中國(guó)粉體網(wǎng)訊  隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，由于特征尺寸的減小和高密度器件的實(shí)現(xiàn)，集成電路材料層之間的平坦度變得越來(lái)越關(guān)鍵，對(duì)半導(dǎo)體制程中的超精密表面處理效率和表面質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。

化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是目前實(shí)現(xiàn)全局平坦化的唯一方法，是制造半導(dǎo)體芯片多層互連的重要技術(shù)。CMP通過(guò)結(jié)合化學(xué)作用和機(jī)械作用，實(shí)現(xiàn)材料去除。在CMP過(guò)程中，拋光液和材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在表面形成軟質(zhì)層，拋光液中的磨料在材料表面反復(fù)研磨、滾動(dòng)或滑動(dòng)，將軟質(zhì)層去除。化學(xué)反應(yīng)與機(jī)械作用相結(jié)合,可以獲得高表面質(zhì)量，同時(shí)保持高材料去除速率。

據(jù)了解，CMP拋光材料在半導(dǎo)體材料中價(jià)值量占比達(dá)7%，拋光液在CMP拋光材料成本中占比達(dá)49%，而磨料約占拋光液成本的50%-70%。

從成本占比就可以看出磨料在半導(dǎo)體制程中有多重要，當(dāng)前，最常用的磨料主要有SiO₂、CeO₂、Al₂O₃三種。

SiO₂

納米SiO₂由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性、耐溫性及懸浮性，廣泛應(yīng)用于化學(xué)機(jī)械拋光領(lǐng)域，從形貌上可以分為球形與非球形。

球形納米SiO₂磨料

球形納米SiO₂磨料是半導(dǎo)體襯底晶圓精拋的主要磨料，其CMP后晶圓表面粗糙度明顯優(yōu)于非球形納米SiO₂磨料，而傳統(tǒng)球形納米SiO₂磨料的CMP速率已無(wú)法滿足現(xiàn)階段加工需求，因此，迫切需要對(duì)球形磨料進(jìn)行性能改進(jìn)。目前國(guó)內(nèi)外主流趨勢(shì)是對(duì)磨料進(jìn)行介孔或摻雜處理，以此提高晶圓的拋光速率，使其具有更高的加工效率。

非球形納米SiO₂磨料

非球形納米SiO₂磨料由于其形貌的不規(guī)則性，因此比表面積較大，拋光速率高于球形磨料。目前已成功制備的不規(guī)則形狀磨料包括花瓣形、啞鈴形、橢圓形、棒形、繭形、柱形等多種形狀。但由于非球形磨料一般表面帶有棱角，在CMP中易對(duì)晶圓表面造成劃傷，導(dǎo)致晶圓表面粗糙度升高，表面平整度變差。  

整體來(lái)說(shuō)，SiO₂具有良好的穩(wěn)定性和分散性，不會(huì)引入金屬陽(yáng)離子污染，其硬度與單質(zhì)硅接近，對(duì)基底材料造成的刮傷、劃痕較少，適合用于軟金屬、硅等材料的拋光，是目前應(yīng)用最廣泛的拋光液磨料。

Al₂O₃

氧化鋁拋光液可用于集成電路生產(chǎn)過(guò)程中層間鎢、鋁、銅等低膨脹系數(shù)的金屬作為半導(dǎo)體布線材料及薄膜材料的平坦化加工以及高級(jí)光學(xué)玻璃、石英晶體及各種寶石的拋光。氧化鋁拋光液的應(yīng)用范圍日益廣泛，與氧化硅共同成為拋光液磨料的兩大支柱。

CeO₂

氧化鈰可以被用于陰極射線管玻璃的拋光、光學(xué)玻璃拋光、平板玻璃拋光、電子和計(jì)算機(jī)原件的化學(xué)機(jī)械拋光以及光掩模拋光。納米氧化鈰因其具有強(qiáng)氧化作用，作為層間SiO2介電層拋光的研磨離子，具有平整質(zhì)量高拋光速率快、選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，成為拋光磨料研究領(lǐng)域中新一代寵兒。

在傳統(tǒng)的CMP工藝中，常用的磨粒如二氧化硅（SiO₂）、氧化鋁（Al₂O₃）、氧化鈰（CeO₂）等，在材料去除和表面平坦化方面發(fā)揮了重要作用。然而，隨著先進(jìn)封裝技術(shù)對(duì)芯片表面質(zhì)量要求的不斷提高，傳統(tǒng)磨粒逐漸暴露出一些局限性。一方面，單一成分的傳統(tǒng)磨粒在面對(duì)復(fù)雜的芯片材料體系（如多種金屬、合金、介質(zhì)材料的混合）時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料的高效、選擇性去除，容易導(dǎo)致材料過(guò)度腐蝕或去除不均勻，影響芯片的性能；另一方面，傳統(tǒng)磨粒的粒徑分布、形狀控制相對(duì)有限，在拋光過(guò)程中可能會(huì)在芯片表面產(chǎn)生劃痕、凹坑等缺陷，降低芯片的良品率。為克服這些局限性，復(fù)合磨粒應(yīng)運(yùn)而生。

復(fù)合磨粒通過(guò)將不同成分、不同功能的材料進(jìn)行復(fù)合，使其兼具多種特性，能夠更好地適應(yīng)先進(jìn)封裝CMP工藝中對(duì)材料去除效率、選擇性和表面質(zhì)量的嚴(yán)格要求。因此，研究復(fù)合磨粒在先進(jìn)封裝CMP中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

2025年3月27日，由中國(guó)粉體網(wǎng)主辦的“2025第三屆集成電路及光伏用高純石英材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)”將在江蘇東海召開，屆時(shí)行業(yè)資深專家王寧，將做題為《復(fù)合磨粒在先進(jìn)封裝CMP中的應(yīng)用研究》的報(bào)告。

參考來(lái)源：

王東哲等，化學(xué)機(jī)械拋光液的研究現(xiàn)狀

何潮，牛新環(huán)等.半導(dǎo)體材料CMP過(guò)程中磨料的研究進(jìn)展

趙曉媛.氧化鋁系化學(xué)機(jī)械拋光磨料的制備及顆粒分級(jí)

戴蒙姣.氧化鈰磨粒的可控制備及其拋光性能研究

程佳寶等，CMP拋光液中SiO2磨料分散穩(wěn)定性的研究進(jìn)展

(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/九思)

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