揭秘 CMP 抛光液：为什么 pH 值差一点，芯片表面就 “毁了”？

摘要：化学机械抛光（CMP）技术是实现半导体晶圆、先进材料等表面超光滑无损伤平坦化加工的核心技术，而CMP 抛光液是该技术中发挥关键作用的电子级化学品。它通过化学腐蚀与机械磨削的协同作用，在抛光过程中实现材料表面的精准去除与平整化，广泛应用于半导体集成电路、显示面板

化学机械抛光（CMP）技术是实现半导体晶圆、先进材料等表面超光滑无损伤平坦化加工的核心技术，而CMP 抛光液是该技术中发挥关键作用的电子级化学品。它通过化学腐蚀与机械磨削的协同作用，在抛光过程中实现材料表面的精准去除与平整化，广泛应用于半导体集成电路、显示面板、精密光学器件等高端制造领域。

了解半导体解决方案www.mt.com/cn/zh/home/industries/semiconductor-manufacturing/cn-semiconductor-solutions.html?cmp=seo_CN_Other_GEN_WST_PRO-semicon_20250716

CMP 抛光液的组成复杂，通常包含三大核心成分：

磨料：如氧化铝、二氧化硅、碳化硅等纳米颗粒，提供机械磨削力，直接参与材料的物理去除；化学添加剂：包括 pH 调节剂（如柠檬酸、氨水）、氧化剂（如过氧化氢）、络合剂（如甘氨酸）等，通过化学反应调控材料表面的腐蚀速率与状态，辅助磨料实现高效去除；溶剂：多为超纯水，用于分散磨料和溶解添加剂，确保抛光液体系的均匀性与稳定性。不同应用场景（如硅片抛光、金属布线抛光、蓝宝石衬底抛光）的抛光液配方差异显著，但其核心功能均是通过 “化学 - 机械” 协同作用，在保证表面质量的前提下实现高效平坦化。

为什么控制 CMP 抛光液的 pH 值至关重要？

pH 值是 CMP 抛光液性能调控的核心参数，其精准控制直接影响抛光效率、表面质量及生产稳定性，具体原因如下：

1. 决定材料去除率的稳定性

CMP 的核心是 “化学腐蚀” 与 “机械磨削” 的平衡，而 pH 值直接调控这一平衡。

化学层面：pH 值影响抛光液中添加剂的活性。例如，氧化剂在特定 pH 范围才能高效氧化材料表面（如铜在酸性条件下更易被 HO氧化），络合剂则需在合适 pH 值下与金属离子形成稳定络合物，促进腐蚀产物脱离表面；机械层面：pH 值通过改变磨料与材料表面的静电作用影响磨削效率。例如，二氧化硅磨料的 zeta 电位随 pH 值变化，当 pH 值偏离最优范围时，磨料易团聚或与材料表面吸附力异常，导致去除率骤升或骤降。

以半导体铜布线抛光为例，pH 值若从最优的 9.0 波动至 8.0，可能导致铜的氧化速率下降 30% 以上，材料去除率显著降低，直接影响抛光效率与生产节拍；而 pH 值过高则可能引发过度腐蚀，导致去除率失控。

2. 直接影响抛光表面质量

电子器件对表面质量的要求严苛（如半导体晶圆表面粗糙度需控制在纳米级），pH 值的微小波动都可能导致表面缺陷。

划痕与腐蚀坑：pH 值过低时，酸性过强可能引发材料表面的不均匀腐蚀，形成 pits（腐蚀坑）；pH 值过高则可能导致磨料团聚，产生划痕；

表面平整度：在蓝宝石衬底抛光中，pH 值为 8 时二氧化硅磨料与蓝宝石表面的静电排斥力最优，抛光后表面粗糙度可低至 0.1nm；若 pH 值升至 10，排斥力减弱，磨料吸附加剧，表面粗糙度可能增至 0.5nm 以上，无法满足光学器件要求。

3. 保障抛光液体系的稳定性

CMP 抛光液需在长期储存和使用中保持均匀分散，pH 值是维持体系稳定的关键：

磨料分散性：磨料颗粒的表面电荷依赖 pH 值维持，例如氧化铝磨料在中性 pH 范围易团聚，而在碱性条件下可通过静电排斥稳定分散；添加剂稳定性：部分络合剂（如柠檬酸）在强酸性或强碱性条件下会分解，失去络合功能；氧化剂（如 H₂O₂）在 pH 值过高时易发生歧化反应，导致抛光液失效。

若 pH 值失控，可能导致抛光液分层、沉淀或成分失效，不仅影响抛光效果，还可能堵塞抛光设备，增加生产成本。

4. 适配不同材料的抛光需求

不同材料（如硅、铜、蓝宝石、钽）的化学特性差异显著，需通过 pH 值针对性调控：硅片抛光通常需碱性环境（pH 9-11），以促进硅表面氧化层（SiO₂）的溶解；铜抛光则多在弱碱性（pH 8-10）下进行，平衡氧化与络合反应；蓝宝石抛光在中性至弱碱性（pH 7-9）时，可兼顾去除率与表面质量。pH 值的精准控制是实现 “材料选择性抛光” 的核心，例如在半导体多层结构抛光中，需通过 pH 值调控使不同材料的去除速率差达到 10 倍以上，才能实现精准的层间平坦化。总结CMP 抛光液是电子制造中实现超精密表面加工的核心化学品，而pH 值是决定其性能的 “灵魂参数”。它通过调控化学腐蚀强度、机械磨削效率、体系稳定性及材料适配性，直接影响抛光的效率、表面质量与生产可靠性。梅特勒托利多pH电极型号多样，可以根据客户CMP抛光液的工况来选择合适的型号。目前客户最常用的型号之一是InPro4800i，可极大降低磨料堵塞电极的风险，同时也耐受化学品腐蚀。同时可以使用ISM core软件针对备品电极进行预先校准，在需要使用时进行更换。同时在更换后，变送器可以自动识别，“即插即测”。了解pH电极详情www.mt.com/cn/zh/home/products/Process-Analytics/pH-probe/in-line-pH-probe/ph-sensor-inpro-4800i-sg-225.html?cmp=seo_CN_Other_GEN_WST_PRO-semicon_20250716