为什么说光刻对平坦度日益迫切的要求下，才催生了CMP工艺呢 ？

在现代集成电路制造过程中，光刻（lithography）是决定器件最小线宽和图形精度的核心工序。随着工艺节点不断向 10 nm、7 nm 乃至更先进的亚 5 nm 发展，光学系统的数值孔径（NA）越来越大，使用的曝光波长也越来越短（DUV 向 EUV 演进）。在这种条件下，对晶圆表面平坦度（planarity）的要求也前所未有地提高，否则就会出现严重的焦深不足和投影畸变，造成图形缺陷、线宽不均匀乃至全片良率急剧下降。化学机械平坦化（CMP，Chemical‑Mechanical Planarization/Polishing）正是在这种背景下应运而生，并迅速成为半导体制造中不可或缺的一环。以下分为四个部分详细介绍：

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1. 光刻对表面平坦度的苛刻要求

• 焦深（Depth of Focus）缩减
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    当 λ 从 193 nm（ArF）向 13.5 nm（EUV）过渡、NA 从 0.85 向 0.33（EUV）或更高演进时，DOF 从数百纳米降至几十纳米，甚至低于 30 nm。
  • 
    
    这意味着晶圆各处高低起伏一旦超过几十纳米，就会有明显的失焦，图形精度急剧下降。
    
    
  
  
• 图形畸变与对准偏差
  
  
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    表面不平坦导致投影光学系统的像面不在同一水平面上，不同区域有不同的放大率和畸变；
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    多层对准（overlay）时，若下层凸起或凹陷未被消除，上层光刻对准标记会出现偏移，影响多层互联精度。
    
    
  
  
• 后续工艺兼容性
  
  
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    除了光刻，离子注入（implant）、薄膜沉积（CVD/ALD）、刻蚀（etch）等工序也都要求基底平整，以保证硅片内应力均匀、膜厚一致、刻蚀各向同性。
    
    
  
  

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2. 平坦化技术演进简史

时间

技术

特点与局限

1980s

湍流化学腐蚀（isotropic wet etch）

易控制、成本低，但随下层图形形貌“等比蚀刻”，无法消除大尺度起伏。

1990s

阶梯式沉积＋光刻蚀刻

通过在沟槽填充多晶硅/氧化层然后再刻蚀回平；多道工序，效率低。

1990s–

 CMP 平坦化工艺

结合化学腐蚀与机械抛光，能在一个工序内实现全局及局部平坦化，成为主流。

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3. CMP 工艺原理与流程

• 基本原理
  
  
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    化学作用：抛光液（slurry）中的氧化剂、络合剂等化学成分在接触面形成一层易于切除的化学膜层；
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    机械作用：抛光垫（pad）与晶片表面在一定压力下相对运动，通过微米级研磨颗粒（abrasive）将化学膜连同少量下层材料一并去除。
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    两者协同：化学软化→机械抛光→化学再生，不断循环，使表面平整度快速提升。
    
    
  
  
• 典型工艺流程
  
  
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    （1）前处理
    
    
    • 
      
      清洗除尘，涂覆保护层（如氮化硅掩膜）以保护非磨区；
      
      
    
    
  • 
    
    （2）CMP 抛光
    
    
    • 
      
      载片（carrier）将晶圆紧固并均匀施加压力；
    • 
      
      抛光垫与抛光液持续供给，通过转盘旋转抛光晶圆；
      
      
    
    
  • 
    
    （3）测量与补抛
    
    
    • 
      
      使用光学或原子力显微镜（AFM）测量全片平整度（TP，Total Thickness Variation）和局部缺陷；
    • 
      
      如达不到标准，则进行局部或全片二次抛光；
      
      
    
    
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    （4）清洗与检查
    
    
    • 
      
      去除残余抛光液和颗粒，避免颗粒嵌入；
    • 
      
      再次检测良率关键尺寸（CD）与平坦度指标。
      
      
    
    
    
  
  
• 关键指标
  
  
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    -全片平坦度（TTV）：一般要求 < 50 nm，先进工艺甚至 < 20 nm。
  • 
    
    -局部平坦度（LSF, Local Step Height）：沟槽顶底差异需 < 10 nm。
  • 
    
    -缺陷密度（defect density）：抛光后不允许有划痕、凹坑、颗粒等。
    
    
  
  

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4. CMP 对光刻良率与先进节点的意义

• 提高聚焦一致性：平整的基底使全片聚焦条件一致，曝光成功率和线宽均匀性显著提升；
• 保证多层对准精度：图形叠层堆栈中，各层对准标记都在同一平面，最大程度降低 overlay 偏差；
• 支持极紫外（EUV）光刻：EUV 对焦深更短，对起伏更敏感，CMP 平坦化是实现大批量生产的关键保障；
• 缩短工艺节拍：相比多道沉积＋刻蚀回平，CMP 工艺单一、节拍快，有利于降低成本并提高产能。
  
  

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总结

光刻工艺不断微缩使得曝光系统的焦深和对齐容差急剧收紧，而晶圆在制造过程中不可避免地会出现沟槽、金属线、介质层等高低起伏。化学机械平坦化（CMP）以其“化学软化＋机械抛光”协同优势，成为目前唯一能够在单道工序中快速、精确地将晶圆表面平整到纳米级甚至更低起伏的技术。正是由于平坦化需求的日益迫切，CMP 才在 1990 年代后期被大规模引入并迅速成为半导体制造的必备环节。未来，随着更先进工艺节点的到来，CMP 工艺也将不断优化抛光材料、抛光垫及在线测量反馈系统，以满足更苛刻的平坦度要求。