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化學(xué)機械拋光（CMP）借助于拋光液中化學(xué)試劑的化學(xué)腐蝕和納米磨粒的機械磨削雙重耦合作用，可以在原子水平上實現(xiàn)材料的去除，可以在0.35μm及其以下尺寸器件上同時實現(xiàn)局部和全局平坦化，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)元件、計算機硬盤、微機電系統(tǒng)、集成電路等領(lǐng)域。
CMP通過化學(xué)試劑的氧化腐蝕和磨料的機械磨損協(xié)同作用來達到納米級別的去除，獲得相對質(zhì)量良好，少損傷或者無損傷的表面。工件在CMP過程中通過夾具被固定，拋光墊表面接觸，拋光墊與拋光盤剛性連接并以特定的轉(zhuǎn)速圍繞主軸做圓周運動，夾具以及固定在其表面的工件在拋光墊與工件表面之間的摩擦力的作用下進行自轉(zhuǎn)，夾具豎直方向施加一定的拋光壓力，在加工過程中拋光液供給裝置連續(xù)不斷且均勻地向加工區(qū)域提供按一定比例配置的拋光液，工件表層在化學(xué)試劑的影響下生成具有松軟特性的氧化腐蝕層，該層材料在磨料與拋光墊粗糙峰的機械磨損下被去除從而實現(xiàn)平坦化。
由上述CMP原理分析可知，CMP工藝包含了磨料、拋光墊、拋光液等眾多影響變量。總體來說，影響CMP的因素可以分為拋光工藝參數(shù)、被加工材料以及所用耗材三大類。CMP工藝參數(shù)包括拋光壓力、拋光轉(zhuǎn)速、拋光溫度等，還包括拋光設(shè)備所帶來的振動、穩(wěn)定性等一系列因素。被加工材料影響CMP的因素包括表面粗糙度、力學(xué)性能以及摩擦磨損機制等。
小小拋光墊 大大的能量
CMP拋光墊是集成電路制造CMP制程中的關(guān)鍵材料，拋光墊在CMP過程中承擔(dān)著支撐工件、穩(wěn)定拋光環(huán)境、持續(xù)輸送與儲藏拋光液、傳遞拋光壓力以及帶走拋光廢料等作用。拋光墊物理特性和表面結(jié)構(gòu)對CMP加工品質(zhì)和加工速率存在較大影響，其成本占CMP總成本的三分之一左右。拋光墊產(chǎn)品橫跨高分子化學(xué)、高分子物理、有機合成、摩擦學(xué)、精密加工等多學(xué)科領(lǐng)域，技術(shù)復(fù)雜度極高。
拋光墊的影響因素
拋光墊材料以及拋光墊的結(jié)構(gòu)特征決定了拋光墊的物理特性。在CMP過程中，拋光墊浸泡在拋光液中會與工件和磨粒發(fā)生相對運動，由于拋光墊受到化學(xué)試劑的腐蝕與工件的磨損，這將引起拋光墊性能的下降，甚至造成拋光墊的廢棄，因此拋光墊一般要求有較高的剛度、耐腐蝕性以及耐磨性，同時還應(yīng)具有較好的親水性，以用于涵養(yǎng)拋光液。
拋光墊常用材料分類
拋光墊的劣化
拋光墊在決定CMP性能如材料去除速率和表面質(zhì)量方面起著重要作用。由于晶片施加的摩擦力和法向壓力，拋光墊會發(fā)生表面磨損和基體壓縮，導(dǎo)致表面微觀結(jié)構(gòu)磨損、微凸峰剪切和孔隙堵塞等。
拋光墊表面微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化必然會影響拋光墊－晶片的摩擦學(xué)行為和氧化層的形成及去除，不穩(wěn)定的墊表面形態(tài)將導(dǎo)致晶片內(nèi)和晶片間的加工不均勻性。拋光墊表面結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致CMP過程中拋光液膜厚度、拋光界面間的實際接觸面積、參與機械作用的有效磨粒數(shù)目以及拋光墊表面微凸起的變形等發(fā)生改變。
拋光墊表面的摩擦和磨損行為影響拋光墊和晶片之間的漿料膜厚度和實際接觸面積、活性磨料的數(shù)量和微凸峰的變形，晶片－磨粒－墊三體互連條件將進一步改變。隨著拋光時間的增加，材料冷流加劇導(dǎo)致拋光墊表面上釉，磨料支撐作用的減弱會降低材料的機械去除率。這種CMP過程導(dǎo)致拋光墊表面經(jīng)歷載荷以及剪切力作用，從而誘發(fā)拋光墊表面凸起發(fā)生塑性流動并趨于平面化，被稱為釉化現(xiàn)象。
CMP過程中的化學(xué)腐蝕也會造成拋光墊的性能改變。拋光墊表面層聚氨酯鏈水解會對拋光墊表面的力學(xué)特性造成影響。當(dāng)拋光墊浸泡在過氧化氫溶液中時，隨著拋光墊使用時間的增長，彈性模量不斷下降，表面的微孔層被氧化而泛黃并變形。
此外，拋光墊微孔被廢屑堵塞、孔徑變小，使得拋光墊孔內(nèi)儲藏量、運輸拋光液的能力下降；同時拋光液中的磨粒的積累使得拋光墊表面變硬，拋光墊和磨料的復(fù)合彈性模量影響拋光墊的實際接觸面積和磨料壓痕深度，從而影響拋光效率和晶圓表面質(zhì)量。
拋光墊的修整
目前，拋光墊的常規(guī)修整技術(shù)可以分為兩類：非自修整技術(shù)和自修整技術(shù)。
拋光墊非自修整技術(shù)，是指借助于某種外力使拋光墊表層磨損的磨粒、空隙內(nèi)存的磨屑等雜質(zhì)從拋光墊表面清除出去，使新的磨粒出露，在研磨中維持磨粒的切削能力。
金剛石修整器修整技術(shù)
金剛石修整器修整主要由三部分組成：金剛石磨料、結(jié)合劑和基體。金剛石磨料在基體上通過電鍍、釬焊、金屬燒結(jié)和氣相沉積等方法進行固結(jié)，其修整性能的好壞與拋光墊的表面狀況密切相關(guān)，從而對工件加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。金剛石修整器修整原理是利用其表面固結(jié)的大粒徑的金剛石強制使拋光墊表面部分變鈍的金剛石磨粒從結(jié)合劑組織上脫落，同時也會對拋光墊表面的釉化層和磨屑層進行去除，從而使拋光墊表面暴露出新的切削刃，以達到修整的目的。
金剛石修整器修整拋光墊示意圖
高壓水射流修整技術(shù)
高壓水射流修整技術(shù)原理是利用水射流沖擊產(chǎn)生的剪切力，不僅可以使拋光墊表面松動或固結(jié)不好的磨料顆粒沖洗掉，而且會破壞拋光墊表面的“釉化”層，清除雜質(zhì)，提高拋光墊的加工性能。
高壓水射流修整拋光墊示意圖
拋光墊自修整技術(shù)是指借助某種方式使拋光墊表層的基體材料適當(dāng)?shù)哪p，從而使拋光墊亞表層的磨粒得以出露，在加工過程中保持磨粒的持續(xù)出露切削的能力。拋光墊的自修整的出現(xiàn)，給拋光墊的修整方式注入新的方法。
拋光墊的自修整可以省去修整工序步驟，避免了修整器磨損對拋光墊造成的影響，增加了使用壽命。比如添加各種有機堿和無機鹽等化學(xué)物質(zhì)可提高自修整性能；使用帶有疏水基團的預(yù)聚物，在拋光過程中具有自調(diào)節(jié)作用，使拋光過程穩(wěn)定，不會出現(xiàn)水膨脹現(xiàn)象。
參考來源：
[1]梁斌，CMP拋光墊表面及材料特性對拋光效果影響的研究進展
[2]許慶，硬質(zhì)合金刀片CMP拋光墊的劣化與改進研究
[3]陳宗昱，化學(xué)機械拋光中拋光墊的退化行為研究
[4]曹威等，化學(xué)機械拋光墊的研究進展
[5]楊亞坤，固結(jié)磨料研拋墊磨料水射流修整工藝研究
[6]鼎龍股份官網(wǎng)、中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山林）
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