作为目前唯一能够实现全局平坦度的加工工艺,化学机械抛光（CMP）常被作为衬底加工的最后一道工序。然而在加工过程中,随着抛光垫的表面磨损和基体压缩,其使用性能产生较大变化。由此引起的晶片内及晶片间加工不均匀性是导致半导体设备合格率低的重要原因。因此,探究CMP加工过程中抛光垫摩擦磨损行为及其影响机制对于稳定晶片加工质量,提高半导体设备生产率具有重要意义。首先,为提高摩擦磨损试验机模拟晶片-抛光垫间摩擦学行为的可靠性,对试验机工作台运动轨迹进行改进,提出新的运动方式并优化。利用MATLAB模拟工作台不同运动方式下晶片-抛光垫间相对运动轨迹,验证了工作台新运动方式的优越性。根据有限元分析结果表明新工作台运动轨迹能够有效降低样品变形程度和应力集中程度,同时提高摩擦热在晶片表面分布均匀性。观察工作台不同运动轨迹下抛光垫样品磨损后表面形貌并进行数据分析,发现随着相对运动轨迹密度的增加,抛光垫表面平均高度和孔隙率下降,微凸峰高度集中程度上升,抛光垫表面磨损均匀性增加。但是当工作台矩形旋转运动和旋转运动周期比增加到8:1时,由于过度磨损导致孔隙壁坍塌,抛光垫孔隙率上升,表面平均高度迅速下降。另外,晶片-抛光垫间摩擦系数（COF）同时受材料顺应性和表面平坦度的影响。为探究抛光垫单次使用最佳时长,进行抛光实验,并观察连续加工条件下抛光垫表面形貌演变趋势,分析其性能退化机理。采用白光干涉仪及扫描电镜（SEM）观测样品表面微观形貌。通过图像处理,获取表面粗糙度、表面高度正态分布曲线以及孔隙率数据。利用摩擦磨损试验机模拟晶片-抛光垫间摩擦学行为。结果表明在连续60 min加工过程中,抛光垫使用周期大致分为4个阶段:初期-前10 min,表面快速磨损,粗糙度、表面平均高度和孔隙率均快速下降,高度集中程度先降后升;中期-10-20 min,粗糙度相对稳定,孔隙率和平均高度下降放缓;后期-20-30 min内,表面再次快速磨损,粗糙度快速下降,孔隙逐渐完全堵塞;末期-40-60 min时,抛光垫表面已发生过度磨损,孔隙壁坍塌明显,孔隙率和表面粗糙度均先升后降,高度集中程度陡降后上升,表面平均高度变化较小。在前20 min内,在碎片积累、粗糙度下降和晶片-抛光垫间接触面积上升综合影响下,晶片-抛光垫间COF先降后升;20-40 min后,COF相对稳定;40-60 min,由于抛光垫表面孔隙壁坍塌、表层材料开裂和卷起,COF波动明显。进一步地,通过抛光实验探究连续抛光条件下抛光垫摩擦磨损行为对晶片材料去除速率（MRR）以及表面质量的影响。并对材料去除率模型进行拓展,引入参数α·表征抛光垫的摩擦磨损行为对晶片-磨粒-抛光垫三体接触状态的作用。研究结果表明前10 min,MRR持续上升,这是由于“碎片”累积作用和接触面积增大使得机械作用增强导致的。机械去除和化学氧化速率差逐渐减小使得晶片表面质量不断提高。10-20 min,抛光垫平坦度的提高使得晶片-抛光垫接触面积不断上升,机械作用和化学作用逐渐接近平衡点,MRR快速上升,晶片表面粗糙度（Ra）不断减小。20-30 min,孔隙的严重堵塞导致化学作用下降,MRR小幅下降,化学和机械速率失衡使得晶片表面质量降低。40 min时,抛光垫孔隙壁的坍塌、表层材料的开裂与卷起使得机械作用和化学作用上升,MRR小幅增长,但恶化的抛光垫表面状态使得Ra上升。40分钟后,抛光垫表面釉化程度加重,使用性能的退化使得MRR减小,Ra缓慢增长。综合MRR和Ra为评价指标,抛光垫最佳单次使用时长为20 min。另外,通过数据分析结果表明在实际CMP加工中晶片MRR达到最高点前,即20 min前,MRR实验与MRR理论变化趋势相反,与θ=α·（1/β+1/γ-1）-1变化趋势相同;MRR达到最高点后,MRR实验与MRR理论变化趋势相同,与θ变化趋势相反。结合MRR理论和θ能够更好预测晶片加工MRR变化趋势。