化學機械拋光墊的研究進展

曹威，鄧朝暉，李重陽，葛吉民

化學機械拋光墊的研究進展

曹威a,b，鄧朝暉a,b，李重陽a,b，葛吉民a,b

（湖南科技大學 a.難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室 b.機電工程學院，湖南 湘潭 411201）

化學機械拋光（CMP）作為一種超精密加工技術，在集成電路制造、計算機硬盤、微機電系統、光學元件加工等領域得到了廣泛的應用。拋光墊設計制備、拋光墊磨損、拋光墊修整均會對化學機械拋光產生影響。首先從拋光墊基體、拋光墊表面紋理、拋光墊結構等3個方面對拋光墊設計制備相關研究進行了綜述，重點介紹了不同基體材質拋光墊的拋光性能，指出了各材質拋光墊的優缺點。其次，介紹了拋光和修整過程中的拋光墊磨損，對比了各研究者建立的拋光墊磨損模型，概述了拋光墊磨損監測技術的研究現狀，并指出目前拋光墊磨損狀態的監測手段較為單一，采用融合多傳感器信號對拋光墊磨損狀態進行監測，可以提高其監測精度。為了進一步探究拋光墊修整對拋光性能的影響，歸納了修整器的結構參數，以及修整參數對修整效果的影響，介紹了幾種新型修整器結構，并綜述了拋光墊自修整技術的研究進展。最后，總結了目前關于研究拋光墊設計制備、拋光墊磨損、拋光墊修整等方面存在的問題，并對其發展前景進行了展望。

化學機械拋光；拋光墊；設計制備；磨損；修整

化學機械拋光（CMP）借助于拋光液中化學試劑的化學腐蝕和納米磨粒的機械磨削雙重耦合作用[1]，可以在原子水平上實現材料的去除[2]，可以在0.35 μm及其以下尺寸器件上同時實現局部和全局平坦化，被廣泛應用于光學元件、計算機硬盤、微機電系統、集成電路等領域[3-6]。

在CMP過程中，拋光墊起到了儲存拋光液、輸送拋光液、排出廢物、傳遞加工載荷、保證拋光過程平穩進行等作用，其成本占CMP總成本的三分之一左右。在CMP過程中，拋光墊浸泡在拋光液中會與工件和磨粒發生相對運動，這將引起拋光墊性能的下降，甚至造成拋光墊的廢棄，因而制備質量高、性能穩定的拋光墊勢在必行。文中擬綜述CMP拋光墊的研究進展，指出目前研究中存在的不足，并對CMP拋光墊的下一步研究重點進行展望，以期為業界和相關研究人員提供參考。

1 拋光墊的設計與制備

基體、表面紋理和結構是構成拋光墊的3個要素。近年來，研究者們分別探究了三者對拋光墊性能的影響，并通過改變基體材質、改進基體制備工藝、優化拋光墊表面紋理及結構來提高拋光墊的質量，增強其性能穩定性。

1.1 拋光墊基體

基體是拋光墊的主體部分，拋光墊基體的力學性能和表面微觀結構在很大程度上影響著拋光墊的拋光性能。Prasad等[7]利用固態微孔發泡工藝（SSMF）制備了拋光墊，探究了拋光墊硬度、表面微孔尺寸、孔隙率對正硅酸乙酯（TEOS）晶圓片的材料去除率（MRR）和表面質量的影響。研究表明，MRR會隨著拋光墊基體的硬度和孔隙率的增加而增加，降低拋光墊的硬度可以明顯減少晶圓表面劃痕的數量。拋光墊表面的微孔尺寸越大，材料去除得越均勻。Han等[8]使用超細膠體二氧化鈰磨料，對TEOS晶圓進行了化學機械拋光，探究了拋光墊表面粗糙度對MRR的影響。研究發現，當拋光墊表面粗糙度在7 μm以上時，MRR值約為20 nm/min；當拋光墊表面粗糙度在7 μm以下時，MRR值約為200 nm/min。Park等[9]使用2種不同類型的修整器分別獲得了2種不同的拋光墊表面形貌，并探究了它對材料去除均勻性的影響。研究結果顯示，表面形貌較為規整的拋光墊的吸水性更好，拋光液分布得更加均勻，拋光性能更穩定。除了利用實驗探究拋光墊表面形貌對拋光性能的影響外，也有部分學者從理論入手探究了拋光墊表面微觀結構對拋光墊–晶圓間的接觸狀態和拋光液流動的影響。郭亮龍等[10]通過建立磷酸二氫鉀（KDP）與拋光墊粗糙峰接觸力學數學模型，探究了化學機械拋光中機械作用的影響因素。研究結果顯示，拋光墊的粗糙峰曲率半徑、孔隙率、彈性模量和摩擦因數均會影響化學機械拋光中的微機械作用，四者對表面接觸應力的影響由大到小的順序分別是粗糙峰平均曲率半徑、孔隙率、摩擦因數、彈性模量。毛美姣等[11]基于彈塑性力學理論，對工件–磨粒–拋光墊間的接觸狀態進行了理論分析，計算了各狀態下磨粒壓入工件的深度。研究結果表明，在完全接觸狀態下，磨粒的壓入深度與拋光墊粗糙峰的實際接觸面積成反比。曾慶勉[12]借助流體力學軟件Fluent探究了拋光墊表面微孔對拋光液流動的影響，研究結果顯示，拋光液流過拋光墊的粗糙表面時會產生漩渦，當拋光墊表面孔隙較小或者較淺時，產生的漩渦有助于拋光液的更替，磨粒更不容易堵塞拋光墊的表面微孔。拋光墊表面形貌對表面接觸應力和拋光液流動等都有影響，因此在建立材料去除率模型時，也應考慮拋光墊表面形貌變化的影響。張朝暉等[13]對相關研究進行了綜述，并指出拋光墊粗糙峰的概率分布函數在很大程度上影響著材料去除率模型的準確性，研究者們應予以重視。

改變拋光墊材質、改善拋光墊表面形貌、向拋光墊中浸漬或向拋光墊表面噴涂特殊材料均可以改善基體的力學性能和表面微觀結構，提高拋光墊的拋光性能。在傳統CMP中，游離在拋光液中的磨粒易產生積聚，加工效率較低。在對固結磨粒拋光墊進行拋光時，雖然可以獲得較高的加工效率，提高磨料的利用率，但是拋光墊中的磨粒黏結得過于牢固，磨損磨粒難以及時掉落，容易在晶圓表面產生劃痕，影響其加工質量。為了在保證材料去除率的同時減少劃痕的產生，研究者們仿照大森整等[14]的冰凍固結SiO2和水制備冰凍砂輪等方法，將磨料和拋光液直接冰凍，制備了冰凍固結磨粒拋光墊。在利用冰凍固結磨粒拋光墊對晶圓進行加工時，上層磨損的磨粒因加工過程產生的熱量從冰凍拋光墊上及時脫落，下層固結的鋒利磨粒則繼續與晶圓接觸，實現了材料的去除（如圖1所示[15]）。這既避免了磨粒游離帶來的加工效率低下問題，又保證了磨損磨粒的及時掉落，獲得了較高的加工質量。利用冰凍固結磨粒拋光墊，韓榮久等[16-18]對微晶玻璃和單晶硅片進行了拋光，獲得了較好的拋光效果。孫玉立[19]、沈兆俠[20]、楊張一[21]通過實驗和仿真明確了單晶硅、微晶玻璃、單晶砷等材料的低溫拋光機理，優化了加工工藝參數，并對不同槽型冰凍固結磨料拋光墊的拋光效果進行了比較。Nayak等[15]分析了冰凍固結磨料拋光墊融化的影響因素，建立了拋光墊融化速度預測模型，探究了拋光墊融化速度與磨料特性、工件轉速、拋光墊轉速的關系，研究發現，磨粒的濃度越高，粒徑越小，工件轉速和拋光墊轉速越高，冰盤融化速度越快。雖然采用冰凍固結磨粒拋光墊可以提高拋光效率，并避免在晶圓表面產生劃痕，但是在制備此類拋光墊的過程中，因重力作用，磨料很容易沉積在拋光液底部，造成磨料分布的不均勻。為了解決這個問題，夏保紅[22]制備了冰粒型固結磨料拋光墊。與冰凍固結磨粒拋光墊制備流程不同，制備冰粒型固結磨粒拋光墊時需先用霧化噴嘴將拋光液霧化，然后利用液氮將霧化后的拋光液冷凍成冰粒，再在模具中向獲得的冰粒施壓，使之固結為一體。研究結果表明，相較于冰凍固結磨料拋光盤，冰粒型固結磨粒拋光墊的磨料分布更加均勻，加工效率和加工質量更高。邵靂[23]對比了冰粒型固結磨粒拋光墊、熱固性固結磨料拋光墊、游離磨料拋光墊對單晶鍺片的加工效果，并對拋光工藝參數進行了優化。王勇[24]、湯蘇揚[25]分別從熱力學、摩擦磨損的角度，探究了影響冰粒型固結磨粒拋光墊拋光效果的因素，進一步揭示了冰粒型固結磨粒拋光墊的拋光機理。

圖1 冰凍固結磨粒拋光墊[15]

除了冰凍固結后的拋光液，聚氨酯、無紡布等也可以作為拋光墊基體材料對晶圓進行化學機械拋光。為了研究拋光墊材質對化學機械拋光的影響，徐朝閣[26]對比了聚氨酯、無紡布、合成革拋光墊的拋光效果，研究結果表明，雖然聚氨酯拋光墊和無紡布拋光墊的材料去除率均高于合成革的，但是由于使用聚氨酯拋光時材料去除率的下降速度非常快，因此選擇使用無紡布拋光墊對鈮酸鋰晶體進行化學機械拋光，這樣可以獲得更好的效果。周海等[27]對比了帶絨毛的無紡布拋光墊（科晶）、聚氨酯類拋光墊（ICl400）、無紡布拋光墊（Suba600）的拋光效果，研究結果表明，在3種拋光墊中科晶拋光墊的拋光效率最高，IC1400的使用壽命最長。熊偉[28]對比了聚氨酯拋光墊、聚四氟乙烯拋光墊、無紡布拋光墊對鉭酸鋰晶片的拋光效果，研究結果表明，無紡布拋光墊容納固體磨料的能力較低、拋光效率較低；聚四氟乙烯拋光墊的硬度較高，拋光效率較高，但拋光后晶片表面的劃痕較多；聚氨酯拋光墊的拋光性能最優。龔凱[29]對比了Politex型阻尼布、Suba600型無紡布、LP57型聚氨酯等3種材質的拋光墊對氧化鎵的拋光效果，研究結果表明，利用Suba600對氧化鎵進行化學機械拋光時，雖然可以獲得最大的材料去除率，但容易在晶圓表面產生劃痕；利用阻尼布拋光墊和聚氨酯拋光墊對氧化鎵進行化學機械拋光均可滿足加工質量的要求，且聚氨酯的材料去除率較高。毛美姣等[30]在9種材質拋光墊中優選了細帆布、超纖化合布、中密人造植絨、聚氨酯化合物、聚氨酯拋光皮等5種適合YG8硬質合金刀片拋光的拋光墊，探究了5種拋光墊在各個加工時間段的拋光效果。研究結果表明，當使用細帆布加工40 min時，材料去除率最高，為47.105 nm/min；當使用細帆布加工80 min時，表面粗糙度最低，為0.039 mm。

在化學機械拋光過程中，改善拋光墊表面形貌有助于提高加工質量。目前，研究者們多通過改進修整方式來改善拋光墊的表面形貌，僅Kim等[31-32]從粗糙峰形貌入手，分析了拋光墊粗糙峰形貌對晶圓劃擦的影響，并指出粗糙峰半徑與粗糙峰高度標準差之比是影響晶圓劃擦的關鍵參數，利用金屬板或金屬滾筒向粗糙峰施壓（如圖2所示）可以提高兩者的比例，進而減少表面劃痕的數量，使MRR值增加30%。

圖2 粗糙峰平坦化技術示意圖[31]

目前使用的聚氨酯拋光墊基體中一般含有大量氣孔，這些氣孔在拋光過程中起到了運輸拋光液、保證化學腐蝕、排除廢棄物的作用。由于這些氣孔尺寸不一、分布不均勻，因而影響了拋光墊的密度和剛度，會導致拋光墊表面粗糙峰高度的變化，造成表面形貌測量誤差[33]。為了解決上述問題，Tsai等[4,34]制備了無孔聚氨酯石墨浸漬拋光墊（如圖3a所示），并探究了石墨含量對拋光墊性能的影響。研究發現，相較于傳統的聚氨酯拋光墊，石墨浸漬墊的修整磨損率更低，晶圓材料去除率更高，拋光墊親水性能隨著石墨含量的增加而提高。Ho等[35]將Fe浸漬在拋光墊中，利用Fe作為催化劑來催化SiC晶圓與拋光液中H2O2之間的化學反應（如圖3b所示）。研究發現，與傳統拋光墊相比，Fe和Al2O3的質量分數分別為1%和3%的拋光墊，可以在不增加晶圓表面粗糙度的條件下使MRR值提高73%。Zhou等[36]向拋光墊表面噴涂改性TiO2（如圖4所示），利用TiO2在UV光的照射下會釋放出電子并產生空穴的性質，促進CMP中化學反應的進行。實驗證明，相較于傳統拋光墊，利用該拋光墊對SiC進行拋光可以提高MRR，并獲得具有原子臺階結構的低粗糙度超光滑晶圓表面。

通過上述研究可以發現，改變拋光墊材質、對粗糙峰施壓、向拋光墊中浸漬或向拋光墊表面噴涂特殊材料均可以改善拋光墊的拋光性能（如表1所示）。相較于其余2種方法，通過對粗糙峰施壓來優化拋光墊更為簡單方便，有更大的應用前景。

1.2 拋光墊表面紋理

拋光墊表面的溝槽和突起圖案可以促進拋光墊表面拋光液的流動，增加拋光墊與晶圓之間的摩擦，對拋光產物的排出、拋光液利用率和MRR有著較大的影響。部分學者通過流體動力學仿真和拋光實驗，對比了不同表面紋理拋光墊的拋光性能。楊張一[21]列舉了幾種常見拋光墊表面紋理（如圖5a所示），并對比了放射狀溝槽冰盤、柵格狀溝槽冰盤、普通冰盤的拋光效果。實驗結果顯示，相較于普通冰盤，放射狀溝槽冰盤對微晶玻璃的材料去除率提高了42%，柵格狀溝槽冰盤的材料去除率提高了27%。Hong等[37]對比了表面為同心圓狀紋路、復合紋路（同心圓和放射狀）的拋光墊的拋光性能，研究結果顯示，相較于表面紋路為同心圓狀的拋光墊，表面紋路為復合紋路（如圖5b所示）的拋光墊上拋光液分布得更加均勻，去除材料的均勻性更高，但是拋光液流動得較快，這樣限制了化學反應，使得MRR值較低。部分學者從拋光液流動的均勻性、加工效率等角度出發，對拋光墊表面紋理進行了設計。Li等[38]通過流體動力學分析設計出一種槽深為1.5 mm、槽寬為2 mm的螺旋狀表面紋理（如圖5c所示），研究發現相較于放射狀紋理拋光墊，該拋光墊上流體分布得更均勻，徑向速度的波動更小，利用該拋光墊加工晶圓的表面粗糙度（0.251 nm）比放射紋理狀拋光墊的（0.561 nm）小。Li等[39]從拋光墊磨損的角度出發，提出了分區拋光墊的概念，并探究了最佳的區域面積比和對應的磨粒密度。呂玉山等[40-43]、Fang等[44]基于生物學的葉序理論設計了葵花籽粒結構的仿生拋光墊（如圖5d所示），并分別研究了葉序參數對接觸壓強、晶片材料去除率、拋光液流動狀態和晶圓表面粗糙度的影響。常規拋光工藝通常需要消耗數小時或數天的時間，為了提高平面光學器件的制造效率，Li等[45]提出了一種晶圓材料去除率預測方法，并基于此方法確定了拋光墊表面溝槽分布和拋光時間，實驗驗證了該預測方法的可行性和穩定性。利用該方法對光學玻璃樣品進行拋光時，只需14 min就可將其表面輪廓的峰谷值（PV）從1.17 μm降至0.2 μm。Huey等[46]通過增加拋光墊溝槽深度和拋光墊厚度制備了新型拋光墊IC1010–DV，該拋光墊的壽命是IC1000的2倍。Philipossian等[47]通過實時監測拋光過程中的摩擦因數，探究了拋光液流速對拋光墊壽命的影響，為拋光墊表面紋理的設計提供了理論支持，研究結果表明，增加拋光液流速可以在不影響平均材料去除率的情況下，有效延長拋光墊的壽命。在探究拋光墊表面紋理對拋光墊力學性能影響方面，僅有He等[48]提出了基體實體層和粗糙層的剛度預測模型，并通過有限元模型和實驗分別對其進行了驗證，研究發現，相較于常用的均勻層厚（UTL）模型，該模型對帶槽拋光墊實體層剛度的預測精度提高了20%，精確地描繪了拋光墊表面紋理對拋光墊剛度的影響，可以為拋光墊表面紋理的設計優化提供理論指導。

圖3 特殊材料浸漬拋光墊

圖4 TiO2和改性TiO2的掃描電鏡圖[36]

表1 各材質拋光墊加工效果

Tab.1 Processing effect of polishing pads with various materials

Note: Sa—Three dimensional surface roughness parameters.

圖5 拋光墊表面紋理

目前，拋光墊表面紋理設計多基于幾種常見形狀的組合，或是根據仿生學進行設計，對表面紋理設計的理論研究得較少。探究拋光墊表面紋理幾何參數對拋光性能的影響，建立一個完整的理論體系指導表面紋理設計，應是研究者們下一步需要研究的內容。

1.3 拋光墊結構

除了優化拋光墊的表面紋理外，改進拋光墊的結構也可以提高拋光質量和效率。Kim等[49]探究了孔結構拋光墊的孔密度對CMP性能的影響（如圖6a所示），研究發現，在拋光過程中，孔墊表面結構變化較小。孔密度越高，拋光墊晶圓的接觸比越高，溝槽圖案晶圓的凹陷越明顯，表面的劃痕越少。基于普林斯頓方程，如果拋光墊彈性模量沿著徑向線性變化，那么在相同的拋光墊變形下，晶圓表面應力也沿著徑向發生線性變化，晶圓材料的去除將更為均勻。基于這種思路，董曉星等[50-51]、Wang等[52-53]提出了功能梯度拋光墊的概念，并探究了功能梯度拋光墊材料的選擇原則，對功能梯度拋光墊結構進行了設計和改進（如圖6b所示）。實驗結果顯示，當磨粒/橡膠的質量比為15∶100～50∶100時，兩者的混合均勻性更好。相較于丙烯酸酯橡膠（ACM）為基體，以氯丁橡膠（CR）為基體的顆粒/橡膠復合材料的動靜態應力更一致。雖然采用單層功能梯度拋光墊提高了晶圓材料的去除均勻性，但是由于各梯度環內磨粒占比不同，各環內普林斯頓比例常數也不同，因此材料去除均勻性仍有提高的空間。在雙層功能梯度拋光墊中，上層拋光墊的出現避免了磨粒占比對比例常數的影響，與單層功能梯度盤相比，雙層功能梯度盤上各環MRR值之差降低了47.75%，拋光墊耐磨性提高了38%。

圖6 孔結構及功能梯度拋光墊示意圖

根據彈性接觸理論，提高拋光墊的泊松比和彈性模量各向異性、減少拋光墊厚度均可抑制拋光過程中晶圓邊緣的應力集中現象。不同于其他學者常用單面拋光實驗驗證相關理論，Statake等[54-57]基于有限元分析和雙面拋光實驗驗證了這一理論，并提出上薄下厚、上軟下硬的拋光墊結構，采用較大的表面溝槽寬高比、較小的加工過程占空比也可以有效減輕邊緣應力集中現象。對于聚氨酯拋光墊來說，拋光液只存在于工件與拋光墊的縫隙中，不能夠滲透到拋光墊內部，這將影響拋光過程中反應產物的及時排出，造成拋光墊表面孔隙的堵塞，進而損傷晶圓表面，降低加工質量。Tsai等[58-60]通過從高處噴涂乙烯–醋酸乙烯熱熔膠制備了絲狀結構的拋光墊（如圖7所示）。相較于傳統拋光墊，該拋光墊表面結構更為疏松，拋光墊上拋光液的流動性更好，有助于拋光副產品的排出。

拋光墊的結構除了會影響材料去除均勻性和晶圓表面質量，也會影響拋光墊基體的力學性能，進而影響材料去除率。通過上面的研究可以發現，目前學者們大多從材料去除均勻性、晶圓表面質量等角度出發對拋光墊的結構進行改進，有必要綜合考慮拋光墊的結構對材料去除率的影響，并對其進行優化。

圖7 熱熔膠拋光墊制備過程[59]

2 拋光墊磨損

在CMP過程中，利用拋光墊與晶圓之間發生的相對運動來實現材料的去除，拋光墊磨損將影響拋光墊的表面形貌，進而影響加工的效果。近年來，研究者們分別探究了拋光過程和修整過程中的拋光墊磨損，并對拋光墊磨損監測技術進行了研究。

2.1 拋光及修整過程中的拋光墊磨損

在拋光過程中，拋光墊與晶圓的相對運動使拋光墊表面粗糙峰逐漸被磨平，拋光墊發生磨損。針對拋光過程中的拋光墊磨損，Li等[61]、唐詠凱等[62]分別分析了拋光過程中2種工件運動方式下拋光墊的磨損，建立了拋光墊磨損模型，探究了拋光參數對拋光墊磨損均勻性的影響。Belkhir等[63]觀測了拋光墊磨損后拋光墊表面形貌的變化情況，探究了它對拋光性能的影響。研究發現，隨著拋光時間的增加，拋光墊表面出現了劃痕，表面微孔形狀發生了變化，磨粒和光學玻璃碎屑在拋光墊上形成了水垢。雖然拋光墊在拋光開始后就出現了磨損，但是前2 h內拋光墊的磨損較慢。相較于晶圓形狀精度，拋光墊磨損對晶圓表面粗糙度的影響較小。

除了將拋光過程中拋光墊與晶圓的相對運動造成的拋光墊表面形貌變化視為拋光墊磨損，學者們也將修整過程中因修整器的修整軌跡不均勻引起的拋光墊面型變化視為拋光墊磨損。通過簡化修整過程，研究者們建立了修整過程中拋光墊磨損模型，探究了修整過程中不同修整器運動方式下拋光墊的磨損。Li等[64]通過分區域計算了拋光墊磨損量，以預測修整后拋光墊面型，減少了拋光墊磨損預測所需的計算量。Nguyen等[65-67]通過分析修整器的修整軌跡和修整時間對拋光墊面型的影響，建立了拋光墊磨損模型，探究了修整參數對拋光墊磨損的影響。相較于只考慮修整軌跡的模型，該模型與實際情況更相符。在一些修整過程中，修整器由擺臂帶動做近似直線運動，修整器的旋轉由拋光墊的旋轉帶動。針對此種修整方式，Chen等[68]建立的模型中不僅考慮了磨粒切削的軌跡分布、磨粒與拋光墊的相對速度、接觸時間對拋光墊面型的影響，也考慮了擺臂運動帶來的軌跡誤差對拋光墊面型的影響，模型的精度得到了提高。Pham等[69]在上述模型的基礎上，探究了修整軌跡重疊對拋光墊表面粗糙度的影響，研究結果表明，修整軌跡重疊將增大拋光墊的表面粗糙度，可通過計算軌跡重疊點對拋光墊各區域的粗糙度進行預測。

雖然通過簡化修整過程探究它對拋光墊磨損的影響給研究者們理解拋光墊磨損提供了很好的參考依據，但是在實際加工過程中修整器磨損和拋光墊力學性能變化都將對拋光墊磨損產生影響。利用上述模型（如表2）進行的預測往往精度不高，僅能用于對拋光墊磨損引起的面型變化做定性分析。

2.2 拋光墊磨損狀態監測

拋光墊磨損對加工質量、加工效率都有直接的影響。在CMP過程中，一般需及時了解拋光墊的磨損狀態來確定下一步操作。依靠操作者的經驗來判斷拋光墊磨損狀態將增加加工成本，影響加工效率，判斷結果的可靠性較低，由此拋光墊磨損狀態監測技術應運而生。Yin等[70]利用高精度測角器測量修整器在在線修整過程中的傾斜角，獲得了較為精確的拋光墊面型（如圖8a所示）。Chen等[71]利用固定在擺動修整臂上的彩色共聚焦傳感器測量拋光墊表面的高度信息（如圖8b所示），并提出采用拋光墊均勻性（PU）、拋光墊壽命指數（PELI）等2個指標對拋光墊性能進行評估。Chen等[72]通過向拋光墊上的監測元件發射光束，并觀察監測元件上下表面反射形成的干涉條紋，來間接獲得拋光墊的表面形貌。在Liao等[73]設計的表面形貌監測裝置中，拋光墊上方導軌帶動激光位移傳感器、監測平面沿拋光墊徑向移動，監測平面被限定在傳感器正下方，但其高度可隨著拋光墊表面浮動（如圖8c所示）。監測平面的引入避免了拋光墊表面微孔和溝槽對測量結果的影響，提高了監測精度。

拋光墊磨損不僅會引起光學信號的變化，也會引起聲發射信號、力信號等的變化。目前，已有學者利用傳感器探測出釉化的拋光墊與修整后的拋光墊在拋光過程中產生的聲發射信號、力信號等間接信號存在的差異[74-75]，但是尚未見到有學者通過這些信號對拋光墊磨損狀態進行監測。應進一步探究拋光過程中聲發射信號、力信號等間接信號與拋光墊磨損狀態的關系，融合多傳感器信號對拋光墊磨損狀態進行監測，以獲得更高的監測精度。

表2 拋光墊磨損模型

Tab.2 Polishing pad wear model

圖8 拋光墊磨損狀態監測方法

3 拋光墊修整

雖然修整器修整軌跡的不均勻會對拋光墊面型產生負面影響，但是拋光墊修整也能夠有效地去除拋光墊表面的釉化區域，恢復拋光墊表面粗糙峰（如圖9所示）[76]。在CMP中，拋光墊修整不可或缺。針對拋光墊修整，近幾年研究者們除了探究修整過程對拋光墊磨損的影響，還探究了修整過程中修整器結構、修整參數對修整性能的影響，制備了親水性固結磨粒拋光墊，實現了拋光墊的自修整。

3.1 修整器結構對修整性能的影響

傳統的金剛石修整器通過鎳電鍍或合金釬焊的方式使得金剛石磨粒附著于金屬基體上，金剛石磨粒的錐角、尺寸、朝向的不一致，以及高溫釬焊過程中金屬基體的變形，都將導致各金剛石磨粒的出露高度不一致，影響拋光墊表面的平整度，進而影響加工質量[9,77]。

部分學者基于修整實驗探究了金剛石磨粒錐角、尺寸等參數對修整性能的影響。Chen等[78]通過對比3種不同錐角金剛石筆對彈性體的修整效果，探究了金剛石錐角對壓入深度、切削力和犁耕比的影響，確定金剛石錐角為90°時的修整效果最好。Shin等[79]通過對比4個修整器的修整效果，探究了磨粒尺寸、間距、朝向對修整效果的影響，研究發現，相較于磨粒尺寸和間距，磨粒朝向對修整效果的影響較大。雖然磨粒朝向一致的金剛石修整器與拋光墊間的摩擦因數最小，拋光墊磨損率最低，但是得益于該修整器可以產生較多的粗糙峰，在磨粒尺寸和間距相同的情況下，該修整器修整的拋光墊對晶圓的材料去除率是普通修整器修整拋光墊的1.6倍。

圖9 拋光墊的修整效果[76]

除了探究金剛石磨粒錐角、尺寸等參數對修整性能的影響，學者們也對傳統修整器的結構進行了改進。Ban等[80]提出減小修整器的整體尺寸，并基于拋光墊面型控制其移動速度，可以在拋光墊上不同位置獲得不同拋光墊去除量，進一步優化拋光墊面型。Liao等[81]在分析修整器的磨損特點時發現，金剛石修整器邊界處的磨粒更易磨損，因此從修整器基底入手，利用凸形的基底制作金剛石修整器，提高了修整器的修整效率。Kim等[82]通過控制規則八面體形狀金剛石磨粒的朝向，制備了一種新型修整器。該修整器中部分金剛石磨粒沿其縱軸豎立，突起高度較高，修整時首先接觸拋光墊以磨除釉化區域，其余金剛石通過其晶體平面附著于基底上，突起高度較低；修整時較晚接觸或者不接觸拋光墊，以避免過度切割拋光墊，減輕在線修整過程中磨粒對修整器的沖蝕作用。實驗發現，新型修整器與拋光墊間的摩擦因數受溫度變化的影響較小，該修整器修整的拋光墊材料去除率更高。Tsai等[77]、尹翔等[83]介紹了一種組合型拋光墊修整器。與傳統修整器不同，組合型修整器的金剛石磨粒被釬焊到小磨盤上，小磨盤與修整器基盤通過螺桿相互連接（如圖10a所示）。相較于傳統金剛石修整器，組合型金剛石修整器需要的金剛石磨粒更少，更容易控制金剛石磨粒的朝向，小磨盤中的通孔也可以減輕釬焊中變形帶來的負面影響，修整效果更好。Tsai等[3,84]通過在燒結多晶金剛石基底上雕刻圖案，以獲得與磨粒參數一致的新型修整器（如圖10b所示），該修整器修整的拋光墊粗糙峰高度更一致，拋光效率高，性能穩定。除了利用修整器對拋光墊進行修整，利用高壓水射流沖擊釉化的拋光墊表面也可以很好地恢復拋光墊的表面形貌。Lee等[85]比較了高壓微噴射拋光墊修整方法與傳統拋光墊修整方法的修整效果，研究結果顯示，利用高壓微噴射法對拋光墊進行修整時，只需用一半的時間就可以獲得與修整器相同的效果，拋光墊的修整效率更高，拋光墊壽命更長。

圖10 新型修整器結構

3.2 修整參數對修整性能的影響

除了修整器結構會對修整效果產生影響之外，修整壓力和修整時間等參數也會對修整效果產生影響。Shin等[86]探究了修整壓力對拋光墊表面形貌和拋光性能的影響，確定40 N為最優的修整載荷。Han等[75]探究了在線修整時間占比對修整效果的影響，實驗發現，當一個拋光過程中修整時間的占比為50%時，拋光墊表面結構就已趨于穩定，將在線修整時間設置為拋光時間的50%，不僅可以有效去除拋光墊的釉化區域，而且可以避免拋光墊的過修整，延長拋光墊的壽命。Hooper等[87]對比了2種修整時間分配模式下拋光墊的表面輪廓，指出恒定的修整密度不利于提高拋光墊性能。Lee等[88]沿著半徑方向將拋光墊劃分為8個環形區域，通過對比7種修整時間分配模式的修整效果，探究了修整器在拋光墊各區域的停留時間對拋光墊表面輪廓的影響（如圖11所示）。研究發現，7種修整時間分配模式都將產生“W”形的拋光墊輪廓，適當減少對拋光墊中間環的修整時間，可最大程度地減少拋光墊的磨損，延長拋光墊的使用壽命。Suzuki等[89]觀察到拋光墊表面粗糙峰與晶圓的接觸形狀一般為橢圓形，各接觸橢圓的主軸方向多與拋光墊轉速相切，因此他提出可以通過調整修整器的擺臂速度、拋光墊/修整器旋轉速度比等修整參數來改變接觸橢圓主軸朝向，進而提高MRR。實驗結果驗證了該方法的有效性，通過調整修整參數，MRR值提高了15%。在拋光墊修整過程中，拋光墊的修整載荷一般固定不變，修整器的磨損將顯著影響拋光墊的修整效果。為了避免修整器磨損對修整效果的影響，Menk等[90]根據探測到的修整扭矩來動態調節修整下的壓力，保證了修整效果的穩定性，研究結果表明，利用該方法對拋光墊進行修整，可至少將拋光墊壽命延長20%。

利用外部修整器對拋光墊進行修整時，修整器自身的磨損也將對修整效果產生影響，造成拋光墊拋光性能的不穩定，因此部分研究者改變了思路，制備了具有自修整性能的親水性固結磨粒拋光墊，探究了其自修整性能的影響因素。

3.3 拋光墊自修整

相對于利用外界附加修整裝置對拋光墊進行在線或者離線修整，利用拋光墊自身性質來實現拋光墊的自修整可以減少加工步驟，避免修整器磨損對拋光墊性能的影響。Kim等[91]、Choi等[92]采用親水性聚合物制作了拋光墊，利用它遇水膨脹軟化、易被摩擦去除的特性，首次實現了拋光墊的自修整。Li等[93]將磨損比作為自修整性能的評價指標，通過觀測拋光墊的表面形貌、拋光墊晶圓間的摩擦因數，以及拋光過程中聲發射信號強度的變化，探究了拋光液添加劑對拋光墊自修整性能的影響。研究結果顯示，相對于硝酸鐵、乙二胺（EDA），使用三乙醇胺（TEA）作為拋光液添加劑可以獲得更高的材料去除率，增加磨損比，在拋光過程中產生的聲發射信號更為穩定，自修整性能更優。Zheng等[94]以工件去除率波動為評價指標，探究了拋光墊自修整性能的影響因素，研究發現，相較于金剛石磨粒尺寸、拋光墊中銅粉含量等參數，拋光液中TEA含量和拋光壓力對自修整性能的影響更大。林魁[95]以溶脹率和鉛筆硬度為評價拋光墊基體性能的指標，以MRR及Sa為拋光墊加工性能的指標，分別探究了拋光墊基體性能、加工性能的影響因素，對比了游離磨粒拋光墊、固結磨粒拋光墊、親水性固結磨粒拋光墊的加工效果。研究發現，在金剛石磨粒粒徑相同時，利用親水性固結磨粒拋光墊拋光K9玻璃獲得的工件表面質量要明顯優于前兩者。

圖11 7種修整時間分配模式及其修整效果[88]

雖然利用親水性聚合物遇水溶脹特性可以實現拋光墊的自修整，但是這也將引起拋光墊基體力學性能的變化，增加拋光參數對修整效果的影響。如何應對加工參數對拋光墊自修整性能的影響，保證不同加工參數下拋光墊磨損與修整的動態平衡，避免基體力學性能變化引起拋光性能的不穩定是研究者們需要考慮的問題。

4 結語

目前，國內外學者在CMP拋光墊的研究方面取得了一系列進展。隨著對加工質量、加工效率的要求越來越高，筆者認為可以對以下幾個方面進行更深入的研究。

1）拋光墊的表面紋理影響著拋光液的流動及分布，進而影響著拋光質量和拋光效率。目前，對于拋光墊表面紋理的研究多針對特定的形狀，對表面紋理設計的理論研究較少，有必要進一步探究拋光墊表面紋理幾何參數對拋光性能的影響，建立一個完善的理論體系指導表面紋理設計。

2）目前，學者們多利用光學手段直接監測拋光墊的表面磨損狀態，監測手段較單一。探究拋光過程中聲發射信號、力信號等間接信號與拋光墊磨損狀態的關系，融合多傳感器信號對拋光墊磨損狀態進行監測，可以獲得更高的監測精度，發展前景較好。

3）雖然利用親水性聚合物作為拋光墊的基體可以實現拋光墊的自修整，而不需要附加修整器，但是拋光墊自修整性能受到拋光參數的影響，基體遇水溶脹也會引起其力學性能的變化，因此需要進一步探究加工參數對自修整性能的影響，改進拋光墊材質，避免拋光墊遇水溶脹引起拋光性能波動過大。

4）相較于單面化學機械拋光，雙面化學機械拋光可以獲得更優的整體和局部平整度，加工效率更高。目前，針對雙面化學機械拋光墊的研究較少。針對雙面化學機械拋光，探究拋光墊的性能優化方法，了解其磨損特點，并改進其修整方式，具有不可忽視的價值。

5）除了拋光墊的拋光效率和拋光質量，拋光墊的使用壽命也是制造商們選擇拋光墊時所需要參考的一個重要指標。由于相關的研究實驗耗時長、實驗成本高等，因此目前針對拋光墊使用壽命的研究較少。開展拋光墊壽命研究，并準確表征拋光墊的使用壽命，可以為制造商們提供更多的參考，有很大的應用價值。

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Polishing Pad in Chemical Mechanical Polishing

a,b,a,b,a,b,a,b

(a. Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Materials, b. School of Mechanical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Hunan Xiangtan 411201, China)

As an ultra-precision machining technology, chemical mechanical polishing (CMP) has been widely used in integrated circuit manufacturing, computer hard disk, micro electro mechanical system, optical element processing and other fields. The design and preparation, the wear status and the conditioning of the polishing pad all have influence on CMP. In this paper, the research on the design and preparation of polishing pad is summarized from three aspects: polishing pad substrate, polishing pad surface texture and polishing pad structure. The polishing effect of the polishing pad with different substrates is introduced emphatically and therefore their advantages and disadvantages are concluded. Besides, the polishing pad wear in the processes of polishing and conditioning is introduced, and the wear models of polishing pad established by different researchers are compared. The research status of the polishing pad wear monitoring technology is introduced, and the fact that the current monitoring method of polishing pad wear is relatively simple is pointed out thus, which can be improved by fusion of multi-sensor signals to get higher monitoring accuracy. Next, in order to further explore the influence of polishing pad conditioning on polishing performance, the structure parameters of the conditioner and the effect of conditioning parameters on the conditioning are studied. Subsequently, several conditioners with new structures are introduced, and the research progress of polishing pad self-conditioning technology is summarized. Finally, through the analysis of the three aspects above, the existing problems in the research of polishing pad design and preparation, polishing pad wear, and polishing pad conditioning, and the prospect of polishing pad development are discussed.

chemical mechanical polishing; polishing pad; design and preparation; wear; conditioning

TG175

A

1001-3660(2022)07-0027-15

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.003

2021–06–18；

2021–11–17

2021-06-18；

2021-11-17

湖南省高新技術產業科技創新引領計劃（2020GK2003）；湖南省自然科學基金（2020JJ4024）；國家自然科學基金–浙江兩化融合聯合基金資助項目（U1809221）；長株潭國家自主創新示范區專項（2017XK2302）

Special Fund for the Construction of Hunan Innovative Province (2020GK2003); Natural Science Foundation of Hunan Province (2020JJ4024); National Natural Science Foundation of China-Joint Fund for the Integration of IT application with Industrialization in Zhejiang (U1809221); CZT National Independent Innovation Demonstration Zone Special Project (2017XK2302)

曹威（1997—），男，碩士，主要研究方向為化學機械拋光與工具制備。

CAO Wei (1997-), Male, Master, Research focus: chemical mechanical polishing and tool preparation.

鄧朝暉（1968—），男，教授，主要研究方向為高效智能精密制造。

DENG Zhao-hui (1968-), Male, Professor, Research focus: high efficiency intelligent precision manufacturing.

曹威, 鄧朝暉, 李重陽, 等. 化學機械拋光墊的研究進展[J]. 表面技術, 2022, 51(7): 27-41.

CAO Wei, DENG Zhao-hui, LI Zhong-yang, et al. Polishing Pad in Chemical Mechanical Polishing[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 27-41.

責任編輯：彭颋