用中，由于亚铁离子本身的状态非常不稳定，非常容易被其他物质氧化（例如三价铁离子、氧气等），所以也经常直接使用三价Fe离子或者零价铁取代二价亚铁离子作为催化剂。

PS：芬顿反应最初是应用在环境保护领域的污水废水处理中，它被认为是最强的氧化反应之一，可以将污水废水中的毒性较大有机物氧化成无毒或毒性较小的无机物，这个反应的组成成分包含过氧化氢溶液和亚铁离子。在实际的污水处理、生产加工或科学研究中，为了应对维持反应持续进行从而需要不断的添加亚铁盐的问题，经常使用其他的状态相对稳定的含铁催化剂代替亚铁盐形成类芬顿反应进行实际应用。

代表应用

1、SiC（碳化硅）

碳化硅(SiC)单晶材料具有禁带宽度大、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等突出特性，因此弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷，正逐渐成为功率半导体的主流。

日本的Kubota等首先将芬顿反应应用于SiC的抛光并通过实验证实了其在SiC抛光中的有效性和高效率，国内则由国防科技大学戴一帆教授课题组率先进行了相关研究，并优化了芬顿反应在单晶SiC抛光加工中的应用方式，采用了铁棒取代二价亚铁离子做催化剂的类芬顿反应应用在抛光中，同样证实了在SiC抛光是有效的。

在对单晶SiC的化学机械抛光中，芬顿反应的基本作用是通过在化学抛光液中大量产生强氧化剂羟基自由基来加速对SiC表面的腐蚀，快速形成硬度较软、结合力较小的SiO₂氧化层，再利用抛光液中的磨粒将其去除。而如何更好的在现有的设备和工艺条件下实现芬顿反应在CMP中的作用以及配制出适合SiC单晶片抛光的基于该反应的抛光液需要深入的研究分析。

2、GaN（氮化镓）

GaN材料为第三代半导体晶圆基材，在产业中有着良好的应用前景。GaN晶片材料具有优异的物理特性，材料熔点高、耐腐蚀、禁带宽、低介电常数，且具有高击穿电场和高电子迁移率，广泛应用于微电子器件及光电子器件等领域的高频高功率器件的制作。正是由于GaN材料具有稳定的物理化学特性，既耐酸又耐碱，其精密抛光过程难度大。

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GaN晶片芬顿反应CMP的基本原理是利用芬顿反应过程中生成的羟基自由基(·OH)的强氧化性将难腐蚀的GaN氧化分解成相应氧化物Ga₂O₃。Ga₂O₃虽然不溶于水，但其硬度明显低于GaN，莫氏硬度约为6.5，易被机械切削去除。

目前GaN晶片使用的芬顿反应溶液一般由氧化剂（H₂O₂）、催化剂（Fe₃O₄粉末/FeSO₄溶液）、磨料（硅溶胶/氧化铝/氧化铈）、基液（去离子水）组成。为了进一步提高GaN晶片的加工质量，通过研究H₂O₂质量分数、催化剂种类、磨料种类、磨料粒径、磨料质量分数等参数，优化抛光液组分优化配比将是主要的发展方向。

资料来源：

王磊. 基于芬顿反应的单晶SiC化学机械抛光液研究[D]. 广东:广东工业大学,2015. DOI:10.7666/d.Y2795863.

严杰文,路家斌,黄银黎,等. GaN晶片芬顿反应化学机械抛光液组分优化[J]. 金刚石与磨料磨具工程,2022,42(5):610-616. DOI:10.13394/j.cnki.jgszz.2022.5001.

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