中國粉體網訊 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行機械研磨，以確保CMP過程中的高材料去除率。同時，磨料也是影響拋光液穩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用于CMP領域中。
CMP原理圖
維持磨料在拋光液中的分散穩定性是影響拋光液能否長期保存的關鍵因素。SiO2溶于水后會與水接觸形成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。在應用中，SiO2的粒徑一般為0-500nm，質量分數一般為10%-35%，同時，研究者們對其分散性進行了廣泛的研究，發現拋光液的pH值、所用表面活性劑的種類、以及磨料自身的粒徑和質量分數都對它的分散穩定性產生影響。
單一磨料vs混合磨料
通常在拋光液中加入不同粒徑的SiO2磨料來實現較好的拋光效果，其中單一粒徑的磨料和混合粒徑的磨料比較常用。單一磨料的主要優勢在于：拋光過程的控制更容易且保證拋光液的穩定性，在部分情況下使用單一磨料可能比混合多種磨料更經濟高效。而混合粒徑的磨料因其可以實現更低的表面粗糙度逐漸成為拋光液的發展趨勢之一，這主要是因為在大小粒徑的磨料混合時，小粒徑磨料填補了大粒徑磨料之間的空隙，使磨料之間更容易發生附著，從而團聚在一起。
粒徑
SiO2的粒徑在一定范圍內的增大有助于提高它的分散穩定性，但一旦超過一定大小，穩定性將隨粒徑的增大而降低。實驗研究，在35nm左右的粒徑表現出最佳的穩定狀態；大小粒徑的混合磨料也會使穩定性降低。
不同粒徑的二氧化硅顆粒的SEM圖
質量分數
據相關研究，降低磨料質量分數可以有效地降低磨料發生團聚的概率，增強拋光液的穩定性，延長拋光液保存時間，所以低質量分數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值經歷了由酸性→堿性→弱堿性的改變。酸性環境對設備具有嚴重的腐蝕性，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，逐漸出現堿性拋光液，而過高的pH值會破壞布線層下的低k介質，造成器件的閾值電壓降低并且器件壽命縮短。多個研究顯示，硅溶膠在堿性環境中有著更高的分散穩定性，在酸性環境中，硅溶膠的穩定性較差。拋光液中的H+會中和硅溶膠表面的負電荷，降低硅溶膠的Zeta電位絕對值，使粒子間的排斥力減小，從而更易發生絮凝現象。
表面活性劑
弱堿性拋光液的堿性環境有利于提高硅溶膠的分散穩定性，但隨著放置時間的延長，硅溶膠之間仍可能發生絮凝現象。為進一步提高磨料的分散穩定性，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揮靜電作用。然而，低濃度陽離子表面活性劑會降低硅溶膠的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揮空間位阻作用來增加硅溶膠的分散穩定性。而陰離子和非離子表面活性劑的復配使用可以進一步提升分散效果。
SiO2磨料的表面改性
很多研究者通過對SiO2進行表面改性，以使其在溶液中具有良好的分散穩定性。 改性SiO2顆粒可分為化學改性、偶聯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的方法，其最常見的改性方式是使用表面活性劑，因為表面活性劑可有效增強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量分數、向拋光液中加入各種添加劑、對SiO2進行表面改性等方法，以增強磨料在拋光液中的分散穩定性、延長拋光液的保存時間。然而，目前通過添加劑來提高磨料的分散穩定性仍存在一些問題。例如：添加劑的引入可能會影響拋光質量，還可能造成難清洗和腐蝕設備的問題。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定性是個復雜的問題，需要綜合解決方案。未來，探索具有增強分散穩定性在新磨料或引入聚合物分散劑；研究低質量分數的磨料甚至無磨料拋光液；或者在保證拋光質量的前提下，尋找綠色環保的添加劑進行替代等研究方向，都值得深入研究。
來源：
程佳寶等：CMP拋光液中SiO2磨料分散穩定性的研究進展.微納電子技術
趙之琳：基于混合粒徑磨料的CMP去除機理研究與應用
（中國粉體網編輯整理/空青）
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