CMP技术是现代集成电路制造过程中的核心环节，它提供了一种有效的方法来保证芯片表面的平坦度，以支持更高密度和更小尺寸的电路制造。CMP抛光液作为抛光过程中的关键介质，其组分及其性质对抛光效果起决定性作用，其中pH值调节剂的添加能够为CMP抛光过程提供一个稳定的抛光环境，改变磨粒表面的Zeta电位和其他化学添加剂的溶解度等，因此，选择合适的PH调节剂对于提高抛光效率和保证产品质量至关重要。下面小编带大家了解一下CMP抛光液中PH调节剂的选择策略。

来源：苏州铼铂机电科技有限公司

根据其化学结构中是否含有作为其骨架的碳元素以及电离出的H⁺和OH^-，PH调节剂可分为分为无机酸类、有机酸类、无机碱类和有机碱类四种类型：

1、无机酸类：

无机酸类pH调节剂包括硝酸(HNO₃)、磷酸(H₃PO₄)、硫酸(H₂SO₄)等，常用于镁合金、铜等金属材料的抛光。由于能够快速腐蚀材料表面，在提高抛光效率方面有着显著优势，同时也能得到光滑平整的抛光后表面。

以磷酸(H₃PO₄)抛光镁合金为例，镁合金基底首先会被H₃PO₄腐蚀，生成的镁离子在表面聚集并与抛光液中的配体形成黏度很大的磷酸盐黏液膜覆盖在金属表面，阻止金属表面被过度腐蚀。随着反应不断进行，黏液膜逐渐积累达到一定的厚度，由于镁合金表面微凸部位的黏液膜较薄，会被优先溶解并被继续腐蚀，使得凸起部位被迅速整平，从而实现材料表面的均匀抛光，提高表面光洁度。

抛光前后镁合金的表面形貌

此外，有些无机酸（如硫酸等）跟某些金属如铁、铝等接触，还能够使金属表面生成一薄层致密的氧化物保护膜，即钝化膜，阻止内部金属继续腐蚀的同时，还可增加摩擦力，加强机械研磨作用来提高抛光效率。

不过，无机酸类pH调节剂由于酸性较强，腐蚀性强，对实验人员和操作环境有较大威胁。同时无机酸在抛光过程中会将大量的金属离子引入抛光液中，不仅可能导致金属表面的二次污染，还可能因排放含有金属化合物的废水，对环境造成不可忽视的污染。

2、有机酸类

有机酸类pH调节剂包括柠檬酸(C₆H₈O₇)、苹果酸(C4H6O5)、醋酸（CH₃COOH）等。有机酸还可以在抛光液中起到螯合金属离子的作用，可以同时和多个金属离子反应形成大分子络合物，大大提高抛光效率的同时，将去除的材料溶解在抛光液中，减小杂质颗粒对抛光过程污染。此外，有机酸与其他添加剂的复配协同作用可提高平坦化性能，比如柠檬酸与NaClO复配时，柠檬酸降低了PH值，可增加HClO的含量，有助于加速材料表面钝化层的形成，保护材料不被过度腐蚀，并提高材料去除速率。

由H₂O₂、苹果酸、SiO₂和去离子水配置成的镍合金CMP抛光液

与无机酸类pH调节剂相比，有机酸是一种无毒无害且作用温和的绿色环保添加剂，不会对材料表面造成污染，也不会对环境造成破坏，有望成为未来CMP领域的研究热点。

3、无机碱类

无机碱类PH调节剂包括氢氧化钾(KOH)、氢氧化锶(Sr(OH)₂)、氢氧化钠（NaOH）等，较常用于抛光硅、氧化物及光阻材料等非金属类材料的抛光，因具有成本低廉、反应温和、化学性质稳定的优点而受到不少人关注，其作用机理是在碱性条件下可以在基底表面生成一层软化层，在机械作用下更容易被去除。

CaF₂晶圆在含有KOH及SiO₂的抛光液中的CMP原理

利用无机碱配合SiO₂制备的抛光液对材料进行抛光时，无机碱在水中电离出的金属离子也会随着浓度的增加和SiO₂磨料发生团聚作用，增大与晶圆表面之间的摩擦系数，加强机械研磨作用，从而进一步提高材料去除速率，同时硅溶胶在这种碱性环境中相比在酸性环境有着更高的分散稳定性，可保证抛光一致性。但无机碱类PH调节剂仍不可避免会引入金属离子污染材料表面，因此，针对一些非金属类的被抛光材料，人们开始关注有机碱类pH调节剂。

4、有机碱类

有机碱类pH调节剂除了包括自然界中存在的精氨酸等天然氨基酸外，还有人工合成的有机胺和胺的衍生物等。这类PH调节剂可以缓慢释放自身的羟基来平衡抛光液的pH值，起到pH缓冲作用来维持抛光化学环境，保证腐蚀的均匀性，优化衬底表面粗糙度，并在基底表面生成一层钝化膜，大大提高材料去除速率。相比无机碱类PH调节剂，其不会引入杂质金属离子污染抛光材料表面，同时其无毒无害的性质也符合绿色环保制造要求。

此外，有机碱不仅可作为pH调节剂，还可作为络合剂、缓蚀剂、分散剂、助氧剂等，实现了一剂多用。例如，四甲基乙二胺(C₆H₁₆N₂)等以氮原子作为配位中心的有机碱用于抛光金属材料时，可以与金属离子发生螯合反应生成大分子量的铵盐，而后这些铵盐溶解并脱离金属表面，可以提高抛光效率。而有些有机碱，如乙二胺(EDA)用于硅材料的抛光，则可以极化硅原子形成氧化物，而后利用磨粒的机械摩擦作用，实现快速抛光。

 利用EDA抛光硅基材料的反应过程示意图

小结

PH调节剂作为CMP抛光液中的重要组成成分，可以提供一个稳定的抛光环境。在当前四类PH调节剂中，无机碱成本低廉、化学性质稳定，目前被普遍采用，而无机酸能够带来很高的抛光速率，但易对设备造成腐蚀，操作存在一定的危险性，且不符合环保理念。有机碱和有机酸调节的抛光液稳定性较差，难以长时间保存，其合成工艺复杂、成本高，仍需要进一步研究解决，以在未来实现更广泛的应用。

参考来源：

董常鑫,牛新环,刘江皓,等.pH调节剂在CMP工艺中的应用研究进展[J].半导体技术.

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