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集成电路（IC,Integrated Circuit）是电子信息产业的核心,是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术之一。从IC制造过程中可以看到,无论是氧化层、阻挡层还是金属布线,都多次使用化学机械抛光（Chemical mechanical polishing or Chemicalmechanical planarization,简称CMP）技术。目前CMP广泛应用于IC制造中,已成为半导体加工行业实现晶片全局平坦化的主流技术之一。化学机械抛光技术是化学作用和机械作用相结合的技术,实际上其微观过程相当复杂,影响因素也很多,其中抛光液既影响CMP化学作用过程,又影响CMP机械作用过程,是影响CMP质量的决定性因素之一。尽管CMP被认为是获得平坦化表面的最有效的方法之一,并且已经广泛应用于SiO2层间介质膜的制程之中,但目前对化学机械抛光SiO2的过程变量作用机理、材料去除机理、抛光液中各成分的微观作用机理以及材料去除非均匀性形成机理等方面问题还没有完全弄清楚。因此如何调整抛光液配方,控制材料去除率,获得更高的表面质量,建立更加完善的材料去除率模型,实现稳定的生产,满足下一代超薄介质膜的要求等,仍然是各国学者研究的热点及前沿问题。本文针对SiO2介质膜化学机械抛光中抛光液特性及其作用机理的研究现状及存在的问题,综合运用摩擦学、接触力学、物理化学、胶体化学及表面与界面物理等方面的理论,对二氧化硅CMP中抛光液的物理化学性质、抛光液成分的选择及其优化、抛光液中磨粒与晶片接触形式、晶片表面材料去除率、化学反应活化能的测量和计算等方面进行了细致研究。首先,使用激光粒度仪和TEM观测了抛光液中磨粒的大小和形貌,研究了纳米磨粒在抛光液中和在抛光过程中的存在形式,结果表明纳米磨粒在抛光液中存在一定的软团聚现象。使用SEM、表面轮廓仪和微观显微镜等观测了抛光垫表面形貌和剖面微观组织结构及其他特性参数,为揭示材料去除机理,建立材料去除率模型提供参考。同时确定了从抛光效果和抛光液本身稳定性两方面为本文中抛光液性能的评价指标,为配制抛光液明确了方向。其次,分析了抛光液配方中各主要成分应必备的性质,以及它们在抛光液中的作用。在优化抛光工艺参数的基础上,通过试验从候选的化学试剂和物质中找出抛光效果或作用效果最明显的一组基本成分,采用正交试验法优化各成分比例,最终确定配方为白炭黑30g（6.0%wt）,KOH1.0g（0.2%wt）,40%硅溶胶280ml（22.4%wt）,有机碱20ml（4.0%wt）,添加剂5g（1.0%wt）。虽然本配方材料去除率仅达到同类产品的80%,但通过使用有机碱大大降低了金属离子含量,同时抛光表面粗糙度与同类产品相当。然后,分析了表面活性剂的吸附模型和特性,以及其在抛光液中的各种作用。使用紫外分光光度计、Zeta电位分析仪和激光粒度仪,根据EDLVO理论,通过试验对比不同分散剂的分散效果,确定使用多羟基聚合物分散剂D,浓度为0.3wt%时,其分散效果最好,可以稳定半年左右。然后,根据化学反应动力学方程,建立了二氧化硅介质膜抛光过程中化学反应速率方程,并根据化学反应活化能的基本原理,通过浸泡试验测量了SS25抛光液与晶片反应的静态化学反应活化能为67.406 kJ/mol,同时对比不同碱与二氧化硅介质膜反应的静态化学反应活化能,发现静态化学反应在整个去除率中所占的比重并不大,其他形式的作用能在CMP中起到了至关重要的作用。接着,基于摩擦化学反应动力学,在修正阿伦尼乌斯公式的基础上,建立了考虑摩擦效应在内的化学反应速率方程,并建立二氧化硅介质膜化学机械抛光总材料去除率模型,同时通过浸泡、变温抛光、压力和转速单因素试验等确定了材料去除模型。结果表明在CMP过程中,摩擦产生的机械能并不是通过热能形式发生作用的,而是直接转化为化学能,即直接降低了化学反应活化能,产生一定的活化能降低量,从而大大提高了反应速率。纯化学作用和纯机械作用在整个CMP去除量中所占比重很小可以忽略不计。不同浓度通过对摩擦力和活化能降低量的影响,从而影响了温度和抛光效果的相关性,活化能降低量与摩擦力基本呈线性关系。最后,根据SiO2颗粒在抛光过程中的纳米效应,建立了粘附去除模型,并通过SS25抛光液和不同粒径抛光液循环抛光试验进行了验证。实验结果表明:①介质膜表面二氧化硅在抛光液中的纳米二氧化硅磨粒的粘附作用和磨粒、抛光垫等的摩擦作用所产生的活化能降低量的共同作用下,内部化学键断裂,从而与内部脱离,产生去除作用。②磨粒粒径在小于65nm左右时,磨粒粒径的增加所产生的粘附作用减小要小于随粒径的增加而产生的摩擦效应的增加,即增加粒径有助于提高粘附和摩擦的总效应,有助于提高材料去除率。③磨粒粒径在65～80nm范围时,应该为过渡状态。④在80nm～143nm范围时,随着粒径的增加,磨粒粘附所产生的摩擦力减小,磨粒划擦所产生的摩擦力增加,虽然总的摩擦力增加,但是粘附作用的大幅减小在总去除率上起决定作用,整体去除率下降。⑤在143～160nm应该为过渡状态,磨粒粘附所产生的摩擦力进一步减小,磨粒划擦所产生的摩擦力增加不足以弥补粘附产生的减小量,总的摩擦力开始下降,整体去除率下降。⑥在160nm以上时,划擦作用不仅在摩擦力上而且在去除率上起主导作用。即磨粒的划擦作用在整个抛光过程中起决定性作用,这以后磨粒的粘附作用可以忽略不计,随着磨粒粒径的增加,去除率增加。