在半导体芯片集成芯片的生产过程中，所有的电路器件都是要通过光刻工艺将电路布局结构印制在硅晶圆上的。目前，集成电路芯片的集成度越来越高，在芯片的电路布局上横向和纵向的拓展也在不断增加——横向上，电路布局越密集，两个相邻的电路间距就越短；纵向上，互联金属层的个数在不断增加，从原来的三层四层增至现在十一、十二层。

这些工艺每一个都需要光刻工艺的参与，而光刻工艺完成的质量非常依赖硅晶圆的表面特性。硅晶圆表面的高低起伏、杂质污染都会造成光刻工艺的缺陷，甚至造成产品的报废。从下图可看出，未经平坦化处理的晶圆，会导致芯片的电路布局结构受到多大的影响。

左：没有平坦化技术的互联层 右：采用了平坦化技术的互联层

为了保证产品质量，化学机械抛光（CMP）技术成为了目前主流的抛光方法，其原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术，是目前机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术。在实际制造中，它主要的作用是通过机械研磨和化学液体溶解“腐蚀”的综合作用，对被研磨体（半导体）进行研磨抛光。

在这个过程中，抛光液是完成CMP的主要力量。在抛光液中主要包含了化学药剂和超精细固体抛光颗粒，其中化学药剂的成分、浓度、pH值，抛光颗粒的种类和粒度，抛光液的流速和流动途径都对CMP的加工质量造成影响。目前铬离子抛光、铜离子抛光和SiO₂胶体抛光这三种抛光方法都能投入使用，但最终获得行业领先地位的只有SiO₂胶体抛光，具体原因请看以下对比。

抛光液颗粒

铬离子抛光

铬离子抛光的原理是利用颗粒小、硬度大、棱角锋利的三氧化二铬颗粒作为机械研磨的微粒。研磨后产生的机械损伤层随时又被氧化剂重铬酸铵电离出来的重铬酸根Cr₂0₇^2-离子腐蚀掉，从而达到抛光的效果。重铬酸根离子氧化腐蚀硅的离子反应式如下：

3Si+2Cr₂0₇^2-+16H⁺→3SiO₂+4Cr³⁺+8H₂O

铬离子抛光既有机械抛光的平整度好、无桔皮状腐蚀坑等的优点，又有化学抛光结构损伤较小的优点，而且速率快，成本低。但由于Cr₂O₃颗粒较大且不均匀，造成硅晶片表面损伤较大，仅仅作为一种粗抛的方法。

铜离子抛光

铜离子抛光是通过铜离子与硅片间的氧化还原反应而达到抛光目的，其反应产物借助抛光垫的机械磨擦作用除去。铜离子抛光的反应式如下：

Si+2CuCl₂+6NH₄F→2Cu+4NH₂CI+(NH₄)₂[SiF₆]

铜离子抛光具有抛光速率快、表面质量好等优点。由于此法是以化学反应为主无磨料抛光方法，其抛光效果与硅片的电学性能和内在质量关系很大，因此抛光硅片表面平整度等几何精度难以控制，而且铜离子易在缺陷处沉积，不易清洗干净，引进铜离子的沾污，影响了器件质量的稳定性，这使得铜离子抛光在实用上存在一定困难。

SiO₂胶体抛光

碱性SiO₂胶体浆料是利用碱与硅的化学腐蚀反应生成可溶性硅酸盐，通过细小柔软、比表面积大、带有负电荷的SiO₂胶粒的吸附作用，及其与抛光垫和硅片间的机械摩擦作用，及时除去反应产物，使之连续地在硅片表面进行化学机械抛光。同时借助SiO₂的吸附活性和碱的化学清洗作用，达到去除硅片表面损伤层与玷污杂质的抛光目的。

SiO₂胶体抛光的优点有：①SiO₂的硬度与硅的硬度相近（莫氏硬度均为7）；②粒度细，大约为0.01~0.1um，因而抛光表面的损伤层极微，抛光表面的氧化诱生层错基本小于100/cm²，能满足大规模和超大规模集成电路的要求。因此它已基本取代了以上的两种化学机械抛光方法。

凭借这些优势，SiO₂胶体抛光不仅能对单晶硅片进行抛光，还能对层间介质（ILD）、绝缘体、导体、镶嵌金属（W、Al、Cu、Au）、多晶硅、硅氧化物沟道等材料进行平面化处理，在薄膜存贮磁盘、微电子机械系统（MFMS）、先进陶瓷、磁头、机械磨具、精密阀门、光学玻璃、金属材料等表面加工领域也多有应用。

目前SiO₂胶体抛光已成为应用最为广泛的全局平面化技术，前景可谓一片大好。如果您想对这种技术做进一步的了解，请不要错过在7月2-3日于广州举办的“2020全国二氧化硅材料创新与应用技术交流会”，届时不仅会有相关的报告内容展示，而且还会有众多的相关产业链从业者参会，感兴趣的话就请扫描下方二维码报名吧！

粉体圈 小榆