中國粉體網(wǎng)訊  拋光液中磨料的作用主要是在晶圓和拋光墊的界面之間進(jìn)行機(jī)械研磨，以確保CMP過程中的高材料去除率。同時(shí)，磨料也是影響拋光液穩(wěn)定性的重要因素之一。眾多磨料中，SiO₂磨料因其低黏度和低硬度的特性被廣泛應(yīng)用于CMP領(lǐng)域中。

CMP原理圖

維持磨料在拋光液中的分散穩(wěn)定性是影響拋光液能否長期保存的關(guān)鍵因素。SiO₂溶于水后會(huì)與水接觸形成Si-OH鍵，這使得它與大量的羥基相互附著形成SiO₂溶膠，也被稱為硅溶膠。在應(yīng)用中，SiO₂的粒徑一般為0-500nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為10%-35%，同時(shí)，研究者們對其分散性進(jìn)行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)拋光液的pH值、所用表面活性劑的種類、以及磨料自身的粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)都對它的分散穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

單一磨料vs混合磨料

通常在拋光液中加入不同粒徑的SiO₂磨料來實(shí)現(xiàn)較好的拋光效果，其中單一粒徑的磨料和混合粒徑的磨料比較常用。單一磨料的主要優(yōu)勢在于：拋光過程的控制更容易且保證拋光液的穩(wěn)定性，在部分情況下使用單一磨料可能比混合多種磨料更經(jīng)濟(jì)高效。而混合粒徑的磨料因其可以實(shí)現(xiàn)更低的表面粗糙度逐漸成為拋光液的發(fā)展趨勢之一，這主要是因?yàn)樵诖笮×�徑的磨料混合時(shí)，小粒徑磨料填補(bǔ)了大粒徑磨料之間的空隙，使磨料之間更容易發(fā)生附著，從而團(tuán)聚在一起。

粒徑

SiO₂的粒徑在一定范圍內(nèi)的增大有助于提高它的分散穩(wěn)定性，但一旦超過一定大小，穩(wěn)定性將隨粒徑的增大而降低。實(shí)驗(yàn)研究，在35nm左右的粒徑表現(xiàn)出最佳的穩(wěn)定狀態(tài)；大小粒徑的混合磨料也會(huì)使穩(wěn)定性降低。

不同粒徑的二氧化硅顆粒的SEM圖

質(zhì)量分?jǐn)?shù)

據(jù)相關(guān)研究，降低磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以有效地降低磨料發(fā)生團(tuán)聚的概率，增強(qiáng)拋光液的穩(wěn)定性，延長拋光液保存時(shí)間，所以低質(zhì)量分?jǐn)?shù)磨料甚至是無磨料的拋光液成為一種新的研究趨勢。

pH值

拋光液的pH值經(jīng)歷了由酸性→堿性→弱堿性的改變。酸性環(huán)境對設(shè)備具有嚴(yán)重的腐蝕性，雖然能保證較高的材料去除速率，但是晶圓表面生成的鈍化膜極易在酸性環(huán)境中溶解，因此需要加入抑制劑來減少表面的腐蝕。之后，逐漸出現(xiàn)堿性拋光液，而過高的pH值會(huì)破壞布線層下的低k介質(zhì)，造成器件的閾值電壓降低并且器件壽命縮短。多個(gè)研究顯示，硅溶膠在堿性環(huán)境中有著更高的分散穩(wěn)定性，在酸性環(huán)境中，硅溶膠的穩(wěn)定性較差。拋光液中的H+會(huì)中和硅溶膠表面的負(fù)電荷，降低硅溶膠的Zeta電位絕對值，使粒子間的排斥力減小，從而更易發(fā)生絮凝現(xiàn)象。

表面活性劑

弱堿性拋光液的堿性環(huán)境有利于提高硅溶膠的分散穩(wěn)定性，但隨著放置時(shí)間的延長，硅溶膠之間仍可能發(fā)生絮凝現(xiàn)象。為進(jìn)一步提高磨料的分散穩(wěn)定性，通常在拋光液中引入表面活性劑。

離子型表面活性劑的附著原理圖

表面活性劑具體可分為四類，包括陽離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑。在拋光液中，陰離子表面活性劑和陽離子表面活性劑發(fā)揮靜電作用。然而，低濃度陽離子表面活性劑會(huì)降低硅溶膠的Zeta電位，因此陰離子表面活性劑更受歡迎。此外，非離子表面活性劑主要發(fā)揮空間位阻作用來增加硅溶膠的分散穩(wěn)定性。而陰離子和非離子表面活性劑的復(fù)配使用可以進(jìn)一步提升分散效果。

SiO₂磨料的表面改性

很多研究者通過對SiO₂進(jìn)行表面改性，以使其在溶液中具有良好的分散穩(wěn)定性。 改性SiO₂顆�？煞譃榛瘜W(xué)改性、偶聯(lián)劑改性和物理吸附改性。在這三種方法中，物理吸附是相對簡單和廉價(jià)的方法，其最常見的改性方式是使用表面活性劑，因?yàn)楸砻婊钚詣┛捎行г鰪?qiáng)SiO₂顆粒的親水性或疏水性，表面活性劑對SiO₂的作用隨著其親水性或疏水性的變化而改變。

目前研究者們通過改變磨料的粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)、向拋光液中加入各種添加劑、對SiO₂進(jìn)行表面改性等方法，以增強(qiáng)磨料在拋光液中的分散穩(wěn)定性、延長拋光液的保存時(shí)間。然而，目前通過添加劑來提高磨料的分散穩(wěn)定性仍存在一些問題。例如：添加劑的引入可能會(huì)影響拋光質(zhì)量，還可能造成難清洗和腐蝕設(shè)備的問題。此外，目前能夠適配拋光液的添加劑種類仍相對較少。

可以看出，磨料在拋光液中的分散穩(wěn)定性是個(gè)復(fù)雜的問題，需要綜合解決方案。未來，探索具有增強(qiáng)分散穩(wěn)定性在新磨料或引入聚合物分散劑；研究低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磨料甚至無磨料拋光液；或者在保證拋光質(zhì)量的前提下，尋找綠色環(huán)保的添加劑進(jìn)行替代等研究方向，都值得深入研究。

來源：

程佳寶等：CMP拋光液中SiO₂磨料分散穩(wěn)定性的研究進(jìn)展.微納電子技術(shù)

趙之琳：基于混合粒徑磨料的CMP去除機(jī)理研究與應(yīng)用

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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