目前化学机械抛光广泛应用于衬底晶片和多层布线的层间平坦化加工中。抛光垫是化学机械抛光(CMP)系统的重要组成部分,具有贮存抛光液,并把它均匀运送到工件的整个加工区域等作用。抛光垫的性能主要由抛光垫的材料性能、表面结构与状态以及修整状态等决定。目前,化学机械抛光中抛光垫的作用还缺乏系统的研究和能够指导生产应用的理论依据。本文通过理论研究与实验分析相结合,对化学机械抛光中抛光垫特性进行系统研究。 本文首先基于随机表面的G-W接触模型和赫兹弹性理论分析了抛光垫与晶片的接触情况,从单颗磨料的磨削作用出发,推导出抛光过程中材料去除率的数学模型。研究结果表明,抛光垫性能对抛光效率有较大影响,抛光垫硬度越大、弹性模量越大,材料去除率也越大;抛光垫表面微凸峰越多、尺寸越大,材料去除率越大。 分别采用聚氨酯抛光垫、聚四氟乙烯抛光垫、无纺布抛光垫抛光钽酸锂晶片,研究抛光垫材料性能对抛光效果影响。相比于聚四氟乙烯抛光垫、无纺布抛光垫,聚氨酯抛光垫硬度适中,表面存在许多均匀的微孔,抛光性能较好,在抛光压力6.7kPa,抛光盘转速40rpm时获得了表面粗糙度0.066μm、材料去除率26.4nm/min的较好抛光效果。抛光垫表面沟槽结构、厚度、浸水情况等对化学机械抛光过程有着不同影响。抛光垫表面开有放射型槽时材料去除率最大,开环型槽时晶片表面粗糙度最小。1.5mm厚的聚氨酯抛光垫有较好的综合抛光性能,抛光垫浸水后材料去除率有所提高。 抛光垫使用过程由于磨损性能下降,抛光垫修整是恢复抛光垫特性的重要手段。本文针对所用抛光机研制一台可实现在线修整的抛光垫修整装置,并实验研究了不同修整器、修整压力、修整时间、修整转速等参数对抛光垫的特性从而对化学机械抛光过程的影响,并总结出了最佳修整工艺参数。结果表明:修整能明显提高抛光效率和抛光质量。离线修整时在修整压力9kPa、修整时间45min、修整相对转速为120rpm时修整效果最好。在线修整比离线修整效果好(材料去除率提高16.4%)。在线修整时,修整时间及其间隔对抛光效果有重要影响。