一、CMP技术设备及消耗品

CMP，即Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光。CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光浆料、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。抛光机、抛光浆料和抛光垫是CMP工艺的3大关键要素，其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平(图1)。其中抛光浆料和抛光垫为消耗品。

化学机械抛光 CMP工艺中的耗材，特别是抛光浆料的选择无疑是“运用之妙”的关键所在。所以，抛光浆料是CMP的关键要素之一，其性能直接影响抛光后表面的质量。影响去除速度的因素有：抛光浆料的化学成分、浓度；磨粒的种类、大小、形状及浓度；抛光浆料的粘度、pH值、流量、流动途径等。 

按pH 值分类，抛光浆料主要分为两类：酸性抛光浆料和碱性抛光浆料。一般酸性抛光浆料都包含氧化剂、助氧化剂、抗蚀剂（又叫成膜剂）、均蚀剂、pH 调制剂和磨料。氧化剂起在被抛光物件表面发生氧化腐蚀作用，然后通过机械作用去除表面凸起部分，使物件表面平整；另外，氧化剂还能氧化基体表面形成一层氧化膜从而提高选择性。助氧化剂起到提高氧化速率的作用。均蚀剂可使腐蚀均匀，从而使表面光滑细腻；抗蚀剂的作用是在被抛光物件表面与被腐蚀基体形成一层联结膜，从而阻止腐蚀的进行以提高选择性。而碱性抛光浆料中一般包含络合剂、分散剂、pH 调制剂和磨料。固体粒子提供研磨作用；对于不同的腐蚀基体要选择不同的络合剂；分散剂一般为大分子量非离子有机分散剂，其作用是保证浆料中的磨料不发生絮凝和沉降现象，并使磨料的黏度保持尽可能低，具有良好的流动性，抑制反应生成颗粒再被抛光表面的吸附，加快质量传递；碱性组成一般使用KOH、氨或有机胺； pH 值为9. 5~ 11. 0。对于硅溶胶CMP抛光液，SiO2 颗粒要求范围为1~100 nm，SiO2 浓度为1. 5%~ 50%。由于SiO2莫氏硬度为7，而蓝宝石晶体的莫氏硬度为9, 所以机械磨消作用较少, 使机械损伤大大减少。 

二、CMP基本原理

从宏观上来说，CMP基本原理是：将旋转的被抛光晶片压在与其同方向旋转的弹性抛光垫上，而抛光浆料在晶片与底板之间连续流动。上下盘高速反向运转，被抛光晶片表面的反应产物被不断地剥离，新抛光浆料补充进来，反应产物随抛光浆料带走。新裸露的晶片平面又发生化学反应，产物再被剥离下来而循环往复，在衬底、磨粒和化学反应剂的联合作用下，形成超精表面，如上图所示。

要获得品质好的抛光片，必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。如果化学腐蚀作用大于机械抛光作用，则会在抛光片表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹；反之，机械抛光作用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层。

从微观角度，CMP 作用机理目前还没有完整的的理论解释。其中有一种说法认为，化学机械抛光过程是化学作用、磨削作用相互加强与促进的过程。以蓝宝石化学机械抛光为例具体阐述：

由于有KOH的存在，对于蓝宝石衬底的化学机械抛光,其CMP 的动力学过程主要由以下几个步骤组成: ①反应剂分子(OH^-)从液体主体向待加工片外表面扩散( 外扩散)；②反应剂分子由外表面向内表面扩散其速率与质量附面层厚度相关, 在压力与抛光机旋转作用下, 附面层极小；③反应物吸附在待加工片的表面；④反应物在加工片表面上进行化学反应, 生成产物；⑤产物从表面解吸； ⑥产物从反应层的内表面向外表面扩散； ⑦产物从反应层的外表面向主液体扩散。如图3所示。

为了达到更好的抛光效果保证表面高平整、低损伤、无污染, 必须在抛光过程中加快质量传递过程。质量传递包括两个方面: 反应物及时到达表面和反应物及时脱离表面。两个过程中的综合结果直接影响CMP 的速率与表面质量。蓝宝石的CMP 过程区别于其他CMP 过程, 单晶Al₂O₃ 组成物质的元素化合价已经达到最高, 其立方结构是: 一个Al 原子周围有三个O 原子, 一个O 原子周围连接着两个Al 原子, 这样形成六方密堆积型。从化学反应式和蓝宝石的结构可以得出, 每生成一个AlO^-2 就要断裂三个Al—O 键, 而且Al—O 键能非常高, 在蓝宝石化学机械抛光过程中, 化学作用是至关重要的。但蓝宝石( 单晶Al₂O₃) 表面与抛光液中OH^- 的反应过程与Al₂O₃ 粉末与OH- 反应机理是不一样的, 它不只是简单的每个Al₂O₃ 分子与OH^- 反应生成AlO^-2。在化学反应过程中, 单个原子之间的反应时间非常短( 约为10^{- 8} s) , 由于单晶Al₂O₃ 特有的结构( 从c [0001] 晶向看蓝宝石结构是一层Al 原子, 一层O 原子) ，在碱性浆料的作用下,首先表面的Al 原子或O 原子分别与浆料作用形成Al—OH 和O—OH 水解层, 在抛光过程中, 带负电的SiO₂ 磨料粒子的表面也与OH^- 形成化学键,之后再与蓝宝石表面的悬挂键形成化学键。随着抛光垫的转动SiO₂ 磨料粒子将Al 原子和O 原子带走。