化學機械拋光技術

CMP屬於化學作用和機械作用相結合的技術，其過程相當複雜，影響因素很多。首先工件表面材料與拋光液中的氧化劑、催化劑等發生化學反應，生成一層相對容易去除的軟質層,然後在拋光液中的磨料和拋光墊的機械作用下去除軟質層,使工件表面重新裸露出來，然後再進行化學反應，這樣在化學作用過程和機械作用過程的交替進行中完成工件表面拋光 ^[2]  。

由於光刻工藝中使用高數值孔徑的透鏡帶來了曝光視場聚焦深度較小的問題，同時由於多層金屬互連工藝的使用，都促使了CMP工藝的出現和發展，市場份額也日益變大 ^[1]  。至2008年，其市場銷售額已超過20億美元 ^[2]  。

早期，CMP只是用於互連平坦化，但是隨着技術不斷地完善它也被用於注入器件隔離等一些前端工藝。圖1所示為一個簡單的CMP工藝原理示意圖，將晶圓片固定在一個旋轉的吸盤上，該吸盤又與一個旋轉的拋光盤相接觸，拋光盤上放置了由化學腐蝕劑和磨料顆粒組成的研磨漿料，這些研磨漿料不斷輸到晶圓片下面。拋光盤表面光滑，可以給晶圓片下面不斷地提供新鮮的磨料，同時也可以及時地將研磨產生的副產物排除 ^[1]  。

圖1所示是一種典型的化學機械拋光原理圖：

由於所選的用於拋光研磨漿料中顆粒並不比被拋光的表面硬，因此可以避免嚴重的機械損傷。CMP晶圓片上的表面角度大約是1°，而回流產生的表面角度則為10°。由於CMP能夠形成平整的表面，因此經過CMP之後的晶圓片只會產生極少的金屬線缺陷，如短路和開路，這兩種缺陷最常發生在複雜結構圖形的邊緣。CMP之後獲得的表面平整度可以近似由Hertzian穿透深度公式給出 ^[1]  ：

Rs=3/4ΦP/[2KpE]

公式中，Φ是研磨漿料顆粒的直徑，E是被拋光材料的楊氏模數，Kp是關於研磨顆粒密度的一個常數，對於一個緊密填充的材料來説，Kp=1。對於採用Φ=100nm的二氧化硅顆粒來拋光硅晶圓片的情況而言，在Kp=0.5，1.5MPa的壓力下，獲得的Rs大約為0.3nm。這個結果表明該通過該CMP研磨系統處理後，目標可獲得一個相當平整的表面 ^[1]  。