CMP（化学机械抛光）的技术要点

1. CMP的基本机理

CMP（化学机械抛光，Chemical Mechanical Planarization/Polishing）是通过?化学腐蚀反应（Chemical） + 机械磨削作用（Mechanical），实现对表面材料的选择性去除和平坦化。

化学作用：浆料（Slurry）中的化学剂与待去除材料（SiO?、Cu、W、TaN等）反应，生成可溶或软化的产物。

机械作用：抛光垫（Pad）+磨粒（Abrasives）在下压力和相对运动下，去除表面产物，实现均匀平坦化。

核心目标：

去除多余薄膜（如金属、介质层）

实现晶圆全局平坦（Global Planarization），为后续光刻提供焦距窗口。

2. CMP的关键工艺要素

CMP 的效果主要取决于?四要素：浆料、抛光垫、工艺参数、后清洗。

(1) 浆料 Slurry

成分：磨粒（SiO?, CeO?, Al?O?等）、化学剂（氧化剂 H?O?、络合剂、抑制剂）、去离子水。

作用：

磨粒 → 提供机械去除能力。

氧化剂 → 氧化金属表面（如 Cu → CuO/Cu?O），便于去除。

络合剂/抑制剂 → 控制反应速率，避免腐蚀或选择性丧失。

控制点：pH 值、颗粒分布、稳定性（避免颗粒聚集）、供应系统纯度。

(2) 抛光垫 Pad

材质：多孔聚氨酯。

作用：提供弹性支撑，保证浆料分布与机械磨削。

关键参数：

硬度/弹性（决定去除速率与均匀性）；

表面微孔结构（储液/排液/排屑能力）；

调整方式：Pad Conditioning（用钻石盘修整，保持粗糙度）。

(3) 工艺参数

下压力（Down Force）：通常 1~6 psi，决定去除速率（越大速率越快，但缺陷风险增加）。

转速（Platen/Carrier Speed）：几十至数百 rpm，影响剪切力与去除均匀性。

流量（Slurry Flow）：几十到几百 ml/min，影响反应物供应与颗粒分布。

去除速率（Removal Rate, RR）：nm/min，需与目标膜厚匹配，通常 50~500 nm/min。

(4) 后清洗 Post-CMP Cleaning

目的：去除颗粒、金属离子和残留浆料，避免交叉污染。

手段：双面刷洗、Megasonic 清洗、化学液（SC1/SC2）、去离子水冲洗。

3. CMP常见缺陷与控制

CMP 工艺的难点在于?缺陷控制?和?均匀性优化。

常见缺陷

Dishing（凹陷）：金属区被过抛，形成凹陷。

Erosion（腐蚀）：在密集区域介质层被过抛，造成局部凹陷。

Scratches（划痕）：浆料颗粒或Pad表面缺陷导致。

Staining/残留：浆料化学物质残留，造成表面污染。

Defectivity（颗粒污染）：残留磨粒或Pad 碎屑。

控制方法

设计层面：Dummy Pattern / Density Fill → 降低局部密度差异。

工艺层面：优化压力/转速，选择高选择比浆料。

设备层面：实时监控 RR、终点检测（摩擦力监控、光学反射、声学传感）。

清洗层面：加强 Post-CMP 清洗流程，避免颗粒带入后段。

4. 先进工艺节点下的CMP挑战

在 28nm 以下甚至到 5nm/3nm FinFET、GAA 节点，CMP 的难度明显增加：

多层互连（BEOL）：金属/低k介质/阻挡层材料差异大，选择性和均匀性难以兼顾。

低k材料（k≈2.5~2.0）：机械强度低，易损伤或崩边。

铜互连：Cu 的化学活性高，容易氧化、腐蚀，CMP需要抑制剂（如BTA）。

厚度公差收紧：Planarization margin 只有几纳米，要求 CMP 工艺窗口极窄。

3D结构：如 TSV（硅通孔）、3D NAND 的阶梯状结构，需要高均匀性和平坦度。

? 总结给工程师的要点

CMP的核心是化学与机械作用的平衡?→ 浆料配方+Pad条件+工艺参数必须协同。

缺陷控制是重中之重?→ dishing/erosion/scratch/残留等直接影响良率。

工艺窗口窄且材料复杂?→ 先进节点对去除选择性和均匀性要求极高。

量产中必须关注 SPC 与监控?→ 实时监控去除速率与缺陷趋势，保持批间稳定性。