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化学■表面工程超精密加工：化学机械抛光与抛光液( 二 )


3 抛光液的研究现状与应用
抛光液是CMP耗材中的重要组成部分 ， 是CMP工艺的关键要素 ， 其性能决定CMP能达到的表面平整水平 。
抛光液的成分主要由三部分组成 ， 腐蚀介质、成膜剂和助剂、纳米磨料粒子 。 抛光液要满足抛光速率快、抛光均一性好及抛后易清洗等要求 。 磨料粒子的硬度也不宜太高 ， 以保证对膜层表面的机械损害比较轻 。
按pH值分类 ， 抛光液主要分为两类 ， 酸性抛光液和碱性抛光液 。 一般酸性抛光液都包含氧化剂、助氧化剂、抗蚀剂（又叫成膜剂）、均蚀剂、pH调制剂和磨料 。 氧化剂起在被抛光物件表面发生氧化腐蚀作用 ， 然后通过机械作用去除表面凸起部分 ， 使物件表面平整；另外 ， 氧化剂还能氧化基体表面形成一层氧化膜从而提高选择性 。 助氧化剂起到提高氧化速率的作用 。 均蚀剂可使腐蚀均匀 ， 从而使表面光滑细腻；抗蚀剂的作用是在被抛光物件表面与被腐蚀基体形成一层联结膜 ， 从而阻止腐蚀的进行以提高选择性 。 而碱性抛光液中一般包含络合剂、氧化剂、分散剂、pH调制剂和磨料 。 因为碱性抛光液仅在强碱中才有很宽的腐蚀领域 ， 而且磨料易造成划伤 ， 所以应用远不如酸性抛光液广泛 。 对于不同的腐蚀基体要选择不同的络合剂；分散剂一般为大分子量非离子有机分散剂 ， 其作用是保证浆料中的磨料不发生絮凝和沉降现象 ， 并使磨料的黏度保持尽可能低 ， 具有良好的流动性[10] 。 下面主要介绍目前使用最为广泛的几种抛光液 。
3.1 CeO2抛光液
稀土氧化物CeO2具有很好的抛光性能 ， 其特点是抛光速率高 ， 对材料的去除率高 ， 被抛光表面粗糙度和表面微观波纹度较小 ， 颗粒硬度低 ， 对被抛光表面损伤较弱；其缺点是黏度大 ， 易划伤且高低选择性不好 ， 沉淀在介质膜上吸附严重 ， 为后续清洗带来困难[11] 。
CeO2在碱性抛光条件下是两性的 ， 能同时吸附阴离子和阳离子[12] ， 有较好的抛光性能 。 硬度、纯度、粒径分布、悬浮性、表面活性、分散性和密度等都是影响其抛光性能的主要因素[13] ， 粒径大的CeO2适于高速抛光 ， 粒径小的则适合低速抛光[14] 。 由于CeO2的硬度与SiO2的硬度相接近 ， 它们可以发生化学反应 ， 因此用于SiO2介质层抛光磨料时 ， 可获得较高的抛光速率[15] 。
CeO2抛光液广泛应用于玻璃精密抛光、超大规模集成电路SiO2介质层抛光和单晶硅片抛光等 ， 而现在国内外有很多研究也致力于CeO2抛光液对半导体衬底材料（如GaAs晶片）的抛光 。
3.2 SiO2抛光液
SiO2的优点是选择性和分散性好 ， 机械磨损性能较好 ， 化学性质较活泼 ， 后清洗过程废液处理较容易 ， 其缺点是硬度较高 ， 易在被抛光物体表面造成不平整 ， 且在抛光液中易产生凝胶现象 ， 对抛光速度的再现性有不良影响 ， 同时会使被抛光物体表面产生刮伤[16] 。
SiO2抛光液的pH值、磨料粒径（50～200 nm）与分散度、浓度等都对其抛光效果有很大的影响 。 SiO2抛光液常用于硅片的抛光、层间介电层（ILD）的抛光、铌酸锂晶片的抛光、硬盘基片的抛光等 。
3.3 Al2O3抛光液
Al2O3是一种白色粉末 。 常见的Al2O3晶型为α-Al2O3和γ-Al2O3 。 自然界中的刚玉为α-Al2O3 ， 属六方紧密堆积晶体 。 α-Al2O3的密度为3.965 g/cm3 ， 熔点为2015±15 ℃ ， 莫氏硬度较大 ， 达到9.0左右 ， 不溶于水、酸及碱 。 γ-Al2O3属立方紧密堆积晶体 ， 不溶于水 ， 但能溶于酸和碱 ， 是典型的两性氧化物 ， 硬度比α-Al2O3小 。
1998年日本COSMOS公司首次开发了纳米级别的超细Al2O3微粉作磨料的纳米级抛光剂 ， 从而Al2O3抛光液广泛应用于CMP领域 ， 以纳米γ-Al2O3为研磨粒子的浆料可用于集成电路生产过程中层间钨、铝、铜等金属薄膜的平坦化及高级光学玻璃、石英晶体和各种宝石的抛光等[17] 。 Al2O3抛光液因具有选择性低、分散稳定性不好、易团聚等缺点 ， 往往在几分钟内就会出现沉淀 ， 颗粒变粗 ， 在抛光中表面划伤严重 ， 损伤层深 ， 且抛光后表面难以清洗 ， 所以需要在Al2O3抛光液中加入合适的添加剂 ， 如络合剂、表面活性剂等 ， 以得到较好的材料表面质量 。 有研究表明[18] ， 通过在Al2O3外层包覆SiO2形成壳-核型结构的复合磨料 ， 配成抛光液进行抛光时 ， 可以在得到较高抛光速率的同时 ， 提高材料的表面质量 ， 其机理可能是粒子之间的解聚作用及壳-核型结构的缓冲效应 。


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