從材質和表面結構看，CMP拋光墊如何影響拋光效果？

發布時間 | 2025-06-06 10:16 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 1109

磨料

導讀：本篇文章從拋光墊材質和表面結構兩個方面看它是如何對CMP拋光效果產生影響的。

隨著先進制程向3nm及以下節點的突破，晶圓全局平坦化精度要求已進入亞埃級別，晶圓表面極其微小的不平整都可能導致電路短路、信號延遲甚至器件失效，對產品性能和產品良率產生深遠影響，化學機械平坦化（CMP）作為半導體制造的核心工藝之一，承擔著消除晶圓表面平整化的關鍵使命，而作為CMP制程重要耗材的拋光墊也對晶圓良率和拋光效率有著重要作用。本篇文章從拋光墊材質和表面結構兩個方面看它是如何對CMP拋光效果產生影響的。

拋光墊材質

CMP拋光墊一般由拋光層、基材層、海南沖層、粘合劑層等構成，其中拋光層是拋光墊的核心部分，主要由無紡布或聚氨酯、環氧樹脂、磺化聚異戊二烯共聚物、海藻酸鈉等聚合物等作為基體材料，可添加一些磨料（也可不添加）制備而成的具有微孔結構的發泡材料。通常，拋光墊材料的物理和化學性能將會影響拋光界面(晶片-拋光液-拋光墊界面)的接觸狀態和接觸力，從而影響材料去除速率及晶片表面粗糙度。

1、聚氨酯拋光墊

聚氨酯拋光墊最常用的CMP拋光墊材料之一，這種拋光墊除了具有抗撕裂強度高、耐酸堿腐蝕性優異、耐磨性好、形變性小和拋光效率高等優點，還通過聚氨酯發泡工藝形成了具有均勻微孔的結構，一方面可以使拋光液均勻的分布在晶圓表面，并使拋光殘渣的排出，另一方面還能使拋光墊表面粗糙化，從而實現高效的平坦化加工。不過由于聚氨酯拋光墊硬度較高，拋光過程中變形小，加工過程中容易劃傷芯片表面。因此，聚氨酯拋光墊廠多用于粗拋階段。

來源：合成材料產業技術研究院

2、無紡布拋光墊

無紡布拋光墊的原材料聚合物棉絮類纖維滲水性能好，容納拋光液的能力強，但是其硬度較低、對材料去除率低，因此會降低拋光片平坦化效率，常用在細拋工藝中。值得注意的是，無紡布通常還可通過表面打毛的方式形成多孔絨毛結構，并在中間層采用聚合物，具有硬度小、壓縮比大、彈性好等優勢，因此這種帶絨毛結構的無紡布拋光墊在受到壓力時拋光液會進入到空洞中，而在壓力釋放時會恢復到原來的形狀，將舊的拋光液和反應物捧出，并補充新的拋光液，大大提高了拋光精度、打磨強度和使用壽命，適用于晶片的精拋工序中。

帶絨毛結構無紡布拋光墊（來源：半導體視界）

3、生物基凝膠拋光墊

部分研究者創新性地采用海藻酸鈉等生物高分子凝膠體系作為基體材料，并通過添加磨料，或將添加磨料后的組合物涂覆于無紡布、PCM布料基材上制成柔性拋光墊，可用于CMP精拋。該拋光墊具備兩大核心優勢：一是凝膠原材料來源于生物體，為環保型CMP工藝提供產業化可行路徑。二是這種生物質凝膠具有優異的持水性能，降低了體積收縮率，同時提升了與無紡布的結合情況，減少了凝膠破損、凝膠與基材布料的脫離。不過，該拋光墊制備較為復雜，在產業上還未形成規模化應用。

4、復合型拋光墊

復合型拋光墊采用"上硬下軟"的上下兩層復合結構，兼具了軟質拋光墊拋光精度高和硬質拋光墊拋光效率高的優點，其中硬質層作為支撐，可將大幅降低拋光墊的回彈率，減少了拋光墊的凹陷和提高了均勻性，解決了因拋光墊使用過程中易釉化的問題。而且由于這種拋光墊能夠很好地儲存拋光液，并使其不滲透到拋光墊的內部，拋光效果也十分穩定。

拋光墊表面結構

拋光墊的表面結構特性包括微表面形貌(孔隙率、微孔密度)、表面溝槽紋理圖案、拋光墊表面微凸體高度及分布等，拋光墊的表面結構特性不僅影響墊本身的性能，還會進一步影響CMP過程以及加工效果。

1、表面微形貌

拋光墊通常表面充滿微孔，其中，微孔可用于儲存運輸拋光液和磨料顆粒，并且能耐受拋光液中化學物質的侵蝕，能及時排除拋光產物，從而對材料去除產生影響。因此孔隙率和孔隙均勻性是影響拋光墊性能的重要指標。一般來說，孔徑越大的拋光墊，其運輸能力越強，但孔徑過大時又會影響拋光墊的密度和強度。而孔隙分布較為規則的拋光墊的吸水性更好，拋光液分布更加均勻，拋光性能更穩定。

來源：chip919

2、表面溝槽設計

為了提高拋光墊儲存、運送拋光液能力，改善拋光液的流動性，同時改善拋光墊表面的摩擦系數和剪切應力，通常會在其表面進行開槽。拋光墊表面溝槽的幾何形狀、深度、寬度、密集度等都會影響拋光墊的特性。

從溝槽深度、密集度來看，擁有更深、更密集溝槽的拋光墊，不僅擁有更大的廢屑排出能力，而且能夠在拋光過程中持續提供充足的拋光液，使得磨粒的機械作用和拋光液化學作用越強，材料去除能力更高，拋光質量也更好。此外，隨著使用時間的增加，拋光墊表面會逐漸磨損，深溝槽能實現更長的使用壽命。不過溝槽過大、過寬、過于密集的拋光墊，又不利于拋光液化學成分的充分利用，因此在拋光墊的設計與選擇上，需要在溝槽存儲能力、廢屑排出能力等方面尋求一個精妙的平衡點。

從溝槽的幾何形狀來說，表面溝槽的形狀會影響晶片與拋光墊之間的接觸模式，只有合理設計徑向與周向溝槽才能使拋光達到高效率、高質量。目前常見的溝槽形式有放射型、網格型、圓環型以及正、負螺旋對數型等。其中，經研究人員實驗發現，負螺旋對數型拋光墊的溝槽有助于新拋光液的運送和均布，同時負對數溝槽的形成方向與拋光墊旋轉方向相反，在離心力的作用下，有助于排出舊拋光液及拋光產物，使得新拋光液能及時進入加工區域，晶片與拋光墊之間的摩擦系數較大，拋光效率最高。而正對數溝槽的形成方向與拋光墊旋轉方向一致，晶片與拋光墊之間容易產生過多的拋光液，摩擦系數減小，拋光效率有所降低。