化学机械抛光（CMP）是一种依靠化学和机械的协同作用实现工件表面材料去除的超精密加工技术。在CMP过程中，抛光垫起到了储存抛光液、输送抛光液、排出废物、传递加工载荷、保证抛光过程平稳进行等作用，其成本占CMP总成本的三分之一左右。抛光垫在材料去除速率、表面质量等CMP性能方面起着重要的作用。接下来，小编将为大家系统介绍CMP中的关键组分——抛光垫。

CMP系统示意图（图源：文献1）

介绍

抛光垫，又称抛光皮、抛光布或抛光片，是化学机械抛光（CMP）过程中决定表面质量的重要元件，一般由高分子材料制作而成，包括聚氨酯、无纺布、合成革等。其表面一般含有大小不一的孔状结构，这些气孔在抛光过程中起到了运输抛光液、保证化学腐蚀、排除废弃物的作用。其表面还存在一些沟槽和突起图案，它们可以促进抛光垫表面抛光液的流动，增加抛光垫与晶圆之间的摩擦，对抛光产物的排出、抛光液利用率和材料去除率（MRR）有着较大的影响。抛光垫由于存在大量的微观粗糙结构，通常只有一些局部高点才会和工件发生真实接触，在CMP过程中，纳米磨粒会嵌入在一个个接触点内，与抛光垫一起相对工件进行表面运动，在机械载荷以及抛光液的化学作用下实现原子级材料去除。抛光垫作为一种耗材，需要及时的进行更换，如果使用时间过长，会留有被抛光去除的材料残余物，这些残余物在后续的抛光过程中，会对新的工件表面造成划痕，影响表面质量；抛光垫在抛光后需要及时进行清洗，以去除其中的残余物，否则风干后粘结在抛光垫内的固体会对下一次的抛光质量产生影响。

常见抛光垫表面沟槽纹理形状（图源：文献2）

工作原理

抛光垫主要是通过磨料和抛光垫的摩擦来实现抛光效果的，在抛光机启动后，抛光垫会以旋转的方式将抛光液均匀的输送到抛光垫表面，以确保抛光过程中工件表面能够充分接触到抛光液。工件会被固定在抛光机上，以旋转的形式与抛光垫进行接触，磨料颗粒和化学物质将与工件表面产生摩擦，去除表面微小的凸起和不平整的部分。抛光垫在这个过程中会利用自身的弹性，以保持磨料和工件的稳定接触，在磨削进行的过程中适时的变形，以适应不同的抛光需求。抛光过程中产生的反应物和磨屑会被抛光液带走，通过抛光垫的孔隙或表面结构排出，以维持抛光环境的稳定。抛光液需要定期更换，以维持软化、溶解工件表面的效果。经过一定时间的抛光，工件表面会逐渐变得光滑、平整，达到所需的抛光效果。

工作原理示意图（图源：文献1）

特点

由于化学机械抛光需要抛光液和机械载荷的共同作用才能实现原子级表面质量，所以需要抛光垫具有耐磨性、耐腐蚀性，以承受长期的机械摩擦和化学腐蚀，保证在抛光过程中不易磨损；在选择抛光垫基体材料时需要选用抗撕裂强度高的，因为在抛光的过程中，抛光垫需要保持其形状和结构，以便均匀的施加压力和抛光剂，抗撕裂的强度越高越不易变形，从而保证抛光效果的一致性；抛光垫需要具备良好的亲水性，因为在抛光过程中抛光垫通常会与含有水和其他化学成分的液体接触，亲水性好可以更加有效的吸收和分布抛光液，确保整个抛光过程均匀进行，化学物质也可以更好的与工件表面接触、作用，提升整体的抛光效率。在抛光过程中会产生一定的热量，亲水性好的抛光垫可以通过水分的蒸发帮助散热，防止抛光表面过热，减少热损伤；特殊情况下，抛光垫需要具备自修整能力，以保证在抛光过程中，抛光垫表面的磨料和化学抛光剂分布均匀，保持抛光效果的均匀性和一致性。自修整能力还有助于抛光垫在使用过程中自动调整，减少因局部磨损造成的表面不平整，减少人工维护的需求，不需要频繁的更换抛光垫，延长了抛光垫的使用寿命，降低整体的生产成本。

热熔胶抛光垫制备过程（图源：文献3）

种类

拋光垫的硬度、密度、材质、弹性模量等对抛光质量影响较大，选用合适的基体材料对目标工件进行抛光可以起到事半功倍的效果。根据材质、结构和使用特性的不同，抛光垫可以分为以下几种类型：

（1）聚氨酯抛光垫：聚氨酯抛光垫以强耐磨性、抗撕裂强度高、耐酸碱腐蚀性优异而著称。其表面微孔结构能够软化、粗糙化工件表面，保持磨料颗粒在抛光液中实现高效的平坦化加工。其常用于粗抛工序，如LCD用玻璃基板、玻璃圆盘和光学镜片等材料的CMP过程中。

（2）无纺布抛光垫：无纺布抛光垫是一种由随机分布的纤维通过物理方法固定在一起而制成的非织造布材料。它的渗水性能好，容纳抛光液能力强，易于使用，不需要复杂的安装或维护。部分无纺布抛光垫是由回收材料或生物降解材料制成的，非常的绿色环保，成本也相较其他抛光垫低。但无纺布抛光垫硬度较低，在CMP过程中对材料去除率低，常用于半导体晶圆、蓝宝石、光学镜片等材料的细抛工艺中。

（3）复合型抛光垫：复合型抛光垫是结合了两种或多种不同材料特性的抛光垫，采用“上硬下软”的复合结构，既满足平坦度要求又兼顾非均匀性。它含有双重微孔结构，大幅降低了抛光垫的回弹率，提高了抛光的均匀性。在高端CMP工艺中，根据特定的抛光需求定制的复合型抛光垫能够显著提高抛光效果，提升工件的良品率。

不同材质抛光垫的CMP性能（图源：文献2）

尽管抛光垫在CMP工艺中占据重要地位，但目前其发展需要面临技术门槛高、市场需求依赖进口、市场竞争激烈、成本压力大等问题。面对当前的发展困境，企业需要加大研发投入，提高生产技术水平和产品质量，加强国际合作与交流，以更好的推动我国抛光垫行业的健康发展。

参考文献：

1、王林.抛光垫微观接触对化学机械抛光材料去除的影响及其跨尺度建模方法[D].大连理工大学.

2、梁斌,高宝红,刘鸣瑜,等.CMP抛光垫表面及材料特性对抛光效果影响的研究进展[J].微纳电子技术.

3、曹威,邓朝晖,李重阳,等.化学机械抛光垫的研究进展[J].表面技术.

4、霍金向,高宝红,李雯浩宇,等.化学机械抛光中摩擦润滑与化学行为研究进展[J].应用化工.

粉体圈 Alice