CMP抛光垫里的微孔是怎么来的？

刚进入这个行业的时候，主管技术的领导问了我一个问题：抛光垫里面要形成微孔，有哪些方法？当时还是个小白，啥也不知道。现在，已经在这个行业干了6年了，借助这个平台，回答一下当初的问题。

先从CMP为什么需要微孔说起。在抛光时，抛光液会不断流到待抛工件和抛光垫之间，如果抛光垫是一块完全致密的聚氨酯材料，表面没有足够的微孔结构，那么抛光液的储存和更新能力就会受到影响。这些微孔可以理解成抛光液的临时仓库，抛光液进入孔洞，随着抛光过程不断被带到待抛工件表面，再不断补充新的浆料。

所以可以把抛光垫理解成一个系统：大沟槽负责输送，微孔负责储存和分配。这也是为什么CMP抛光垫表面的沟槽设计和内部微孔设计往往要结合起来考虑。

那么在抛光垫的制造过程中怎么把孔做进去？

第一种方法：发泡

最容易理解的方法，就是发泡。大家应该都见过海绵，海绵海绵里面也有很多孔，CMP抛光垫的发泡思路和海绵类似。在聚氨酯原料反应和成型过程中，通过物理或者化学方式形成气泡。这些气泡被聚氨酯包裹起来，随后，聚氨酯逐渐固化，气泡的形状就被冻结在材料里面。最后得到的就是：聚氨酯骨架+大量微型泡孔。

当然，CMP抛光垫和普通海绵完全不是一回事。普通海绵只需要考虑柔软、弹性和吸水性。CMP抛光垫却要考虑：孔径是多少？孔隙率是多少？孔分布是否均匀？孔是否连通？聚氨酯硬度是多少？压缩率是多少？回复率是多少？磨损速度是多少？这些参数全部会影响最终的抛光性能。

怎么控制气泡，这才是发泡工艺真正难的地方。发泡过程不是简单地生成气泡就完事了，而是要控制气泡的整个生命周期。首先是成核，也就是生成大量微小气泡；然后是生长，气泡会不断吸收气体，体积逐渐扩大；接下来是稳定和固化，气泡不能继续无限膨胀，最终，一个个气泡被固定下来。

这里面有一个非常矛盾的问题：气泡太少，孔隙率不够；气泡太多，又可能导致材料机械强度下降；气泡长得太大，孔径失控；气泡太小，又可能影响抛光液输运。因此，CMP抛光垫控制气泡其实没有那么容易，所以这种方法制成的抛光垫只能用在较低端的光电行业、3C行业等泛半导体领域。

第二种方法：微球

除了直接发泡，还有一种更加精细的办法。那就是：直接往聚氨酯里面加入微球。可以把它想象成往水泥里面混一些乒乓球，等水泥凝固了乒乓球就是一个个孔。

但是和乒乓球不同的是，这些微球通常具有聚合物壳层，内部包含能够在特定条件下膨胀的物质。制造过程中经过加热等处理后，微球膨胀，等聚氨酯固化以后，就留下了一个个微型空腔。

这种方法最大的优势就是：孔径可以通过微球的粒径和膨胀行为进行控制，想要多大的孔径就加对应的微球就行。而且，这种方法制成的抛光垫，孔径非常均匀，这对于CMP很重要，因为如果每一个微孔尺寸都差别很大，那么整个抛光垫的局部机械和流体行为就可能出现差异。这种抛光垫，就可以用于半导体的抛光。

第三种方法：相转化

想转化不是给抛光垫打孔，而是让聚氨酯自己分家，一部分变成骨架，一部分离开，留下来的空位就是微孔。简单理解，就是：原本均匀的聚氨酯溶液（PU树脂＋溶剂），在溶剂（DMF）和非溶剂（水）发生交换后，把相分离形成的结构冻结下来，留下大量微孔。

这个过程是这样的：PU树脂本身是固体，要做成可涂刷的浆料，需要用DMF溶剂把PU化开，变成粘稠液体，就像糖溶于水里一样。把浆料涂布，然后泡进水槽里面，就会发生双向扩散：DMF拼命跑到水里，水跑进浆料内部。DMF被水不断带走之后，PU没有就从溶液里析出，抱团固化，形成固体PU骨架。原来DMF占的位置被水占住，等后面水洗烘干，水跑掉，就留下密密麻麻互相连通的微小孔洞。这就好像冻豆腐，豆腐里的水结冰，把蛋白撑开孔洞；解冻后水流出，就会留下孔。

因此，相转化成孔并不是把一个孔造出来，而是：先发生相分离，再把其中一相去除，最终留下孔隙。这也是为什么相转化工艺能够形成大量微米级甚至更细尺度的微孔结构，无纺布抛光垫和阻尼布抛光垫就是这种方法生产的。

这种方法我怎么写总感觉写不清楚，不像前两种那么通俗易懂，有没有大佬有更通俗的说法，欢迎交流。

除了这些，还有其他方法吗？

中国芯，我的心