化學機械平坦化（Chemical Mechanical Planarization，簡稱CMP）是一種廣泛應用於半導體製程中的表面處理技術，特別是在集成電路（IC）的製造過程中。CMP結合了化學反應和機械物理作用，主要用來平整和光滑半導體晶片的表面，去除多餘的材料，達到所需的表面光潔度和平整度。
CMP的基本原理是將化學反應與機械磨擦作用結合起來，對材料表面進行拋光。這一過程通常是在一個平坦的拋光墊（Pad）上，將晶片表面與化學拋光液（也稱為CMP液）共同作用，實現材料的去除和表面光潔。
具體而言，CMP過程包括兩個主要作用：
化學作用：CMP液中的化學成分會與材料表面發生反應，這些反應會使材料的表面變得更易於去除。這些化學成分通常是酸或鹼，可以與半導體材料（如二氧化矽、銅等）進行反應，降低材料的硬度或促使表面氧化。
機械作用：拋光墊與晶片表面之間的摩擦會將材料物理性地從表面移除。拋光墊上的微小顆粒會在一定的壓力和速度下與晶片表面接觸，這種摩擦力有助於去除表面不平整的部分。
CMP的過程主要可以分為以下幾個步驟：
拋光墊與晶片接觸：拋光墊是CMP設備中的關鍵部分，通常由柔軟的材料製成，並且表面具有微小的顆粒。當晶片被固定在設備中時，拋光墊會與晶片表面接觸。
化學拋光液的添加：在拋光過程中，CMP液會被均勻地分佈在晶片與拋光墊之間。這些液體成分通常包括氧化劑、酸性或鹼性溶液以及研磨顆粒。化學成分的作用是讓晶片表面的材料變得更易於去除，尤其是那些難以被機械力去除的材料。
機械磨削：拋光墊會以一定的速度和壓力轉動，並同時施加一定的力量。這樣會使晶片表面與拋光墊上的顆粒發生摩擦作用，將材料從表面去除。
材料去除：在化學和機械雙重作用下，晶片表面的一部分材料被去除，這樣可以實現表面的平整和光滑。通過控制拋光液的成分、拋光墊的特性以及施加的壓力，可以精確地控制去除的材料量。
檢測和調整：在CMP過程中，通常會對晶片表面的平整度、光潔度進行檢測。如果發現不平整或未達到要求的光潔度，會對拋光參數進行調整。
CMP過程中，有幾個關鍵參數需要控制和調整，以達到最佳的拋光效果：
拋光墊的材質和表面結構：拋光墊的材質（如聚氨酯）和表面結構（如顆粒大小、孔隙度等）對拋光效果有重要影響。
拋光液的組成：CMP液的化學成分對材料的去除速率和均勻性有關鍵作用。一般會根據需要去除的材料來選擇相應的化學成分。
施加的壓力：拋光過程中的壓力會影響晶片與拋光墊之間的摩擦力，從而影響去除速率和表面平整度。
拋光速度：拋光墊和晶片的相對速度也會影響去除效果，過高或過低的速度都會影響最終效果。
CMP技術最廣泛的應用領域是半導體製造，尤其是在製作集成電路（IC）過程中。以下是CMP的一些主要應用：
晶片平整化：在多層金屬互連結構中，CMP用來平整每一層金屬的表面，保證下一層金屬的均勻沉積。
去除不需要的材料：如在製程中去除過多的金屬、介質或其他材料，保持設計要求的結構。
平整化後的表面光滑：提高表面質量，確保良好的光刻對位，從而提高芯片的性能和可靠性。
儘管CMP是一項極為重要的技術，但它也面臨一些挑戰：
材料去除率的控制：如何精確控制每次拋光中去除的材料量，以避免過度去除或不均勻去除，依然是CMP技術中的一大挑戰。
表面缺陷的控制：過程中的表面缺陷，如划痕或不平整，可能會影響芯片的性能和良率。
環境影響：CMP過程中使用的化學品和顆粒可能對環境產生一定影響，因此如何實現環保和低污染的CMP技術是一個重要的研究方向。
隨著半導體技術的不斷進步，CMP技術也在不斷發展。例如，對於極紫外（EUV）光刻技術的應用，對CMP技術提出了更高的要求，促使相關技術向著更精確、高效、環保的方向發展。
化學機械拋光（CMP）技術是半導體製程中關鍵的製程之一，通過結合化學和機械的雙重作用，實現對晶片表面的平整化和光滑化。這一過程不僅在集成電路的製造中至關重要，還面臨著不斷提升精度、提高良率和降低環境影響等挑戰。隨著技術的進步，CMP的發展將持續為半導體工業提供更高效、更精確的解決方案。
