从材质和表面结构看，CMP抛光垫如何影响抛光效果？

发布时间 | 2025-06-06 10:16 分类 | 粉体应用技术点击量 | 24

磨料

导读：本篇文章从抛光垫材质和表面结构两个方面看它是如何对CMP抛光效果产生影响的。

随着先进制程向3nm及以下节点的突破，晶圆全局平坦化精度要求已进入亚埃级别，晶圆表面极其微小的不平整都可能导致电路短路、信号延迟甚至器件失效，对产品性能和产品良率产生深远影响，化学机械平坦化（CMP）作为半导体制造的核心工艺之一，承担着消除晶圆表面平整化的关键使命，而作为CMP制程重要耗材的抛光垫也对晶圆良率和抛光效率有着重要作用。本篇文章从抛光垫材质和表面结构两个方面看它是如何对CMP抛光效果产生影响的。

抛光垫材质

CMP抛光垫一般由抛光层、基材层、海南冲层、粘合剂层等构成，其中抛光层是抛光垫的核心部分，主要由无纺布或聚氨酯、环氧树脂、磺化聚异戊二烯共聚物、海藻酸钠等聚合物等作为基体材料，可添加一些磨料（也可不添加）制备而成的具有微孔结构的发泡材料。通常，抛光垫材料的物理和化学性能将会影响抛光界面(晶片-抛光液-抛光垫界面)的接触状态和接触力，从而影响材料去除速率及晶片表面粗糙度。

1、聚氨酯抛光垫

聚氨酯抛光垫最常用的CMP抛光垫材料之一，这种抛光垫除了具有抗撕裂强度高、耐酸碱腐蚀性优异、耐磨性好、形变性小和抛光效率高等优点，还通过聚氨酯发泡工艺形成了具有均匀微孔的结构，一方面可以使抛光液均匀的分布在晶圆表面，并使抛光残渣的排出，另一方面还能使抛光垫表面粗糙化，从而实现高效的平坦化加工。不过由于聚氨酯抛光垫硬度较高，抛光过程中变形小，加工过程中容易划伤芯片表面。因此，聚氨酯抛光垫厂多用于粗抛阶段。

来源：合成材料产业技术研究院

2、无纺布抛光垫

无纺布抛光垫的原材料聚合物棉絮类纤维渗水性能好，容纳抛光液的能力强，但是其硬度较低、对材料去除率低，因此会降低抛光片平坦化效率，常用在细抛工艺中。值得注意的是，无纺布通常还可通过表面打毛的方式形成多孔绒毛结构，并在中间层采用聚合物，具有硬度小、压缩比大、弹性好等优势，因此这种带绒毛结构的无纺布抛光垫在受到压力时抛光液会进入到空洞中，而在压力释放时会恢复到原来的形状，将旧的抛光液和反应物捧出，并补充新的抛光液，大大提高了抛光精度、打磨强度和使用寿命，适用于晶片的精抛工序中。

带绒毛结构无纺布抛光垫（来源：半导体视界）

3、生物基凝胶抛光垫

部分研究者创新性地采用海藻酸钠等生物高分子凝胶体系作为基体材料，并通过添加磨料，或将添加磨料后的组合物涂覆于无纺布、PCM布料基材上制成柔性抛光垫，可用于CMP精抛。该抛光垫具备两大核心优势：一是凝胶原材料来源于生物体，为环保型CMP工艺提供产业化可行路径。二是这种生物质凝胶具有优异的持水性能，降低了体积收缩率，同时提升了与无纺布的结合情况，减少了凝胶破损、凝胶与基材布料的脱离。不过，该抛光垫制备较为复杂，在产业上还未形成规模化应用。

4、复合型抛光垫

复合型抛光垫采用"上硬下软"的上下两层复合结构，兼具了软质抛光垫抛光精度高和硬质抛光垫抛光效率高的优点，其中硬质层作为支撑，可将大幅降低抛光垫的回弹率，减少了抛光垫的凹陷和提高了均匀性，解决了因抛光垫使用过程中易釉化的问题。而且由于这种抛光垫能够很好地储存抛光液，并使其不渗透到抛光垫的内部，抛光效果也十分稳定。

抛光垫表面结构

抛光垫的表面结构特性包括微表面形貌(孔隙率、微孔密度)、表面沟槽纹理图案、抛光垫表面微凸体高度及分布等，抛光垫的表面结构特性不仅影响垫本身的性能，还会进一步影响CMP过程以及加工效果。

1、表面微形貌

抛光垫通常表面充满微孔，其中，微孔可用于储存运输抛光液和磨料颗粒，并且能耐受抛光液中化学物质的侵蚀，能及时排除抛光产物，从而对材料去除产生影响。因此孔隙率和孔隙均匀性是影响抛光垫性能的重要指标。一般来说，孔径越大的抛光垫，其运输能力越强，但孔径过大时又会影响抛光垫的密度和强度。而孔隙分布较为规则的抛光垫的吸水性更好，抛光液分布更加均匀，抛光性能更稳定。

来源：chip919

2、表面沟槽设计

为了提高抛光垫储存、运送抛光液能力，改善抛光液的流动性，同时改善抛光垫表面的摩擦系数和剪切应力，通常会在其表面进行开槽。抛光垫表面沟槽的几何形状、深度、宽度、密集度等都会影响抛光垫的特性。

从沟槽深度、密集度来看，拥有更深、更密集沟槽的抛光垫，不仅拥有更大的废屑排出能力，而且能够在抛光过程中持续提供充足的抛光液，使得磨粒的机械作用和抛光液化学作用越强，材料去除能力更高，抛光质量也更好。此外，随着使用时间的增加，抛光垫表面会逐渐磨损，深沟槽能实现更长的使用寿命。不过沟槽过大、过宽、过于密集的抛光垫，又不利于抛光液化学成分的充分利用，因此在抛光垫的设计与选择上，需要在沟槽存储能力、废屑排出能力等方面寻求一个精妙的平衡点。

从沟槽的几何形状来说，表面沟槽的形状会影响晶片与抛光垫之间的接触模式，只有合理设计径向与周向沟槽才能使抛光达到高效率、高质量。目前常见的沟槽形式有放射型、网格型、圆环型以及正、负螺旋对数型等。其中，经研究人员实验发现，负螺旋对数型抛光垫的沟槽有助于新抛光液的运送和均布，同时负对数沟槽的形成方向与抛光垫旋转方向相反，在离心力的作用下，有助于排出旧抛光液及抛光产物，使得新抛光液能及时进入加工区域，晶片与抛光垫之间的摩擦系数较大，抛光效率最高。而正对数沟槽的形成方向与抛光垫旋转方向一致，晶片与抛光垫之间容易产生过多的抛光液，摩擦系数减小，抛光效率有所降低。