半导体界的“抛光王者”：二氧化硅如何提升晶圆的平整度？

随着半导体器件集成度的不断提升，电子产品的表面平整度、厚度均匀性及工艺可靠性要求日益严格。晶圆表面极其微小的不平整都可能导致电路短路、信号延迟甚至器件失效，对产品性能和产品良率产生深远影响。在这一背景下，化学机械抛光（CMP）技术凭借其卓越的材料去除能力、高精度平坦化效果及良好的工艺兼容性，成为半导体制造领域的重要表面加工方法。

CMP工艺的基本原理

来源：刘海军.电子产品制造过程中CMP材料的应用研究

影响CMP抛光效果的因素众多，其中，抛光液是影响抛光效果的决定因素。一般来说，抛光液由磨料、氧化剂、pH调节剂、分散剂和去离子水组成。磨料是抛光液的主要成分，磨料的种类、物理化学性质、粒径尺寸、均匀性及稳定性直接影响着晶圆的表面质量和材料去除率。

抛光液中常用的磨料为二氧化硅、氧化铝和二氧化铈。其中，氧化铝磨料硬度很大，抛光时易对工件造成严重损伤，通常需要对表面进行改性，用于一些硬度较大材料的抛光，如碳化硅。铈元素具有多种价态且不同价态间易转化，容易将玻璃表面物质氧化，因此广泛应用于手机屏幕、光学玻璃等的抛光。纳米二氧化硅是应用最广泛的抛光磨料，硬度适中、形状规则，抛光后可获得较好的表面质量，而且二氧化硅颗粒在水中或溶剂中形成的硅溶胶分散性好、稳定性好易储存，由二氧化硅磨料组成的抛光液已广泛应用于半导体、蓝宝石、合金、陶瓷等衬底的抛光。

来源：嵩山硼业

纳米SiO2从形貌上可以分为球形和非球形，其形貌影响着抛光速率和晶圆表面粗糙度，决定着晶圆最终的抛光效果。随着硅衬底晶圆尺寸越来越大，集成电路集成度进一步增加，对晶圆的表面质量也提出了更高的要求。同时芯片的需求增加导致衬底晶圆的需求增加，而传统的单一球形纳米SiO2磨料抛光速率较慢，无法满足高效衬底晶圆加工，所以目前国际上主流趋势是对球形磨料进行组份、结构和形貌改性，以期在表面粗糙度不变的情况下，提高磨料的抛光速率。

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非球形纳米SiO2磨料

非球形纳米SiO2磨料由于其形貌的不规则性，因此比表面积较大，抛光速率高于球形磨料，但由于非球形磨料一般表面带有棱角，在CMP中易对晶圆表面造成划伤，导致晶圆表面粗糙度升高，表面平整度变差。目前已成功制备的不规则形状磨料包括花瓣形、哑铃形、椭圆形、棒形、茧形、柱形等多种形状，实验表明其有效提高了硅尤其是硬脆材料等衬底晶圆的CMP速率。

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球形纳米SiO2磨料

球形纳米SiO2磨料是半导体衬底晶圆精抛的主要磨料，其CMP后晶圆表面粗糙度明显优于非球形纳米SiO2磨料，而传统球形纳米SiO2磨料的CMP速率已无法满足现阶段加工需求，因此，迫切需要对球形磨料进行性能改进。目前国内外主流趋势是对磨料进行介孔或掺杂处理，以此提高晶圆的抛光速率，使其具有更高的加工效率。

来源：孙运乾.不同形貌纳米二氧化硅磨料在硅晶圆CMP中的机理研究

介孔纳米SiO2通过增大比表面积和与化学试剂的接触面积，促进化学反应，从而提高磨料的CMP性能，增大其应用价值。掺杂是将某种元素掺杂到纳米SiO2中，可以在原有的CMP性能基础上叠加掺杂元素的化学或物理性能，即复合磨料，复合磨料的出现，使得球形磨料的研磨性能获得大幅提升。

球形纳米SiO2磨料诞生时间较早，研究众多，已经大面积成熟地应用于衬底晶圆CMP中，但球形磨料的抛光速率始终较慢，无法满足衬底晶圆的高效生产，仍需对球形磨料不断进行改性研究。

总之，CMP作为半导体晶片表面加工的关键技术之一，抛光液中金属等杂质的含量对集成电路的成品率、电性能及可靠性有十分重要的影响。纳米二氧化硅磨料是影响CMP性能的决定性因素，二氧化硅基抛光液在半导体制造领域中发挥关键作用，其通过化学反应与机械磨损相结合的方式，能够去除晶圆表面材料，满足晶圆表面极高的平整度要求，确保后续工艺的顺利进行。

参考来源：

孔慧停.硅溶胶的可控制备及其在化学机械抛光中的应用

刘海军.电子产品制造过程中CMP材料的应用研究

孙运乾.不同形貌纳米二氧化硅磨料在硅晶圆CMP中的机理研究

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