硅溶膠在化學(xué)機械拋光（CMP）領(lǐng)域的應(yīng)用

發(fā)布時間 | 2021-06-30 11:56 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點擊量 | 2432

磨料金剛石氧化硅氧化鋁

導(dǎo)讀：目前，電子產(chǎn)品的先進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展方向為高精度（納米級的控制精度，亞納米級的加工精度）、高性能（T 級的儲存量和 CPU 主頻）、高集成度（納米級的線寬）以及可靠性（小于 1/109的千小時...

目前，電子產(chǎn)品的先進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展方向為高精度（納米級的控制精度，亞納米級的加工精度）、高性能（T 級的儲存量和 CPU 主頻）、高集成度（納米級的線寬）以及可靠性（小于 1/109的千小時失效率），因此，對加工工件表面的局部平整度和整體平整度都提出了前所未有的高要求（要求達(dá)到亞納米量級的表面粗糙度），同時對超精密加工技術(shù)的水平提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

表面平整化加工的重要手段是拋光，常見的拋光技術(shù)如機械拋光、化學(xué)拋光、磁研磨拋光、流體拋光、電化學(xué)拋光、離子束轟擊拋光、浮法拋光等，均屬于局部平坦化技術(shù)，且平坦化能力從幾微米到幾十微米不等，但是國際上普遍認(rèn)為，加工工件特征尺寸在0.35μm以下時，必須進(jìn)行全局平坦化，而目前唯一可以提供整體平面化的表面精加工技術(shù)就是超精密化學(xué)機械拋光技術(shù)（CMP）。

例如在硅晶片的加工過程中，晶片通過吸附作用固定在與其同方向旋轉(zhuǎn)的聚氨酯拋光墊上，拋光漿料通過蠕動泵不斷的流到拋光墊上，使之在晶片和拋光墊之間持續(xù)流動，晶片表面與拋光漿料發(fā)生反應(yīng)，通過拋光頭的高速運動使反應(yīng)物不斷去除，達(dá)到使晶片表面平整、光潔度高的作用。

化學(xué)機械拋光原理圖

化學(xué)機械拋光技術(shù)是化學(xué)作用和機械作用相結(jié)合的技術(shù)，實際上其微觀過程相當(dāng)復(fù)雜，影響因素也很多。CMP設(shè)備、拋光液、拋光墊、后清洗設(shè)備、拋光終點檢測設(shè)備等等都對晶片的拋光速率和拋光質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。其中拋光液既影響CMP化學(xué)作用過程，又影響CMP機械作用過程，是影響CMP質(zhì)量的決定性因素之一。

目前國內(nèi)外常用的拋光液有SiO2膠體（硅溶膠）拋光液、二氧化鈰拋光液、氧化鋁拋光液、納米金剛石拋光液等。

幾種拋光液有不同的應(yīng)用特點：

（1）硅溶膠拋光液

因為拋光漿料的選取要滿足易清洗、拋光速率快以及拋光均勻性好等特點，而硅溶膠作為一種軟質(zhì)磨料是在SiO2磨粒表面包覆一層無色透明膠體，使其硬度比 SiO2磨粒更軟，其粒度約為0.01-0.1um，加工時拋光表面不易造成劃傷，同時其膠體粒子直徑為納米級，具有較大的比表面積，高度的分散性和滲透性，因其粒子表面常吸附OH-而帶負(fù)電，具有很好的親水性和憎油性，因此廣泛應(yīng)用于硅片、二氧化硅、藍(lán)寶石等精密光學(xué)器件表面的拋光處理。

硅溶膠CMP拋光液

由于二氧化硅粒度很細(xì)，約0.01-0.1μm，因此拋光工件表面的損傷層極微；另外，二氧化硅的硬度和硅片的硬度相近，因此常用于對半導(dǎo)體硅片的拋光。精拋時通常不會采用類似氣相法制備的微米級二氧化硅粒子，而采用納米級的硅溶膠，這是為了減小表面粗糙度和損傷層深度。

二氧化硅是硅溶膠拋光液的重要組成部分，其粒徑大小、致密度、分散度等因素直接影響化學(xué)機械拋光的速率和拋光質(zhì)量。

（2）二氧化鈰拋光液

隨著工件尺寸的縮小，傳統(tǒng)的硅容易在尺寸較大的集成電路STI（淺溝隔離）處形成蝶形缺陷，采用氧化鈰作為研磨顆粒的第二代拋光液，具有高選擇性和拋光終點自動停止的特性，配合粗拋和精拋，能夠十分有效解決第一代STI工藝缺點。

二氧化鈰硬度小、穩(wěn)定性好、分散均一性好，可以得到較高的表面質(zhì)量，但由于商品化的二氧化鈰一般采用粉碎工藝制備而成，存在顆粒不均一，影響拋光質(zhì)量，因此需研究均一性好的納米級二氧化鈰的制備。不過因為鈰屬于稀有金屬，并且二氧化鈰提純難度大，導(dǎo)致二氧化鈰價格昂貴，所制備的拋光液性價比不高。

氧化鈰拋光液

（3）氧化鋁拋光液

納米氧化鋁廣泛適用于光學(xué)鏡頭、單芯光纖連接器、微晶玻璃基板、晶體表面等方面的精密拋光，目前藍(lán)光和白光LED的芯片中大多采用藍(lán)寶石晶片，用Al₂O₃拋光液一次完成藍(lán)寶石晶片研磨和拋光，也在如今應(yīng)用十分普遍。

由于納米α-氧化鋁（剛玉）的硬度很高，拋光時對工件表面造成嚴(yán)重的損傷；又因為納米氧化鋁的表面能比較高，納米粒子易團(tuán)聚，造成對拋光工件的劃痕、凹坑等表面缺陷，通常在應(yīng)用中需要對納米氧化鋁表面進(jìn)行改性。同時由于氧化鋁磨料的硬度大，對軟質(zhì)工件進(jìn)行拋光時很容易劃傷工件表面，因此不太適合較軟質(zhì)的工件的拋光。

氧化鋁拋光液

（4）納米金剛石拋光液

納米金剛石具有金剛石和納米顆粒的雙重特性，而且碳表面極易受化學(xué)改性的影響，能和任何極性介質(zhì)兼容，除此以外，納米金剛石具有超硬、比表面積大、形狀呈球形以及表面多孔等特點，因此，納米金剛石可以配制成理想的拋光液，廣泛用于硬質(zhì)材料的超精密拋光過程。

目前歐美、日本等在納米金剛石拋光液的配制技術(shù)方面走在前沿，而國內(nèi)在拋光液研究方面剛剛起步，還有很大的發(fā)展空間。但是納米金剛石很容易團(tuán)聚，在介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性很差，這是因為納米金剛石比表面積大，表面能高。因此納米金剛石的分散成為了世界共同的技術(shù)難題。