在芯片制造过程中，晶圆表面需要被打磨到极其平坦——误差不超过几纳米，相当于头发丝直径的万分之一。这个工序叫做化学机械平坦化（Chemical Mechanical Planarization，简称CMP），而抛光垫正是完成这项工作的核心耗材。

CMP工艺过程中晶圆、平板上的旋转抛光垫和浆料之间的接触示意图

CMP抛光垫的主体材料之一是聚氨酯，但决定其抛光性能的关键，往往是分散在垫体内部的微球（Microsphere）。这些微球的尺寸通常在十微米到百微米之间，承担着以下重要使命：

l 构建孔隙结构：微球形成或占据垫体内的空穴，供抛光液储存与流通

l 调控硬度与弹性：不同材质的微球赋予垫体不同的力学性质，影响抛光均匀性

聚氨酯抛光垫

而本文聚焦有机高分子微球，正是当前CMP抛光垫中应用最广泛、商业化最成熟的微球品类。

有机微球的分类

CMP抛光垫中使用的有机微球，按结构可分为三类：热膨胀型、中空型和实心型。三者在成孔机制、力学特性和应用场景上各有侧重。其中，热膨胀型有机微球市场占主导地位。

1、热膨胀型微球

热膨胀微球是一种具有热塑性聚合物外壳、内部包覆低沸点液态烃的核壳结构微球。加热至一定温度后，内部液体气化，外壳便会软化膨胀，形成轻质中空球体。

这种结构赋予热膨胀微球一个关键优势：孔径可通过加工温度精确调控。制造商可在混料阶段选用未膨胀型微球，在浇注固化时通过温度控制原位成孔，形成分布均匀的闭孔结构，孔径一致性远优于传统机械发泡工艺。

热膨胀微球原理（来源：Expancel）

这些气孔在抛光过程中主要通过以下方式发挥作用：

① 储液与输液：气孔在抛光垫与晶圆界面处破裂或开放，形成微型储液槽，持续向接触区补充抛光液，确保化学反应均匀进行。

② 调节压力分布：中空微球的弹性使垫体具有一定的局部可压缩性，有助于抛光压力在晶圆表面的均匀分布，减少边缘效应。

③ 控制材料去除率：孔隙率直接影响抛光液的有效接触量，进而调节去除效率的大小与稳定性。

目前，鼎龙股份是国内率先实现热膨胀聚合物微球产业化的企业。2021年，全球唯一供应商宣布停产，供应链危机直接推动鼎龙启动微球自主化项目。目前，鼎龙已完成微球产业化，产品在粒径均一性与批次稳定性上持续改善，已在客户端推进自产替代验证。

发泡前后对比（来源：鼎龙）

2、有机中空微球

有机中空微球是不含发泡剂的预制中空聚合物球体，其结构稳定、尺寸固定，不随温度发生变化。与热膨胀微球相比，其最大的不同在于它是“预制孔隙”而非“原位生成孔隙”，因此不依赖固化工艺温度，加工调节自由度相对高。

根据德山（Tokuyama）发布的“CMP抛光垫用空心微球”专利显示，其材质为三聚氰胺树脂、脲醛树脂和酰胺树脂中的一种，平均粒径1-100μm，专用于CMP抛光垫，可稳定生产、抛光性能优异。

3、实心聚合物微球

实心聚合物微球以PMMA、PS等为主要材质，粒径范围1～50微米，密度约1.1～1.2 g/cm³。在CMP领域，粒径分布的单分散性（CV値<5%）是核心质量指标。与中空微球不同，实心微球不提供孔隙，而是作为：

① 硬度调节剂：通过分散在软质聚氨酯基体中，提升整体模量和硬度，改善抛光平坦化效果。

② 表面形貌控制：微球脱落后在垫表面形成微观凹坑，有助于抛光液保持，起到局部改善孔隙结构的效果。

总结

选择CMP抛光垫用有机微球，本质上是在高去除效率、高平坦均匀度、低缺陷、成本之间寻求平衡。从产业链视角看，有机微球（尤其是热膨胀型微球）是CMP抛光垫实现国产替代最关键、也是目前最薄弱的环节之一。随着鼎龙股份等国内抛光垫厂商快速崛起，上游微球材料的国产化进程加快进行，相关赛道值得持续关注。

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