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)诓煌牧系娜コ衅鸬搅酥匾淖饔谩?/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粒混合使用對(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)饺肫渲卸纬傻膹?fù)合磨粒，該復(fù)合磨�？梢蕴嵘チ５谋砻婊瘜W(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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