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一、化学机械抛光概述
超精密抛光工艺可大致分为机械抛光和非机械抛光。
前者主要是选择硬度较高的磨粒，通过磨粒的机械作用去除材料，此类方法包括超声辅助抛光、磁流变抛光、流体喷射抛光等；后者主要是通过化学反应、高强度电磁或等离子能量去除材料，此类方法包括电解抛光、激光抛光、离子束抛光等。
随着科技的进步，单一的抛光方法与工业的需求目标产生了很大的差距。
因此，将机械和化学方法相结合的化学机械抛光技术得到了广泛的关注与应用。
化学机械抛光技术作为唯一能够实现衬底局部平坦化和全局平坦化的超精密表面制造技术，其实质是利用化学反应与机械作用的协同效应来实现材料表面平坦化加工。
化学机械抛光技术是在上世纪的1965年由Walsh和Herzog首次提出，并被广泛应用于半导体行业中。化学机械抛光结合了化学抛光无损伤高精度与机械抛光的高平整度、高一致性的优点，可加工出高质量的表面，因此得到了广泛的关注和长足的发展。
1990年，IBM公司率先在动态随机存取器的制造生产中运用了化学机械抛光技术，成功促进了硅集成电路的快速发展。化学机械抛光技术在硅集成电路上的成功，也引起了世界各国的广泛重视。
发展到2001年时，铜互连开始取代了铝互连技术，此时在0.13μm特征尺寸集成电路制造技术中铜化学机械抛光技术开始被应用。随着特征尺寸的逐渐减小，集成电路的制造对全局和局部的平坦度要求也越来越高。而在0.35μm特征尺寸以下的集成电路制造中，普遍认为化学机械抛光技术是唯一能够实现衬底局部平坦化和全局平坦化的超精密表面制造技术，成为集成电路制造中的关键工艺之一。
现如今，化学机械抛光技术在半导体行业中得到了广泛应用，如下图所示：
二、化学机械抛光材料去除机理及模型
化学机械抛光的基本原理为通过机械力和化学反应的耦合作用从而实现材料表面的平坦化，其原理示如图所示。
根据原理图可知，化学机械抛光的抛光系统主要由抛光机（Polisher）、抛光垫（Polishing pad）、抛光液（Slurry）三部分组成。
在化学机械抛光过程中，待抛光晶圆（Wafer）通过保持环夹持在抛光头（Carrier）内部，此时对抛光头施加一定的下压力使晶圆的待抛光面与抛光垫紧密接触。抛光头、待抛晶圆、抛光盘三者都固定在工作台（Platen）上，都会随着旋转工作台按一定方向运动。
此时抛光液按一定的流量加到抛光垫上，随着工作台的旋转可被均匀的分布在抛光工作界面间。此时，待抛晶圆不仅受到抛光头上施加的机械力作用而且还受到抛光液的化学作用，从而使晶圆表面发生了化学机械反应，实现了晶圆表面的平坦化加工。
抛光完成后，为了避免抛光垫表面会发生钝化，此时抛光垫需要用修整器（Conditioner）对其表面进行修复，提高抛光效率。
三、化学机械抛光发展历程
关于化学机械抛光的机理，早期Preston提出了著名的“Preston公式”，具体解释为在抛光过程中晶圆的材料去除速率与下压力成正比，也与相对转速成正比。
具体公式如下：
MRR=Kp·PV
式中，MRR表示材料去除速率，Kp为Preston常数，P表示晶圆表面受到的接触压力，V表示晶圆表面和抛光垫间的相对转速。
然而“Preston定律”只是一个经验公式，虽然其可以对化学机械抛光的工业生产进行一定的指导，但未能够从本质上阐明化学机械抛光的机理，也无法实现晶圆表面加工精度和全局高平坦度。
为了提高化学机械抛光的加工精度和效率，众多学者对化学机械抛光去除机理进行了深入研究。有人研究了化学机械抛光过程中抛光垫表面粗糙度的变化，认为材料去除速率与抛光垫的实际接触面积有关，晶圆表面发生的材料去除主要是由抛光界面间实际接触区域的机械作用所决定的。
然而该模型缺乏对抛光液的化学成分以及纳米磨粒对化学机械抛光影响的考虑。在此基础上，有学者通过引入统计粗糙度模型对晶圆与抛光垫的接触进行分析，提出了化学机械抛光的物理模型，认为抛光界面间的载荷是由流体动压和抛光垫的粗糙峰共同承担的。
因此建立了基于物理的特征尺度腐蚀模型，研究表明抛光液的化学特性在晶圆的化学机械抛光中起着非常重要作用。
传统对化学机械抛光的去除机理的研究都是从宏观角度展开的，然而宏观化学机械抛光过程中涉及多种影响因素（材料特性、磨粒形状、磨粒尺寸、磨粒种类、磨粒形状、抛光液成分、pH、抛光液流速、抛光垫硬度、粗糙度、抛光参数以及环境等），而且抛光界面属于复杂的多点随机接触，仅仅基于宏观的化学机械抛光实验很难从原理上澄清抛光界面的材料去除机制。化学机械抛光实验虽然是一个宏观过程，但宏观的界面去除过程是无数个纳米抛光颗粒与晶圆的微观化学机械反应的集合。
四、化学机械抛光工艺参数
抛光液是由化学添加剂和磨粒组成，化学添加剂一般包括氧化剂、分散剂、表面活性剂、络合剂、pH调节剂等，各种化学添加剂相互影响，直接关系着工件的CMP性能。氧化剂可以与工件(例如金属)发生氧化还原反应，在工件表面生成较软的物质，然后在磨粒的机械作用下更加容易去除，从而得到表面质量较好的工件，常见的氧化剂有高锰酸钾、过氧化物等。
分散剂可以增加抛光液的分散性，进而影响工件的表面粗糙度，其种类、含量等都会对工件的CMP性能产生影响。
表面活性剂可以影响抛光液的Zeta电位绝对值，进而改变磨粒和工件之间的相互作用力。
络合剂可以与金属离子反应并产生可溶性的物质，增加材料去除率，还可以防止工件表面污染等，这将有利于工件表面后清洗。
pH调节剂在CMP中影响很大，酸性调节剂一般是有机酸，通过增强腐蚀作用达到提高材料去除率的目的，但是酸性抛光液没有良好的选择性并且对CMP仪器要求高，通常用于金属工件抛光，而且抛光过程中需要使用较多的化学试剂，这不利于环境保护。碱性调节剂一般为氢氧化物(如KOH、NaOH、NH3·H2O)、有机胺等。碱性抛光液腐蚀性较小，具有良好的选择性，通常用于硅片、蓝宝石、氧化锆陶瓷工件CMP过程。
在CMP期间，磨粒肩负着机械研磨和材料去除的作用，它的种类、形貌、粒径、分散度等影响着工件的表面质量和抛光速率。当前使用广泛的磨粒包括金刚石、氧化铝、氧化铈、氧化硅等。
纳米金刚石磨粒硬度较大、具有较高的表面活性并且可以分散于极性介质，因此可以用于制备抛光液，但是纳米金刚石磨粒分散性较差，可能划伤工件表面。氧化铝的硬度较高，可以对多种材料进行抛光，但是氧化铝颗粒易团聚，且机械作用较强，易在工件表面产生损伤、划痕等缺陷，因此常常通过有机物对其进行表面改性。
氧化铈粘度较大、易沉淀、不易清洗、价格高、不适用于半导体精细工件抛光，常被用于玻璃抛光中。氧化硅硬度较低、具有良好的分散性和稳定性，因此，常被用于工件超精密抛光过程，可以最大限度地减少CMP中工件表面的划痕和损伤。
更重要的是，CMP后的氧化硅磨粒容易清洗，因此，许多研究人员在CMP过程中使用氧化硅作为磨粒。
此外，一些工艺参数(如抛光时间、抛光温度、压力、转速)也是非常重要的因素，直接影响着工件的抛光性能。
四、化学机械抛光机理
为了从原理上揭示化学机械抛光界面间的材料去除机制，亟需从微观尺度下研究化学机械抛光的去除机制。
针对此问题，有人从微观尺度下阐释了化学机械去除机理，利用AFM研究了单点接触条件下磨粒种类、磨粒尺寸、速度、接触压力、pH、加工环境等因素对化学机械抛光的影响。下图为基于AFM，利用二氧化硅微球针尖模拟化学机械抛光的宏观过程中的单粗糙峰下的材料去除过程。
学者利用环境可控的AFM研究了二氧化硅磨粒对单晶硅摩擦化学去除过程中对水分子的依赖性。研究结果表明在水分子的参与下二氧化硅磨粒才可能实现对单晶硅的摩擦化学去除，在外界机械作用下水分子参与形成 Si−O−Si 键桥和基底Si−Si键的水解反应，最终实现单晶硅的材料去除。
对单晶硅发生材料去除的亚表层进行透射电子显微镜（Transmission electron microscope，TEM）观测，未观测到有非晶硅和晶格缺陷的存在，证明了该材料去除过程是由摩擦化学反应主导的“无损伤”去除。
基于此，通过控制化学机械作用条件，实现了单晶硅表面的单层原子去除，也证实了单晶硅表面的化学机械去除机理不是先通过化学反应形成反应层然后再被机械作用去除的，而是化学机械耦合作用在界面形成Si−O−Si键桥促使基底Si−Si键的断裂，从而使材料发生去除，如图所示。
利用机械作用修正的阿仑尼乌斯模型对化学机械抛光机理进行解释，阐明了外部机械作用主要是通过降低化学机械去除过程中所需的能量，通过计算验证了在机械化学对材料去除过程中单位体积所需能量远远低于机械去除，同时提出了机械化学去除和机械去除能量耗散途径差异，如下图所示。
好了，关于化学机械抛光CMP的知识就介绍到这儿，欢迎阅读《半导体全解》的其它文章！
参考文献：
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(2)董越 非球形氧化硅磨粒的制备及其CMP特性和机理[D].
(3)王彩玲 300mm硅片化学机械抛光设备及其关键技术研究[D].
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