梅特勒托利多小课堂：为什么晶圆表面需要极度平坦?

01 - 什么是硅片？为什么硅片表面如此光滑？

硅片，又称为晶圆，是制造芯片和各种半导体器件的重要原材料。晶圆通常拥有完美抛光的表面，宛如镜面或者珠宝，那为什么要将晶圆打磨得如此光滑？晶圆打磨后被切分成一枚枚芯片，制程中反复将晶圆打磨抛光，是为了满足生产中的平坦化需要，尤其是光刻过程中的晶圆表面更是要求极致的平坦。

随着芯片制程的缩小，光刻机的镜头要实现纳米级的成像分辨率，需要增大镜片的数值孔径，但同时会导致焦深下降。要保证光刻图像清晰，晶圆表面的高低起伏必须落在焦深范围内。因此晶圆表面不够平坦，厚度不平均，将导致高低处的光刻出现问题。

02- 什么是 CMP 技术？

芯片厂最主要的抛光技术叫做化学机械研磨或者化学机械平坦化，简称 CMP。CMP 工艺过程中，晶圆被固定在仪器，面朝下压在抛光垫上进行旋转打磨，期间注入抛光液，让晶圆表层充分腐蚀氧化后再物理去除，最终打磨极致光滑的表面。抛光液和抛光垫是 CMP 技术的核心。

（1）抛光液

抛光液的配方属于厂商机密，一般由液态的刻蚀溶剂、分散剂、ph 调节剂和固态的细小磨料组成。在研磨过程中，腐蚀性溶液负责软化晶圆表面，因此液体中的各种湿法化学品的纯度、配比和浓度变化的控制都要非常精细，才能保证稳定的腐蚀速度，实现较高的选择比。抛光液中的固体磨料用来帮助机械打磨，定量去除被腐蚀的表面。分散剂是为了防止抛光液中的小颗粒发生沉降和聚集。

抛光液必须现场调配，立即使用。通过测量容积或液位实时确保各种成分的配比，实现现配现磨。先进的芯片制程采用非接触式的称重计量法来做配比，采用自动化的高精密称重模块来实现每次 0.5g 的调配精度。

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配置好的抛光液再通过密度，pH 值等检测后，在打磨过程中持续注入，让液体时刻保持流动，有效带走研磨中产生的热量和碎屑。因此抛光液是一种消耗品，制成越是精密，废液越难回收。

（2）抛光垫

抛光垫也是一种需要定期更换的耗材。抛光垫一般由多孔结构的高分子材料制成，多孔结构既形成了粗糙的打磨表面，也有利于研磨过程中对抛光液的容纳吸收。但随着使用时间增长，抛光垫的表面粗糙度会逐渐下降降低打磨性能，还会导致每次研磨的残余物在孔隙中积累，造成对晶圆造成划伤。所以抛光垫需要及时更换，定期维护。新的抛光垫也需要段时间的磨合才能达到均匀的表面粗糙度，实现最好的打磨效率和均匀性。

03- CMP 如何引入芯片制造领域？

早在芯片诞生前，CMP 已经作为一种精加工手段用于给望远镜镜片之类的精密仪器做表面抛光处理。和单一材质的镜片相比，芯片的结构更加精密复杂，且生产过程对于洁净度的要求非常高，因此尽管 CMP 的打磨效果很好，但由于采用细颗粒物作为磨料，芯片厂一直不敢采用这种加工工艺。

直到 80 年代，在日本厂商的竞争压力下，IBM 为了制造多层金属的芯片，必须要将晶圆的每一层磨得更平，这才尝试引进了 CMP 技术。在经过多次实验后，IBM 逐渐掌握了打磨技巧，并在打磨后结合湿法清洗，CMP 这才变成芯片制造中非常重要的工艺，很快在半导体到领域被推广开来。

0.35 微米以下芯片的制程，CMP 已经成为各大芯片厂不可缺少的晶圆平坦化技术。随着半导体制程越来越小，芯片结构越来越复杂，CMP 工艺也变得越发重要。90 纳米以下，制程 CMP 步骤通常不超过十次，抛光液种类不超过五六种；14 纳米以下的制程，CMP 步骤多达 30 次，抛光液种类超过 20 种。

CMP 技术也存在许多不足。例如，机械研磨的过程容易过度打磨，难以保证高选择比，依赖设备的终点检测，旋转抛光容易造成晶圆表面的回旋型套壳偏差，影响后续光刻的质量。当未来芯片对于平坦化的要求进一步提高，在抛光过程中如何实现更加严格的污染和精度控制将是 CMP 打磨技术必须跨越的挑战。

目前最光滑的人造品是表面粗糙度仅为 0.02 纳米的新一代 EUV 光刻机镜头的镜片，使用水流型无影接触抛光技术和等离子体撞击抛光技术。和 CMP 相比精度高，成本高，打磨效率也有待提高，我们仍在期待着更加高效精细的研磨和测量技术的突破和诞生。

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