化学机械抛光（CMP）是将机械削磨和化学腐蚀组合的技术，它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用，在被研磨的介质表面（如单晶硅片、集成电路上氧化物薄膜、金属薄膜等）上形成光洁的平面，它克服了传统的化学抛光所具有的抛光速度慢、容易导致抛光雾斑以及机械抛光所具有的易产生机械损伤、抛光精度低的缺点，现已成为半导体加工行业的主导技术。

硅晶圆

化学机械抛光作为目前仅有的全局化平坦技术，广泛应用于蓝宝石、集成电路、硬盘、光学玻璃等材料的表面精密加工。随着半导体行业飞速发展，器件尺寸减小，铜线互联层数增加，新材料如Ⅲ-V族半导体材料、掺杂氧化物材料和新结构如MEMS、TSV、3D结构和新型纳米器件等的出现，对化学机械抛光提出了更多的要求和挑战。

CMP设备简图

01磨料在抛光液中的作用

磨料是CMP浆料中的主要成分，在CMP过程中起到的两个作用为：（1）机械作用的实施者，起机械磨削作用；（2）传输物料的功能，不仅将新鲜浆料传输至抛光垫与被抛材料之间，还将反应物带离材料表面，使得材料新生表面露出，进一步反应去除。选择磨料时，应优先考虑分散性好，流动性好，硬度适中，易于清洗的磨料。

02二氧化硅溶胶的优势

目前，在CMP工艺中，常用的磨料主要包括二氧化硅溶胶、二氧化铈和氧化铝，其中二氧化铈的优点是其抛光速率快、硬度小、稳定性好，但目前采用的二氧化铈大都是机械研磨形成的，其颗粒粒径分散度大，粘度也较大，此外，它抛光时的高低选择比也比较差，价格也较为昂贵。氧化铝则因为其硬度较大，对软质工件进行抛光时易划伤工件表面，不太适用于较软质地工件的抛光。而二氧化硅溶胶其胶粒尺寸在1-100nm，其胶粒具有较大的比表面积，高度的分散性和渗透性，因此抛光工件表面的损伤层极微；另外，二氧化硅的硬度和硅片的硬度相近，因此也常用于对半导体硅片的抛光。总的来说二氧化硅溶胶具有粒径可控、硬度适中、粘度较小、粘附性低、抛光后易清洗等优点。

不同类型的抛光液（从左到右依次为二氧化硅抛光液、二氧化铈抛光液和氧化铝抛光液）

03研制国产CMP抛光液迫在眉睫

随着电子消费市场的不断扩大，全球CMP市场也在不断扩大，对CMP消耗品的需求也在不断增加，而在CMP抛光材料中抛光液的价值量占比无疑是巨大的。然而在全球CMP抛光液市场中，中国起步较晚，安集微电子在全球CMP抛光液的市场占有率也仅有2%。

2014-2020年全球CMP消耗品市场规模增长图

（左）CMP抛光材料价值量占比图；（右）全球CMP抛光液市场格局图

贸易争端加剧，国内CMP材料企业应抓住国产替代良机。18年中兴事件、19年华为被禁等，极大地推动半导体产业链国产化进程。以中芯国际为代表的国内下游晶圆制造厂商为了产业链安全可控，在半导体材料方面给予了国内企业更多的机会。由于集成电路设备和原材料具有较高的技术要求和较长的认证门槛，CMP抛光液的国产化进程只能采取循序渐进的过程，从小批量送样开始，逐步过渡到大批量替代，从而完成全部的国产化过程。

国产替代路径

当前国际抛光液市场格局有分散化趋势，国产材料缺口巨大，国内CMP材料的发展空间较大，二氧化硅抛光液也有待进一步完善。如今对于先进制程工艺，需要定制化地给出满足要求的抛光垫产品，抛光液专用化和定制化将给后起的国产厂商带来机遇。二氧化硅抛光液可以根据抛光工件的特性，通过对二氧化硅溶胶的粒径、软硬度及pH等性质进行改善，使二氧化硅抛光液能够更好的面对不同应用需求，可见二氧化硅抛光液在化学机械抛光领域的应用前景十分广阔。

参考来源：

（1）新型CMP用二氧化硅研磨料，刘玉岭、张建新。

（2）蓝宝石衬底的化学机械抛光工艺研究，赵之雯。

（3）纳米磨料在二氧化硅介质CMP中的作用分析，檀柏梅、牛新环、时慧玲、刘玉岭、崔春翔。

（4）化学机械抛光液的发展现状与研究方向，彭进、夏琳、邹文俊。

（5）氧化铝/二氧化硅复合磨料的制备及其CMP性能研究，汪亚军。

（6）二氧化硅磨粒结构对单晶硅表面微观去除的影响研究，齐亚琼。

（7）新型硅基抛光磨料的研究进展，王丹、秦飞、刘卫丽、孔慧、宋志棠、施利毅。

（8）蓝宝石晶片化学机械抛光液的研制，李树荣。

（9）科技创新大时代，半导体CMP核心材料迎来国产化加速期，国信证券经济研究所。

（10）半导体材料系列报告（3）：抛光液/垫：CMP工艺关键耗材，中信建投证券研究发展部。

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