芯片化学机械抛光（CMP）技术：原理、应用与挑战

在当今科技飞速发展的时代，芯片作为电子设备的核心部件，其制造技术的发展备受关注。本文将深入探讨芯片化学机械抛光（CMP）技术，这是一种在芯片制造过程中至关重要的超精密加工技术。

化学机械抛光（CMP）简介

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，简称 CMP）技术是一种依靠化学和机械的协同作用实现工件表面材料去除的超精密加工技术。下图是一个典型的CMP系统示意图：

一个典型的 CMP 系统主要包括夹持工件的抛光头、承载抛光垫的抛光盘、修整抛光垫表面的修整器和抛光液供给系统四大部分。在抛光过程中，工件通过抛光头，按照给定压力作用在贴有抛光垫的旋转抛光盘上，同时相对自身轴线做旋转运动以及相对抛光盘做往复摆动运动。抛光液输送在工件和抛光垫之间的接触界面内，不断和工件表面发生化学反应，通过磨粒的机械作用以及抛光液的化学作用，实现表面材料的去除。

化学机械抛光（CMP）发展历程

CMP 技术起源于古典抛光技术，早期主要用于玻璃的抛光。在当时的工艺条件下，复杂的影响因素导致抛光结果不稳定和不可控，抛光工艺长期被视为一种艺术而非科学。直到上个世纪八十年代初期，美国 IBM 公司率先开发出应用于半导体晶圆抛光的 CMP 技术。CMP 在去除上道工序引起的损伤和缺陷的同时，能够兼顾全局和局部平坦化要求，大幅提高了半导体晶圆表面平坦化程度，克服了当时遇到的 “深亚微米壁垒”。

进入二十一世纪以来，集成电路 （Integrated Circuit，简称IC）制造在“摩尔定律”的指引以及资本的推动下飞速发展， 已经深入到计算机，通信，电子，军事等各个领域。如今，IC制造俨然成为现代高科技的核心与先导，成为大国之间博弈的重要筹码。CMP作为公认的能够为晶圆表面提供优异局部和全局平坦化的唯一技术，在IC制造对人类制造极限的一次次冲击中获得了极大的发展。

目前，CMP 技术已远远超越了早先在 IBM 试验室达到的水平，尤其是在 IC 制造领域，能够实现原子水平上的材料去除。此外，CMP 技术多样化挑战 IC 制造领域对于 CMP 技术的推动和开发，也促进了其在光学玻璃加工、强激光元件制造等其他制造领域的应用。

化学机械抛光（CMP）原理

CMP原子级材料去除过程是在抛光液的化学作用下，抛光垫/磨粒/工件三者之间原子级的摩擦磨损过程是CMP技术最底层的材料去除过程。Preston作为抛光技术的先驱者，在1926年关于玻璃抛光的文献中就提出以下论述：不同于研磨这种依靠机械磨损导致玻璃表面破碎的材料去除方式，玻璃的抛光更像是一种连续的，在“分子或近似分子”量级的材料去除。

然而，在过去的很长一段时间内，由于难以确定CMP过程中的化学作用机理，相关理论研究更多的注重于CMP过程中机械作用，并将材料去除归因于磨粒和工件之间的“固固”磨损。其中最具代表性的为1991年Kaufman等人的研究，他们提出CMP的材料去除过程是一种化学辅助的机械划擦过程，具体过程如图所示：

首先，抛光液中的化学溶剂和工件表面发生化学反应，在工件表面生成一种软质的反应层。磨粒在抛光垫的挤压下划擦表面反应层，产生材料去除。反应层被去除之后，底层的新鲜表面重新裸露在抛光液中并生成新的反应层，之后再被磨粒去除，如此循环往复。当机械去除和化学反应两种过程处于平衡时，材料去除效率将达到最佳，并且任何影响这两个过程的参数都将对最终的材料去除率以及表面质量产生影响。

然而，这种基于机械划擦理论的材料去除机理的认知在如今面临很大的局限性。首先，目前CMP技术可以实现超光滑表面的加工，在抛光GaN，蓝宝石等晶体材料时会观测到原子台阶现象。原子台阶是由于晶向偏角或者晶格缺陷的存在，导致表面裸露的晶格结构呈现稳定的周期性台阶，是表面加工所能达到的理论光滑极限。

显然，基于磨粒压入-塑性耕犁的材料去除模式无法解释CMP这种原子级的极限加工能力。另外，在典型的CMP工况下，抛光液中的纳米磨粒压入工件表面的深度甚至小于一个原子直径，在这种原子级别的压入深度下，基于连续介质理论的压入-耕犁去除模式将不再适用于CMP原子级材料去除机理的解释。

分子动力学（Molecular Dynamics,简称MD）由于可在原子尺度展示所研究系统的动态运动过程，目前已经成为研究CMP在原子尺度上的化学机械协同作用以及材料去除过程的主要途径之一。

基于抛光过程的MD仿真模型主要包括磨粒磨损模型和磨粒冲击模型。两者均利用MD来模拟磨粒对工件表面的材料去除机制和损伤机理，而前者主要基于纳米切削或者纳米压痕过程的仿真。

然而，传统MD方法基于牛顿力学运动方程，无法考虑化学作用的影响，因此，模拟结果具有很大的局限性。 基于反应力场的分子动力学（Reactive Force Field-Molecular Dynamics,简称ReaxFF MD）方法是MD方法的一种延伸，其突破了MD基于传统的牛顿运动定律的力场体系，而采用第一性原理的计算方法计算原子级别的动态过程。另外，通过建立势能函数和键级的关系，ReaxFF-MD可以进一步用来描述体系中原子尺度的化学反应。

CMP 纳 / 微 / 宏跨尺度材料去除

化学机械协同作用下的原子级材料去除过程是CMP技术最底层的物理过程。然而，这种从原子级的材料去除过程到宏观材料去除过程的映射，是一个复杂的动态跨尺度问题。如下图(a)所示，抛光过程中，工件以给定载荷作用在抛光垫表面并发生相对运动。与此同时，抛光液在离心力的作用下，流入工件和抛光垫之间的接触界面，提供供材料去除的纳米磨粒以及化学溶剂环境。

抛光垫作为一种抛光工具，其表面存在大量的微观粗糙结构，因此，粗糙的抛光垫表面只有一些局部高点才会和工件发生真实接触，如图(b)所示。

在CMP过程中，纳米磨粒嵌入在一个个接触点内，并跟随抛光垫一起，相对工件表面运动，如图(c)所示。最后，在机械载荷以及抛光液的化学作用下，磨粒和工件之间发生原子级的材料去除，如图(d)所示。

抛光垫作用及分类

抛光垫的微观接触状态指的是抛光垫粗糙表面的高点和工件表面形成的接触区域，一般来说，抛光垫 / 工件之间接触点尺寸在 1 - 100μm 范围内。抛光垫的微观接触状态是抛光垫力学特性和表面微观形貌的综合体现，任何导致抛光垫表面力学特性以及微观形貌变化的因素都会对其产生影响。抛光垫一般由聚氨酯材料制作而成，具有优良的机械性能、耐磨损性和良好的化学稳定性，同时具有很好的可设计性和可加工性。

基于抛光垫的结构特点，主流的商用抛光垫可分为四类，每种类型的抛光垫都有独特的表面微观结构，决定了抛光垫的真实接触状态、磨粒在接触界面内的承载状态以及工件表面的化学反应时间，从而对最终的材料去除率产生影响。此外，抛光垫的力学特性表现出明显的非线性特点，其多孔结构以及抛光机械载荷和化学溶剂的作用会导致表层和基体层力学特性存在差异，带来显著的非线性问题。CMP 的运动特征会导致抛光垫表面出现釉化现象，抛光液中的磨粒也容易积累在表面微孔结构中，因此实际的 CMP 过程中大多会引入修整工艺来保证加工质量和稳定性。但修整过程是一种随机过程，如何表征随机修整过程中的微观接触特征，增加了抛光垫微观接触状态研究的复杂性。

CMP 面临的挑战

●材料多样化挑战：CMP 工艺所涉及的材料越来越多，包括玻璃、单晶硅、砷化镓、碳化硅、氮化硅、氮化镓、硅锗化合物、铜、铝、钨、金、蓝宝石、金刚石和各种陶瓷等。不同的材料具有不同的物理化学特性，可分为 ETA - ETR、DTA - ETR、ETA - DTR、DTA - DTR 四类，材料多样化的挑战对 CMP 过程中化学和机械协同作用的理解和控制提出新的要求。

●加工技术指标的多样化挑战：不同领域对 CMP 的加工要求和精度指标有所差异，即使是相同领域，不同工艺路线和流程下的加工指标也有所不同。以 IC 制造为例，FinFET 制造要求 CMP 在平坦化过程中具有较高的选择性去除能力，而 3D - NAND 技术则需要在一次 CMP 过程中实现多种不同材料的同时去除，半导体制造流程中的高纵深比三维结构对 CMP 的去除效率也提出了新的要求。

●各产业未来发展的挑战：随着各领域的发展，各种新型材料会被不断开发出来，传统材料也会有新的应用，同时各领域会不断提出新的加工工艺指标和技术要求，这就需要 CMP 技术具有很强的适应能力和调控能力。以 IC 领域为例，集成电路向着更小线宽、更多互连层数、更大晶圆尺寸的方向发展，对晶圆平坦化工艺的平整度和缺陷控制的要求越来越苛刻，CMP 技术将成为未来 IC 制造的瓶颈之一。

在未来几年，随着不同物理化学响应的抛光材料的增加，再加上面形精度、表面粗糙度、材料去除均匀性、材料选择去除性等不同加工结果的要求，CMP 技术面临越来越多样化的挑战。由于影响 CMP 加工质量和效率的因素众多，且各因素的影响间存在复杂的耦合关系，人们依旧需要提高对 CMP 技术机理的认知，以推动芯片制造技术的不断发展。