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

化學機械拋光液各組分  來源：王東哲等，化學機械拋光液的研究現(xiàn)狀

在拋光過程中，拋光液中的化學添加劑和材料表面發(fā)生反應，會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材料表面進行細微無損地去除。CMP在集成電路制造的前道工序（FEOL）、中道工序（MOL）、后道工序（BEOL）需要對多種不同材料（如SiO₂、Cu、Co、W、低K介質(zhì)等）進行平坦化，為了實現(xiàn)高效無損的拋光，開發(fā)了以SiO₂、CeO₂、金剛石、Al₂O₃等作磨粒的拋光液，它們在不同材料的去除中起到了重要的作用。

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是應用最廣泛的。

三種常用單一磨粒透射電鏡圖  來源：孟凡寧等，化學機械拋光液的研究進展

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，被廣泛應用為拋光液磨粒。但是，SiO₂易團聚、不適合長期保存、硬度較低，導致拋光速率無法突破高效率瓶頸。

Al₂O₃憑借其硬度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，廣泛應用于藍寶石、碳化硅等材料的CMP技術中。由于Al₂O₃的兩性化學性質(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，酸性拋光液對設備的腐蝕更為嚴重，所以堿性拋光液比酸性拋光液應用更廣泛。但Al₂O₃磨粒在水溶液中由于靜電力等作用容易團聚成大顆粒膠團，出現(xiàn)絮凝分層等現(xiàn)象，導致拋光液穩(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，使得對拋光機理的研究更加復雜，同時拋光液的成本也隨之增大。

由于Ce元素的多價態(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合物而被除去，使得CeO₂在玻璃材料化學機械拋光展現(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、光潔度好和壽命長等優(yōu)點。但是由于Ce屬于稀有金屬，并且制備CeO₂磨粒工藝復雜，因此使用大量CeO₂磨粒拋光液成本很高。此外，現(xiàn)有技術制備的CeO₂磨粒，尺寸范圍跨度較大，導致拋光質(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題。因此，很多研究人員轉(zhuǎn)而研究混合磨粒拋光液和復合磨粒拋光液，致力于解決化學機械拋光過程中加工效率和加工質(zhì)量的平衡問題。

二、混合磨粒

混合磨粒主要指研拋過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等磨粒進行混合，實現(xiàn)了對單一磨粒研拋性能的提升。通過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磨粒的團聚，還可以利用小粒徑磨粒的化學活性來提升混合磨粒的研拋效率。

雖然混合磨粒對于提高拋光效率有很大的促進作用，但對拋光質(zhì)量的影響不是很明顯。迄今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)不同粒徑、不同形貌及不同種類磨�；旌鲜褂脤�拋光結(jié)果的影響規(guī)律，針對混合磨粒的研究工作仍需要進一步推進。

混合磨粒合成示意圖  

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

三、復合磨粒

近年來，隨著交叉學科在不同領域的廣泛應用，使用化學手段制備復合化學機械拋光液磨粒也得到大力發(fā)展。與混合磨粒不同，復合磨粒是在特定的條件下，通過一定的化學反應而生成的，最常用的方法是納米顆粒的包覆和摻雜。

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

摻雜型復合磨粒指以某一磨粒為載體，通過化學方式將金屬元素摻入其中而形成的復合磨粒，該復合磨�？梢蕴嵘�原磨粒的表面化學活性，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)復合材料磨粒，并針對硅片進行了大量拋光試驗，分析得知，使用復合材料磨粒時，CeO₂/SiO₂拋光效率最高，PS/CeO₂拋光質(zhì)量最高。 

核-殼結(jié)構(gòu)復合磨粒透射電鏡圖  來源：孟凡寧等，化學機械拋光液的研究進展

復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，能實現(xiàn)納米級或亞納米級超低損傷的表面形貌。但復合磨粒的制備工藝相對比較復雜，距離復合磨粒在大規(guī)模生產(chǎn)上的應用還有較遠的距離。

未來仍需不斷探索

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期保存的關鍵因素。目前研究者們通過改變磨粒的粒徑和質(zhì)量分數(shù)、向拋光液中加入各種添加劑等方法增強磨粒在拋光液中的分散穩(wěn)定性、延長拋光液的保存時間。然而，通過添加劑來提高磨粒的分散穩(wěn)定性仍存在一些問題，例如，添加劑的引入可能會影響拋光質(zhì)量，還可能造成難清洗和腐蝕設備的問題。此外，目前能夠適配拋光液的添加劑種類仍相對較少。

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

參考來源：

[1] 孟凡寧等，化學機械拋光液的研究進展

[2] 王東哲等，化學機械拋光液的研究現(xiàn)狀

[3] 許寧等，CeO₂基磨粒在化學機械拋光中的研究進展

[4] 燕禾等，化學機械拋光技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

[5] 周兆鋒等，超精密表面研拋磨粒的研究進展

[6] 程佳寶等，CMP拋光液中SiO₂磨料分散穩(wěn)定性的研究進展

[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．

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山林）

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