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       CMP技术是目前半导体晶片表面加工的关键技术之一，并用于集成电路制造过程的各阶段表面平整化，其中，抛光垫是重要原部件，也是一种耗材，其对抛光的质量和效率有着重要的影响。

       抛光垫的分类

       抛光垫按是否含有磨料可以分为有磨料抛光垫和无磨料抛光垫；按软硬程度分为软垫和硬垫，按材质的不同可以分为聚氨酯抛光垫、环氧树脂抛光垫、磺化聚异戊二烯共聚物、海藻酸钠、无纺布抛光垫等；按表面结构的不同大致可分为圆环形、网格型、放射型、渐开线型和螺旋线型，以及仿生结构等。

       除此之外，还有一类特殊的抛光垫-冰冻固结磨料抛光垫，是将含有磨料的抛光液通过浇注、冷冻的方式制备而成。此类抛光垫可随着抛光垫的融化而使新鲜的磨粒及时露出表面，保证抛光速率和抛光效果，避免划痕等，也可以使用印压模具在抛光垫表面开槽形成表面具有沟槽的抛光垫。

       无沟槽型冰冻抛光垫的制作工艺流程

       不同种类CMP抛光垫在抛光过程中使用环节有所不同。半导体晶圆抛光通常包括粗抛光、细抛光和精抛光三道工序。粗抛工序可去除晶片表面损伤层，使其达到要求的几何尺寸加工精度，抛光加工量约为15μm-20μm；细抛工序可进一步降低晶片表面平整度及粗糙度，抛光加工量约为3μm-6μm；精抛工序可使晶片表面形成极高纳米形貌特征，一般抛光加工量小于1μm。

       01聚氨酯抛光垫

       聚氨酯抛光垫具有耐磨性好、形变性小和抛光效率高等优点。多孔结构的聚氨酯抛光材料早已有之，这方面的研究、制备工艺也较为深入和成熟，且与其他类型的抛光垫相比，聚氨酯抛光垫具有较好的去除速率、抛光效果和低缺陷性。

       在聚合物种类方面，聚氨酯类型的抛光垫的专利申请也最多，通常聚氨酯抛光垫具有微孔结构，表面具有一定粗糙度，其表面的微孔尺寸越大，运输能力越强，但会影响抛光垫的刚度。也有公司提出无孔聚氨酯抛光垫，例如某公司生产的一种具有互穿网状结构、无孔无气泡的聚氨酯抛光垫，这种抛光垫提高了抛光速率和晶片的均匀度，抑制了划痕的产生，并具有优良的磨耗性能等。

聚氨酯抛光垫

       在晶圆抛光工序中，聚氨酯抛光垫通常被用于粗抛。

       02无纺布抛光垫

       无纺布抛光垫原材料为聚合物棉絮类纤维，渗水性好，抛光液能渗透到抛光垫内部，更能充分发挥作用，通常分为普通无纺布抛光垫，一般用于细抛，以及带绒毛结构的无纺布抛光垫，一般用于精抛。

       带绒毛结构的无纺布抛光垫是以无纺布为主体，中间层为聚合物，表面为多孔绒毛结构。此类抛光垫硬度小、压缩比大、弹性好，抛光垫绒毛长，受到压力时吸收抛光液，压力释放时排出废液和副产物，并补充新抛光液，从而得到较好抛光效果。

几类抛光垫材质区别

       无纺布抛光垫还可与聚氨酯材料配合使用制备抛光垫，例如对无纺布进行酸或电晕处理，而后将无纺布浸渍在聚氨酯混合液中，多次浸渍、干燥得到无纺布抛光垫，大大提高了抛光精度、打磨强度和使用寿命。

       03凝胶柔性抛光垫

       有些研究人员另辟蹊径，采用海藻酸钠这种生物高分材料为凝胶基体材料，添加磨料后制成研磨材料，或者将添加磨料后的组合物涂布于无纺布和PCM布料制备抛光垫，其属于凝胶柔性抛光垫。因原料凝胶材料可来源于生物体，具有环保、无污染的优势，代表了未来的发展方向。

       硅片的表面粗糙度随着磨料粒度的减少和磨料浓度的增加以及抛光参数（压力、转速和抛光时间）的增加而降低。海藻酸钠与其他生物材料复配后能够提升持水性能，降低体积收缩率。同时复配体系凝胶提升了与无纺布的结合情况，对磨料结合无影响，减少了凝胶破损、凝胶与基材布料的脱离。

海藻酸钠凝胶结构

       抛光垫的自修整

       随着CMP过程的不断进行，抛光垫的物理及化学性能会发生变化，表现为抛光垫表面产生残余物质，微孔的体积缩小、数量减少，表面粗糙度降低，表面发生分子重组现象，形成一定厚度的釉化层，导致抛光效率和抛光质量的降低。因此，要对抛光垫进行适当修整，去除抛光垫表面釉化层，增加抛光垫表面粗糙度，以修复抛光垫的加工性能，改善晶片的抛光质量，提高抛光垫的使用寿命，降低抛光成本。

       抛光垫修整分为自修整和非自修整两类，绝大多数抛光垫均需要进行离线或者在线修整。与离线修整相比较，采用在线修整可以获得更好的修整效果，通过在线修整可以提高抛光去除率15％～20％，同时也有利于提高平坦化效率，但加工后工件表面微观缺陷较离线修整多。

       对抛光垫进行修整的常用修整工具有金刚石砂轮修整器、硬金属盘修整器和砂纸带等。

金刚石修整器修整抛光垫在线修整示意图

       在稳定的抛光过程中，抛光垫表面结构是由修整的修复作用与抛光垫－晶片接触造成的磨损作用的平衡关系所决定的。通常在经金刚石修整器修整后抛光垫表面结构是由众多单独金刚石颗粒切削抛光垫所形成的，所以可以通过修整器的设计和控制修整条件、修整深度来调整修整后抛光垫的表面结构。金刚石颗粒的参数包括金刚石颗粒的类型、尺寸、形状及粘结力等多个方面，不同金刚石颗粒的尺寸、形状对修整效果都会产生不同影响。

       参考来源：

       1.芯片超精密抛光用CMP抛光垫研究进展，周国营、周文（广东化工）；

       2.化学机械抛光用抛光垫的修整对修整效果的影响因素，华钱锋、方海生、袁巨龙（轻工机械）；

       3. CMP中抛光垫的性质研究，周国安、种宝春、柳滨、王学军（显微、测量、微细加工技术与设备）。