1. 化学机械抛光的应用

基于 CMP 技术的诸多优势，其已在半导体工业中实现广泛落地，下表 1 为 CMP 在半导体工业中的核心应用场景分类。

表1 CMP 在半导体工业中的广泛应用

以下将按衬底材料、介质材料、金属材料分类，`详细综述 CMP 在半导体制造工艺中的应用，同时介绍 CMP 在其他领域的拓展应用。

1.1硅材料CMP

CMP 在晶圆（Wafer）制造中的应用最早可追溯至 20 世纪 60 年代，彼时主要采用二氧化硅抛光液对硅研磨片进行抛光。随着硅平面工艺向多层化发展，薄膜制备过程中的不平坦度不断积累，上层薄膜的高分辨率光刻对衬底平坦度提出极高要求，硅晶片 CMP 的应用场景也不断细化，目前核心包括：硅片粗抛、硅片精抛、硅片双面抛光、测试硅片回收等。

当前硅片 CMP 的研究重点为精密抛光，核心要求体现在两方面：

1.硅片表面粗糙度需达到亚纳米级；

2.严格控制硅抛光片表面的金属离子含量。

对应超精密抛光液的要求也更为严苛：不仅需满足抛光效率、抛光精度，抛光液中的金属离子含量需达到亚 ppm 级。目前该类抛光液市场主要由 Fujimi 公司主导，也是国内抛光液企业进军半导体市场的核心切入点。

1.2 介质 CMP

芯片制造工艺中的介质 CMP，核心围绕层间 / 器件间绝缘、隔离结构及新型低介电介质展开，主要包括ILD/IMD-CMP、STI-CMP、Low-k 介质材料 CMP三大类。

【1】ILD 或 IMD－CMP

二氧化硅是集成电路制造中最常用的芯片组件隔离介质，其 CMP 主要应用于层间绝缘膜平坦化和元器件间隔离膜平坦化，是大规模集成电路多层互连结构制造的核心步骤：

·层间绝缘膜平坦化：将导线 / 组件上的绝缘膜做平坦化处理，为后续多层互连线工艺奠定基础，抛光对象包括 PECVD 膜、BPSG、热氧化膜等；

·元器件间隔离膜平坦化：形成平坦的氧化硅绝缘隔离层，实现组件间的有效隔离。

工艺配套：抛光液多采用粒径较大的 Fumed Silica 抛光液，通过添加 KOH 或 NH₄OH 将溶液 pH 值控制在 10~12；但因煅烧二氧化硅磨料的表面羟基水化膜性能弱于胶体二氧化硅，易导致介质层产生划伤。

【2】STI－CMP

STI（浅槽隔离）CMP 是元器件间隔离的核心工艺，工艺流程为：在硅晶片上通过反应性刻蚀形成沟槽→化学气相沉积沉积二氧化硅膜→采用 CMP 去除未埋入凹沟的二氧化硅膜→形成二氧化硅隔离层（以氮化硅膜为 CMP 研磨停止层）。

STI-CMP 的核心技术要求为优异的平整性和SiO₂膜与 Si₃N₄膜之间的高选择比：

·传统工艺采用 Fumed Silica 抛光液，因抛光效果和选择比不足，正逐步被新型 CeO₂抛光液取代；

·CeO₂抛光液优势：易实现高整平性和高选择比、有效减少划伤、降低工艺成本，目前主要由 Hitachi 公司供应。

STI-CMP 的应用推动了单层介质层时代的到来（一层介质层中同时制作插塞孔和导线沟槽），为集成电路工艺向 0.1μm 节点迈进提供了关键支撑。

【3】Low－k 介质材料的 CMP

为提升芯片运行速度、改善互连延迟，降低介质材料介电常数成为芯片工艺的核心发展方向，目前主流 Low-k 介质材料为多孔材料、改性二氧化硅或聚合物材料。

工艺难点：Low-k 介质材料抗机械强度差，CMP 过程需在低压力下进行，而低压力会直接降低抛光效率；研究重点：开发适配 Low-k 介质材料的新型抛光液，兼顾低压力下的抛光效率和平坦化效果。

1.3 金属 CMP

自 CMP 技术应用于 IC 互连结构制造后，金属 CMP 成为行业研究热点，不仅覆盖 W-plug（钨插塞）工艺，还包括 Al、Cu 互连结构的形成，现已成为芯片制造的关键工艺环节，核心分为W-CMP、Al-CMP、Cu-CMP三类。

【1】W－CMP

W-CMP 是金属 CMP 中研究最早、技术最成熟的工艺，核心用于取代钨层的回蚀工艺，若与介质 CMP 配合使用，可大幅提升芯片制造成品率。

工艺配套：

·抛光液：以酸性氧化铝为研磨料，抛光速率可达 200～300nm/min；

·工艺优化：添加氧化剂将钨氧化为可溶解的四氧化钨离子，通过控制溶液 pH 值调节氧化反应（酸性利于四氧化钨离子形成，中性利于钨钝化为三氧化钨）。

【2】Al－CMP

Al-CMP 主要应用于插塞和导线结构，核心目的是去除选择性被破坏或过剩铝膜形成的凸起，实现全局平坦化：

·工艺升级背景：传统介质层采用钨插塞，为降低插塞电阻率、提高抗电迁移能力，铝插塞工艺已进入研发阶段；

·抛光液：以水为基础的酸性溶液，以 H₂O₂或过氧化氢脲作氧化剂，搭配氧化铝研磨颗粒（H₂O₂稳定性差、生命周期短为主要工艺痛点）；

·工艺数据：0.18 微米 Dual Damascene（双大马士革）工艺中，Al-CMP 抛光速率可达 450nm/min。

【3】Cu－CMP

为进一步改善互连延迟，低电阻率的 Cu 布线逐步取代 Al 布线，但 Cu 无法像 Al 那样通过刻蚀工艺制作版图结构，Damascene 工艺 + CMP 技术成为 Cu 互连实现的核心方案，Cu-CMP 也成为 Cu 布线工艺的关键环节。

核心研究难点：解决抛光过程中的 **dishing（碟形凹陷）和erosion（侵蚀）** 问题；抛光液研发进展：

·传统：以氧化铝为研磨料，抛光机理为“先机械研磨，后化学溶除”；

·新型：基于二氧化硅的 Cu-CMP 抛光液成为研究重点，如 Cabot 和 Motorola 的酸性氧化铝抛光浆料、刘玉林教授研发的碱性二氧化硅水溶胶抛光浆料（机理为 “强络合、弱氧化，先化学后机械”）、Intel 和罗门哈斯的酸性二氧化硅抛光液（已取得阶段性进展）。

Cu 布线 CMP 的技术突破直接影响下一代 IC 工艺的发展，目前已成为 IC 工艺研发的核心迫切任务。

1.4 CMP 其它应用

近年来，CMP 技术除半导体核心工艺外，还在硬盘制造、光电器件、显示面板、MEMS等领域实现拓展应用，核心源于各领域对材料表面超高平坦化、低粗糙度的工艺要求。

【1】硬盘基片抛光

硬盘磁头通过亚微米微距浮起读取数据，飞行高度越低，数据搜寻和读写速度越快，目前磁头飞行高度已达 10～15 纳米，对硬盘片表面要求为：表面粗糙度 Ra 低于 10Å、超高平坦化。CMP 技术是实现硬盘片高平坦度的核心手段，也是进一步提升硬盘记录密度的关键。

【2】光电器件衬底材料抛光

以 GaN LED 为代表的光电器件，多采用蓝宝石作为衬底材料，为满足光刻和器件分割要求，需通过 CMP 实现：

·衬底片正面的高精密抛光，保障光刻精度；

·二极管结构形成后，衬底片背面的减薄 + 抛光，实现器件有效分割。

【3】其他领域拓展

1.显示面板：薄膜液晶显示器（LCD）的 ITO 锡铟导电玻璃、彩色滤光片（Color Filter）的抛光；

2.光学领域：高精度镜头的表面抛光；

3.微机电领域：MEMS 工艺中的材料表面平坦化处理。

以上领域均已开展 CMP 技术的应用研究，成为 CMP 技术的重要拓展方向。