化學(xué)機(jī)械拋光液是影響拋光質(zhì)量和拋光效率的關(guān)鍵因素之一,，而拋光液中的磨粒和氧化劑決定了拋光液的各項(xiàng)化學(xué)機(jī)械拋光性能,。

化學(xué)機(jī)械拋光液各組分  來(lái)源：王東哲等,，化學(xué)機(jī)械拋光液的研究現(xiàn)狀

在拋光過(guò)程中,，拋光液中的化學(xué)添加劑和材料表面發(fā)生反應(yīng),，會(huì)在被拋光材料表面形成一層很薄、結(jié)合力較弱的“軟化層”，之后磨粒在壓力和摩擦作用下對(duì)材料表面進(jìn)行細(xì)微無(wú)損地去除,。CMP在集成電路制造的前道工序（FEOL）、中道工序（MOL）,、后道工序（BEOL）需要對(duì)多種不同材料（如SiO₂,、Cu、Co,、W,、低K介質(zhì)等）進(jìn)行平坦化，為了實(shí)現(xiàn)高效無(wú)損的拋光,，開(kāi)發(fā)了以SiO₂,、CeO₂、金剛石,、Al₂O₃等作磨粒的拋光液,，它們?cè)诓煌�材料的去除中起到了重要的作用�?/p>

拋光液中磨粒的形式多樣

一、單一磨粒

單一磨粒拋光液是指在拋光液中只含有二氧化硅（SiO₂）,、氧化鋁（Al₂O₃）,、氧化鈰（CeO₂）、氧化鋯（ZrO₂）,、納米金剛石等眾多常用磨粒之一,。其中SiO₂、Al₂O₃,、CeO₂是應(yīng)用最廣泛的,。

三種常用單一磨粒透射電鏡圖  來(lái)源：孟凡寧等，化學(xué)機(jī)械拋光液的研究進(jìn)展

SiO₂具有良好的穩(wěn)定性和懸浮性,、低黏度和低硬度（平均布氏硬度為7）等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用為拋光液磨粒,。但是,，SiO₂易團(tuán)聚、不適合長(zhǎng)期保存,、硬度較低,，導(dǎo)致拋光速率無(wú)法突破高效率瓶頸。

Al₂O₃憑借其硬度高,、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),，廣泛應(yīng)用于藍(lán)寶石、碳化硅等材料的CMP技術(shù)中,。由于Al₂O₃的兩性化學(xué)性質(zhì),，Al₂O₃拋光液分為堿性拋光液和酸性拋光液，與堿性拋光液相比,，酸性拋光液對(duì)設(shè)備的腐蝕更為嚴(yán)重,，所以堿性拋光液比酸性拋光液應(yīng)用更廣泛,。但Al₂O₃磨粒在水溶液中由于靜電力等作用容易團(tuán)聚成大顆粒膠團(tuán)，出現(xiàn)絮凝分層等現(xiàn)象,，導(dǎo)致拋光液穩(wěn)定性較差,。因此，使用Al₂O₃作為拋光液磨粒,，需要在拋光液中加入各種各樣穩(wěn)定劑和分散劑,，使得對(duì)拋光機(jī)理的研究更加復(fù)雜，同時(shí)拋光液的成本也隨之增大,。

由于Ce元素的多價(jià)態(tài)及其易轉(zhuǎn)化特性,，玻璃表面與拋光液接觸的物質(zhì)容易被氧化或形成絡(luò)合物而被除去，使得CeO₂在玻璃材料化學(xué)機(jī)械拋光展現(xiàn)出優(yōu)異的性能,。與傳統(tǒng)拋光液磨粒相比較,，CeO₂磨粒拋光液具有拋光效率高、光潔度好和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),。但是由于Ce屬于稀有金屬,，并且制備CeO₂磨粒工藝復(fù)雜，因此使用大量CeO₂磨粒拋光液成本很高,。此外,，現(xiàn)有技術(shù)制備的CeO₂磨粒，尺寸范圍跨度較大,，導(dǎo)致拋光質(zhì)量不穩(wěn)定,。

由于單一磨粒各方面性能的局限性，使用單一磨粒拋光液出現(xiàn)了很多難以解決的瓶頸問(wèn)題,。因此,，很多研究人員轉(zhuǎn)而研究混合磨粒拋光液和復(fù)合磨粒拋光液，致力于解決化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中加工效率和加工質(zhì)量的平衡問(wèn)題,。

二,、混合磨粒

混合磨粒主要指研拋過(guò)程中使用兩種或多種不同磨粒按比例混合的磨粒，其中磨粒的不同主要體現(xiàn)為材質(zhì)和粒徑等方面的不同,。

Jindal等將較大粒徑的Al₂O₃磨粒分別與較小粒徑的SiO₂,、CeO₂等磨粒進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一磨粒研拋性能的提升,。通過(guò)顯微形貌分析顯示在大粒徑的磨粒外圍吸附滿了小粒徑的磨粒,，相比于純Al₂O₃磨粒，表面吸附了SiO₂或CeO₂的混合磨粒,，既可以避免純Al₂O₃磨粒的團(tuán)聚,，還可以利用小粒徑磨粒的化學(xué)活性來(lái)提升混合磨粒的研拋效率。

雖然混合磨粒對(duì)于提高拋光效率有很大的促進(jìn)作用，但對(duì)拋光質(zhì)量的影響不是很明顯,。迄今為止,，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不同粒徑、不同形貌及不同種類磨�,；旌鲜褂脤�(duì)拋光結(jié)果的影響規(guī)律,，針對(duì)混合磨粒的研究工作仍需要進(jìn)一步推進(jìn)。

混合磨粒合成示意圖  

來(lái)源：BUN-ATHUEK N, et al. Effects of mixed ultrafine colloidal silica particles on chemical mechanical polishing of sapphire．

三,、復(fù)合磨粒

近年來(lái),，隨著交叉學(xué)科在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使用化學(xué)手段制備復(fù)合化學(xué)機(jī)械拋光液磨粒也得到大力發(fā)展,。與混合磨粒不同,，復(fù)合磨粒是在特定的條件下，通過(guò)一定的化學(xué)反應(yīng)而生成的,，最常用的方法是納米顆粒的包覆和摻雜,。

核殼型復(fù)合磨粒的內(nèi)核為大粒徑的磨粒或化合物,，外殼為通過(guò)化學(xué)方式粘結(jié)于內(nèi)核表面的小粒徑磨粒層或化合物層,。在研拋過(guò)程中，核殼型復(fù)合磨粒的核與殼表現(xiàn)出物理和化學(xué)方面的協(xié)同效應(yīng),，更有利于提升研拋質(zhì)量,。首先，復(fù)合磨粒內(nèi)核為較硬的大粒徑磨粒,，主要負(fù)責(zé)支撐整體結(jié)構(gòu),；外殼為較軟的小粒徑磨粒，主要負(fù)責(zé)工件表面材料的去除,。相比單一硬度的實(shí)心磨粒結(jié)構(gòu),，該復(fù)合磨粒具有“內(nèi)硬外軟”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，更有利于提升磨粒的研拋性能,。

摻雜型復(fù)合磨粒指以某一磨粒為載體,，通過(guò)化學(xué)方式將金屬元素?fù)饺肫渲卸�形成的�?fù)合磨粒，該復(fù)合磨�,？梢蕴嵘�原磨粒的表面化學(xué)活性，獲得更好的研拋性能,。

從2010年起,，Chen等將SiO₂、CeO₂,、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等材料制備了多種不同材料,、不同尺寸、不同結(jié)構(gòu)的殼/核結(jié)構(gòu)復(fù)合材料磨粒，并針對(duì)硅片進(jìn)行了大量拋光試驗(yàn),，分析得知,，使用復(fù)合材料磨粒時(shí)，CeO₂/SiO₂拋光效率最高,，PS/CeO₂拋光質(zhì)量最高,。 

核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合磨粒透射電鏡圖  來(lái)源：孟凡寧等，化學(xué)機(jī)械拋光液的研究進(jìn)展

復(fù)合磨粒相比混合磨粒和單一磨粒,，在材料去除率及表面粗糙度方面均有明顯的優(yōu)勢(shì),，能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)或亞納米級(jí)超低損傷的表面形貌。但復(fù)合磨粒的制備工藝相對(duì)比較復(fù)雜,，距離復(fù)合磨粒在大規(guī)模生產(chǎn)上的應(yīng)用還有較遠(yuǎn)的距離,。

未來(lái)仍需不斷探索

維持磨粒在拋光液中的分散穩(wěn)定性是影響拋光液能否長(zhǎng)期保存的關(guān)鍵因素。目前研究者們通過(guò)改變磨粒的粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù),、向拋光液中加入各種添加劑等方法增強(qiáng)磨粒在拋光液中的分散穩(wěn)定性,、延長(zhǎng)拋光液的保存時(shí)間。然而,，通過(guò)添加劑來(lái)提高磨粒的分散穩(wěn)定性仍存在一些問(wèn)題,，例如，添加劑的引入可能會(huì)影響拋光質(zhì)量,，還可能造成難清洗和腐蝕設(shè)備的問(wèn)題,。此外，目前能夠適配拋光液的添加劑種類仍相對(duì)較少,。

未來(lái),，仍需不斷優(yōu)化磨粒性質(zhì)、開(kāi)發(fā)適用的添加劑,、探索環(huán)保替代方案,，更好地推動(dòng)拋光工藝的發(fā)展。

參考來(lái)源：

[1] 孟凡寧等,，化學(xué)機(jī)械拋光液的研究進(jìn)展

[2] 王東哲等,，化學(xué)機(jī)械拋光液的研究現(xiàn)狀

[3] 許寧等，CeO₂基磨粒在化學(xué)機(jī)械拋光中的研究進(jìn)展

[4] 燕禾等,，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

[5] 周兆鋒等,，超精密表面研拋磨粒的研究進(jìn)展

[6] 程佳寶等，CMP拋光液中SiO₂磨料分散穩(wěn)定性的研究進(jìn)展

[7] JINDAL A, et al. Chemical mechanical polishing using mixed abrasive slurries. 

[8] JINDAL A, et al. Chemical mechanical polishing of dielectric films using mixed abrasive slurries．

[9] BUN-ATHUEK N, et al. Effects of mixed ultrafine colloidal silica particles on chemical mechanical polishing of sapphire．

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山林）

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