www.188betkr.com 讯随着集成电路技术的发展，由于特征尺寸的减小和高密度器件的实现，集成电路材料层之间的平坦度变得越来越关键，对半导体制程中的超精密表面处理效率和表面质量的要求也越来越高。
01.磨料：半导体抛光的关键材料
当前，化学机械抛光技术（CMP）是唯一可以实现全局平坦化的关键技术。
具体来说，目前CMP主要应用于半导体制造过程中对基体材料硅晶片的抛光、浅槽隔离、铜互连、High-k绝缘层金属栅极(HKMG)先进晶体管制造、鳍式场效应晶体管(FinFET)、局部连接的高级触点、高级逻辑器件中的高迁移率沟道材料、高级动态随机存储器中的埋入式字线晶体管结构等，对于不同的多层材料的表面平坦化均有良好的效果。
半导体制造工艺流程及CMP所处环节
CMP技术是通过抛光液和待抛光材料之间的化学、机械协同作用使得材料去除并获得表面全局平坦化，因此，抛光液对CMP性能的影响重大。抛光液是超细固体研磨材料和化学添加剂的混合物，为均匀分散的乳白色胶体，起到研磨、腐蚀溶解等作用，主要原料包括研磨颗粒、化学添加剂、pH值调节剂等组成。其中磨粒主要通过微切削、划擦等方式承担着CMP抛光中机械作用。
化学机械抛光示意图
据了解，CMP抛光材料在半导体材料中价值量占比达7%，抛光液在CMP抛光材料成本中占比达49%，而磨料约占抛光液成本的50%-70%。
从成本占比就可以看出磨料在半导体制程中有多重要，当前，最常用的磨料主要有SiO2、CeO2、Al2O3三种。
02.氧化铈，抛光粉之王
铈是镧系元素的第二个元素，也是地球上第25个最丰富的元素，它几乎与铜储量一样丰富。
图片来源：天骄清美
在自然状态下，氧化铈（CeO2）是最常见、最稳定的铈氧化物。氧化铈通常呈现为一种立方萤石晶体结构，空间群为Fm3m。Ce的价电子层结构是4f15d16s2，外层电子和内部电子间能量差很小，因此，氧化铈有三价和四价两种价态形式。在外部环境的影响下，Ce3+和Ce4+可以相互转化，并伴随着氧空位的形成和消失，基于这种性质，氧化铈具有较强的反应活性，氧化铈磨粒能在工件表面生成易于去除的化学齿，以获得优异的抛光性能。
总结来说：氧化铈作为磨料有如下几方面优势：
（1）氧化铈中的四价铈具有强氧化作用，对抛光物质有较强的化学作用；
（2）氧化铈的硬度比硅片硬度略小，在抛光过程中既不会对硅片材料造成明显的机械损伤，又可以得到较为光滑、洁净的平面；
（3）抛光速度和效率较快，一般抛光速率可提高3～4倍；
（4）氧化铈的晶形和活性较好，粒度小而均匀，用量少且使用寿命长；
（5）氧化铈抛光液清洁、无污染，易于处理。
这些优势让氧化铈赢得了“抛光粉之王”的美誉。
在半导体制程中，氧化铈抛光液主要应用在STI和ILD中，制程越高使用越多，且用于先进封装的抛光液磨料只能是氧化铈。氧化铈价格远高于氧化硅，固含量远低于氧化硅，因此市场价值最高。氧化铈的核心是提纯难度大、粒径影响抛光效果，因此纳米级氧化铈的制备及应用是当前研究热点之一，未来前景广阔，市场及成长空间较大。
03.二氧化硅，最最最常用
纳米SiO2由于其优异的稳定性、耐温性及悬浮性，广泛应用于化学机械抛光领域，从形貌上可以分为球形与非球形。
图片来源：河北硅研
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。
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。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。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。
整体来说，SiO2具有良好的稳定性和分散性，不会引入金属阳离子污染，其硬度与单质硅接近，对基底材料造成的刮伤、划痕较少，适合用于软金属、硅等材料的抛光，是目前应用最广泛的抛光液磨料。
04.氧化铝，效率高
氧化铝具有多种晶型,已经发现的有10余种，其中常见的为α、β、γ等。其中α-Al2O3为白色晶体，呈菱形六面体状，刚玉结构，高温稳定晶型，具有比表面低、结构紧密、活性低等特点，是同质异晶体中最为稳定的晶型，具有良好的机电性能。在化学机械抛光中使用的氧化铝磨料，常选用硬度大、性能稳定、不溶于水、不溶于酸碱的α-Al2O3。
图片来源：广州汇富研究院
作为化学机械抛光磨料，氧化铝的形状、尺寸大小都直接影响着抛光效果。当采用高纯亚微米级球形氧化铝粉作为化学机械抛光液磨粒时，去除率高、抛光快、抛光面不易产生微细划痕、光洁度高，可用于精密光学器件、石英晶体和半导体单晶等高精尖产品的加工。因此，亚微米级球形氧化铝的制备方法成为人们研究的热点。
小结
氧化铝、氧化铈、二氧化硅具备各自的优缺点，是目前最常用的三种抛光液磨料。此外，随着碳化硅为代表的第三代半导体的崛起，金刚石等超硬磨粒得到了业界的广泛关注，正在快速加入“最受欢迎”的阵营。
参考来源：
[1]夏超.纳米氧化铈抛光液的制备与性能研究
[2]戴蒙姣.氧化铈磨粒的可控制备及其抛光性能研究
[3]赵晓媛.氧化铝系化学机械抛光磨料的制备及颗粒分级
（www.188betkr.com /山川）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
