化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技术的概念是1965年由Monsanto首次提出，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。而后CMP工艺在美国以SEMATECH为主的联合体的推动下，最早于1994年首先在美国进入工艺线应用，随后这项工艺便被迅速发展到全球。

CMP技术最重要的应用领域之一：晶圆抛光

由于半导体制造技术不断向微细化、高速、高密度方向发展，因此适用于平坦化工艺的CMP技术的市场规模近年来得到了迅速增大，CMP设备更成为了任何芯片制造商不可或缺的必备工具。而且随着技术节点的持续降低，对于金属和介质的平坦化次数越来越多，且对均匀性的要求越来越高，CMP技术日益凸显其重要性。

一、CMP抛光工艺技术原理

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，最大程度减少较硬材料与较软材料在材料去除速率上的差异，也有效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。

CMP技术原理图

CMP工艺平坦化原理是，利用机械力作用于圆片表面，同时由研磨液中的化学物质与圆片表面材料发生化学反应来增加其研磨速率。其中，化学反应过程是抛光液中化学反应剂与材料表面产生化学反应，将不溶物转化为易溶物或软化高硬度物质，生成比较容易去除的物质；机械磨削则是材料表面对抛光垫做相对运动，并利用研磨液中的磨粒与发生机械物理摩擦，从材料表面去除化学反应过程生成的易去除物，溶入流动的液体中带走，二者协同配合。除此之外，影响抛光效果的因素还有研磨头下压力等其他参数。

抛光过程原理图

二、CMP工艺中的重要组成部分

CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光浆料、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。CMP技术难点是干和湿混合、要在化学和机械之间找好平衡。

1.消耗品材料

CMP工艺中最重要的两大组成部分是研磨液和研磨垫，抛光液和抛光垫均为消耗品，抛光垫的使用寿命通常为45~75小时。

①抛光液：抛光液分为酸性抛光液和碱性抛光液，是均匀分散胶粒的乳白色胶体，主要起到抛光、润滑、冷却的作用。以碱性SiO₂抛光液为例，其成分主要包含研磨剂（SiO₂胶粒）、碱、去离子水、表面活性剂、氧化剂、稳定剂等。目前一些较新型的抛光液会倾向于让抛光液的化学去除作用效果比机械去除作用效果要大，来减小机械作用造成的缺陷，而研磨剂的材料则会采用氧化铈材料替代传统硅石磨料。

抛光液

②抛光垫：抛光垫是一种具有一定弹性疏松多孔的材料，一般是聚亚氨酯类，主要作用是存储和传输抛光液，对硅片提供一定的压力并对其表面进行机械摩擦。抛光垫技术进步相对于抛光液要缓慢，发展方向主要集中在提高工艺能力、降低工艺缺陷方面。在保证平坦化质量的前提下，研究抛光垫表面形貌，能为抛光液最大应用效能研究提供支撑。

抛光垫

2.设备组成

CMP设备主要分为两部分，即抛光部分和清洗部分，抛光部分由4部分组成，即3个抛光转盘和一个圆片装卸载模块。清洗部分负责圆片的清洗和甩干，实现圆片的“干进干出”。

CMP工艺流程（来源：AMAT公司官网，赛迪顾问）

①抛光部分

CMP设备是 CMP 技术应用的载体，集摩擦学、表/界面力学、分子动力学、精密制造、化学化工、智能控制等多领城最先进技术于一体，是集成电路制造设备中较为复杂和研制难度较大的设备之一。其中抛光部分由抛光头、研磨盘等组成，分别起到的作用如下：

l抛光头：通常具有真空吸附装备用于吸附晶圆，防止晶圆在抛光过程中产生位移，同时向下施加压力。

l研磨盘：起到对晶圆的支撑作用，承载抛光垫并带动其转动并对抛光头压力大小、转动 速度、开关动作等进行控制。

根据 Gartner 数据，CMP 设备占半导体设备投资的比例约为3%。目前CMP设备两大厂商AMAT（美国应用材料）及Ebara（日本荏原）占据着300 mm晶圆的90%以上的市场。此

外国外还存在KC TECH、东京精密等规模较小的 CMP 设备企业。国内CMP设备龙头企业则是华海清科产品广泛应用于12寸晶圆加工领域。

2019年各CMP设备企业的市场占比图

②清洗部分

在晶圆制造过程中清洗可以减少杂质、提升良率，因此在光刻、刻蚀、薄膜沉积等重复性工序后，都需要一步清洗工序，清洗步骤约占整体工艺步骤的33%。值得一提的是，200 mm工艺中，CMP后清洗系统可相对于CMP离线配合应用，进入300 mm工艺，CMP集成后清洗系统已经成为CMP设备的标准模组。而且随着制造节点不断缩小，清洗效果要求越来越高，对器件的微结构损伤要求越来越苛刻，如在14 nm节点，后清洗颗粒的指标要求大于30 nm的缺陷颗粒小于10颗。

CMP后的清洗流程中晶圆的表面状况

目前整个清洗设备上游包括气路系统、管路系统、控制系统等，中游为清洗设备的设计和制造，下游则应用于Foundry厂、IDM厂等。清洗工艺则分为湿法清洗和干法清洗，湿法清洗采用特定的化学液体，主要包括溶液浸泡法、机械刷洗法、超声波清洗法等，干法清洗主要包括等离子清洗、气相清洗法等，目前 90%以上的清洗步骤为湿法工艺。

③检测部分

另外除了以上两部分外，还需要终点检测设备，它主要是用于检测 CMP 工艺是否把材料磨到正确的厚度，避免过薄（未起到抛光作用）及过厚（损失下层材料）带来的负面影响，通常使用电性能及光学两种测量方式。

资料来源：

李丹. 化学机械抛光(CMP)技术、设备及投资概况[J]. 电子产品世界,2019,26(6):31-34.

童志义. CMP设备市场及技术现状[J]. 电子工业专用设备,2000,29(4):11-18. DOI:10.3969/j.issn.1004-4507.2000.04.003.

柳滨,周国安. 450 mm晶圆CMP设备技术现状与展望[J]. 电子工业专用设备,2014(3):33-36,60. DOI:10.3969/j.issn.1004-4507.2014.03.005.

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