淺談化學(xué)機械拋光液的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景

付國鑫

[摘 要]在信息時代的今天，主要表現(xiàn)為對電子產(chǎn)業(yè)先進制造能力的競爭。機械制造的精密程度關(guān)系到電子技術(shù)的發(fā)展速度。表面平整化加工的重要手段是拋光，常見的拋光技術(shù)如機械拋光、化學(xué)拋光、磁研磨拋光、流體拋光、電化學(xué)拋光、離子束轟擊拋光、浮法拋光等，均屬于局部平坦化技術(shù)，且平坦化能力從幾微米到幾十微米不等，但是國際上普遍認為，目前唯一可以提供整體平面化的表面精加工技術(shù)就是超精密化學(xué)機械拋光技術(shù)（CMP）。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)機械；拋光液；應(yīng)用現(xiàn)狀；前景

21世紀國力的競爭歸根到底為先進制造能力的競爭，在信息時代的今天，主要表現(xiàn)為對電子產(chǎn)業(yè)先進制造能力的競爭。目前，電子產(chǎn)品的先進制造業(yè)的快速發(fā)展方向為高精度、高性能、高集成度以及可靠性，因此，對加工工件表面的局部平整度和整體平整度都提出了前所未有的高要求（要求達到亞納米量級的表面粗糙度），但是國際上普遍認為，加工工件特征尺寸在0.35μm以下時，必須進行全局平坦化，而化學(xué)機械拋光不但集中了化學(xué)拋光和機械拋光的綜合優(yōu)點，也是目前唯一可以提供整體平面化的表面精加工技術(shù)就是超精密化學(xué)機械拋光技術(shù)。

一、超精密化學(xué)機械拋光技術(shù)的發(fā)展

1985年之前，CMP技術(shù)主要應(yīng)用于精密光學(xué)系統(tǒng)的生產(chǎn)和半導(dǎo)體制造中硅片加工，在商業(yè)中CMP技術(shù)高度壟斷，并秘密保存。80年代后期，CMP技術(shù)被SEMATECH（半導(dǎo)體制造工藝研究合作組織）描述為是一個對多層金屬薄膜加工的強有力的技術(shù)，并且為了推動CMP裝置設(shè)備和消耗品的研發(fā)和提高性能，SEMATECH發(fā)起了巨大的聯(lián)合研發(fā)計劃。1991年，CMP技術(shù)首次被IBM公司成功應(yīng)用到“動態(tài)隨機存儲器“（Mb DRAM）的生產(chǎn)上來，之后CMP技術(shù)以不同的發(fā)展規(guī)模應(yīng)用到各種存儲器和邏輯電路上。目前，國外對于超精密化學(xué)機械拋光加工技術(shù)保密嚴格，我們CMP技術(shù)主要依賴于進口。拋光過程中的拋光機、拋光墊、拋光液這三大要素均產(chǎn)于國外，這每年不僅消耗了我國大量外匯，更嚴重制約了我國對超精密加工水平的發(fā)展，限制了電子產(chǎn)業(yè)往先進水平的長遠發(fā)展。由于我們的產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)嚴重，雖然我國科研學(xué)者已經(jīng)開始了對化學(xué)機械拋光技術(shù)的研究，但在國際上取得的先進成果很少，在實際應(yīng)用中也很少。

二、化學(xué)機械拋光液的應(yīng)用現(xiàn)狀

化學(xué)機械拋光集中了化學(xué)拋光和機械拋光的綜合優(yōu)點，純粹化學(xué)拋光腐蝕性大，拋光速率大，損傷低，表面光潔度高，但是拋光后的表面平整度差和表面一致性差；純粹的機械拋光表面平整度和表面一致性較高，但是表面損傷大，光潔度低。而化學(xué)機械拋光在不影響拋光速率的前提下，既可以獲得光潔度較高的表面，又可以提高表面平整度，是迄今唯一可以提供整體平面化的表面精加工技術(shù)。目前國內(nèi)外常用的拋光液有SiO2膠體拋光液、二氧化鈰拋光液、氧化鋁拋光液、納米金剛石拋光液等。

（一） SiO2膠體拋光液。二氧化硅膠體拋光液是以高純度的硅粉為原料，經(jīng)過特殊工藝生產(chǎn)的一種高純度金屬離子型拋光產(chǎn)品。廣泛用于多種納米材料的高平坦化拋光，如硅片、化合物晶體、精密光學(xué)器件、寶石等的拋光加工。由于二氧化硅粒度很細，約0.01-0.1μm，因此拋光工件表面的損傷層極微；另外，二氧化硅的硬度和硅片的硬度相近，因此常用于對半導(dǎo)體硅片的拋光。二氧化硅是拋光液的重要組成部分，其粒徑大小、致密度、分散度等因素直接影響化學(xué)機械拋光的速率和拋光質(zhì)量。因此二氧化硅膠體的制備也是拋光液中不可缺少的工藝。

（二） 氧化鈰拋光液。二氧化鈰是玻璃拋光的通用磨削材料。隨著工件尺寸的縮小，傳統(tǒng)的硅容易在尺寸較大的集成電路STI（淺溝隔離）處形成蝶形缺陷。而針對STI的拋光，選擇合適的拋光液是關(guān)鍵，采用氧化鈰作為研磨顆粒的第二代拋光液，具有高選擇性和拋光終點自動停止的特性，配合粗拋和精拋，能拋光液中二氧化鈰的粒度是影響拋光效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。目前制備出的二氧化鈰的粒徑多為微米級或亞微米級，粒度分布不均，粒徑大的溶液產(chǎn)生劃痕，嚴重影響到被拋光工件的拋光質(zhì)量。因此，納米級二氧化鈰的制備及應(yīng)用是目前研究的熱點之一。夠十分有效解決第一代STI工藝缺點，是目前重點發(fā)展的產(chǎn)品類型之一。

（三） 氧化鋁拋光液。α-氧化鋁（剛玉）硬度高，穩(wěn)定性好，納米氧化鋁廣泛適用于光學(xué)鏡頭、單芯光纖連接器、微晶玻璃基板、晶體表面等方面的精密拋光，是一種廣泛使用的無機磨料?，F(xiàn)在以高亮度GaN基藍光LED為核心的半導(dǎo)體照明技術(shù)對照明領(lǐng)域帶來了很大的沖擊，并成為目前全球半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的熱點。但由于GaN很難制備，必須在其他襯底材料上外延生長薄膜，作為GaN的襯底材料有多種，目前，藍光和白光LED 芯片均采用藍寶石晶片或碳化硅晶片為襯底晶片，因此，晶片的拋光也成為關(guān)注的焦點。近年來，國際上采用了一種新的工藝，即用Al2O3拋光液一次完成藍寶石晶片研磨和拋光，大大提高藍寶石和SiC晶片的拋光效率。

三、化學(xué)機械拋光液的研究前景

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，為了徹底擺脫對進口拋光液的依賴，拋光液行業(yè)在國內(nèi)的關(guān)注度逐漸上升，但在拋光液的制備及其使用過程中仍有許多問題需要解決：

（一）拋光液對環(huán)境的影響?；瘜W(xué)機械拋光液中的化學(xué)成分，如氨、酸等有毒成分對環(huán)境和人體的傷害很大，為此，在進一步研究拋光液制備工藝的同時，拋光液的循環(huán)利用也要進一步完善，做到經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護相協(xié)調(diào)。例如，水性體系的拋光液綠色環(huán)保，散熱快。

（二）化學(xué)機械拋光液磨料粒子的分散問題。拋光液中使用的多為納米粒子，納米粒子的比表面積較大，表面能較高，極易發(fā)生團聚，目前國內(nèi)外常用超聲波、機械攪拌、表面處理等機械化學(xué)方法對納米磨料粒子進行分散，但是往往達不到效果，因此，納米磨料粒子的分散穩(wěn)定性需要進一步的研究。

（三）拋光液的適用性。目前所用的拋光液沒有表明針對某一工件適用，因此，針對不同材料開發(fā)專門使用的化學(xué)機械拋光液需要進一步的研究。例如，目前富士康對iphone、ipad 等外殼進行光學(xué)鏡面模拋光，以及對半導(dǎo)體晶片的拋光，都需要使用專門特定的拋光液。

四、結(jié)語

目前，電子產(chǎn)品的先進制造業(yè)的快速發(fā)展方向為高精度（納米級的控制精度，亞納米級的加工精度）、高性能、高集成度以及可靠性，因此，對加工工件表面的局部平整度和整體平整度都提出了前所未有的高要求（要求達到亞納米量級的表面粗糙度），同時對超精密加工技術(shù)的水平提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。化學(xué)機械拋光技術(shù)有很深的應(yīng)用背景，我國若想對亞納米級超精加工的技術(shù)體系建立自主知識產(chǎn)權(quán)，CMP技術(shù)的研發(fā)尤為重要，這對打破國外技術(shù)封鎖，實現(xiàn)我國電子制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展有著深遠的戰(zhàn)略意義。

參考文獻：

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