随着先进的半导体制造技术从极端小型化转向三维集成架构，层间平面度和厚度均匀性已成为工艺可靠性的关键挑战[1,2]。工艺步骤的重复堆叠增加了材料和结构的复杂性，并导致微尺度台阶高度的积累[[3], [4], [5]]。这些趋势加剧了对减轻尺寸效应和实现全局平面化的技术的需求。在这种情况下，化学机械抛光（CMP）被广泛用于解决异质堆栈中的平面化问题，并在高产量制造中实现原子级表面粗糙度[6,7]。
在CMP中保持稳定的材料去除率（MRR）直接关系到最小化后续工艺步骤之间的干扰并确保产量[8]。材料去除受到旋转晶圆、多孔聚氨酯抛光垫以及含有分散磨料颗粒的浆料之间耦合的摩擦学相互作用的影响[9,10]。特别是当微粗糙抛光垫接触纳米级晶圆表面时，只有少数最高的凸点形成了实际接触面积（RCA）[11,12]。这种抛光垫表面微观纹理通过决定活性磨料颗粒的保留情况和界面处机械能传递的效率来控制材料去除性能[13,14]。然而，随着抛光的进行，凸点会发生塑性变形和磨损，抛光残留物和积累的碎屑会导致抛光垫表面老化[15]。这些效应加速了抛光垫表面的退化并降低了MRR[16]。因此，保持CMP的一致性需要将抛光垫表面微观纹理保持在定义明确且稳定的状态。
抛光垫修复是机械修整退化抛光垫表面并控制其微观纹理的主要实际过程[17]。抛光垫修复剂上的金刚石磨料可以去除玻璃化层并重新打开堵塞的孔隙，从而恢复表面并生成新的凸点结构[18,19]。然而，实际中预测抛光垫对特定修复参数的即时表面响应是具有挑战性的，因为抛光垫与大量金刚石颗粒之间存在随机相互作用[20,21]。鉴于这种固有的不确定性，工业实践仍然依赖于经验性的试错来选择抛光垫修复剂设计和工艺配方，这导致在确定最佳组合时产生了大量的成本和时间损失[22,23]。因此，减少对经验的依赖并提高工艺效率需要深入理解抛光垫修复剂的强度，并对其表面微观纹理的演变进行定量描述。
为了解决这些挑战，已经进行了大量关于抛光垫修复过程和几何参数对抛光垫表面影响的研究。Park等人[24]报告称，根据是否存在抛光垫修复，MRR可能变化高达47%，并将这种变化归因于与降低的峰值高度（Rpk）的线性相关。他们进一步证明，增加抛光垫修复压力可以提高Rpk的恢复率和材料去除效率。Sun等人[25]关注了金刚石颗粒大小的影响。他们观察到，在高压力下，细颗粒会更深入地参与抛光，从而产生更粗糙的表面；而在低压力下，颗粒无法充分穿透抛光垫，使得尺寸效应可以忽略不计。同时，Kwon等人[26]分析了由颗粒密度控制的负载分布效应。通过将尖端数量从17k变化到60k的实验，他们证明更高的颗粒密度会减少施加在单个尖端上的有效负载，从而导致抛光垫切割速率（PCR）和MRR的降低。这些先前的研究对于阐明特定变量驱动的抛光垫修复强度与最终抛光垫表面粗糙度和MRR之间的个别相关性做出了重要贡献。然而，这些研究仅考虑了单一设计因素或工艺变量的孤立效应，而没有充分考虑金刚石大小、密度、排列和操作条件之间的复杂相互作用。
由于抛光垫修复涉及累积的物理切割过程，除了强度之外，抛光垫表面的时间演变也被视为一个关键的研究对象。Borucki等人[27]通过数学模拟理论证明，随着金刚石尖端累积切割次数的增加，抛光垫表面地形会收敛到一个随时间保持不变的稳定状态。Vasilev等人[28]提供了实验验证，证实抛光垫表面的算术平均粗糙度（Ra）随时间呈指数下降并收敛到一个特定值，这归因于金刚石切割深度和孔隙打开之间的平衡。此外，McAllister等人[29]在三种负载条件下使用两种抛光垫修复剂类型进行了研究，证明抛光垫表面在初始磨合期后达到稳定状态，达到这一状态所需的时间取决于抛光垫修复的强度。在他们后续的研究[30]中，他们报告说，虽然更高的抛光垫修复压力会加速过渡到稳定状态，但最终形成的抛光垫表面表现出不同的纹理。尽管这些先前的研究从分析和实验上证实了抛光垫表面的收敛行为，但它们主要局限于研究达到稳定状态的过程或初始磨合阶段的行为。因此，它们仅提供了定性建议，即应进行足够长时间的抛光垫修复以确保工艺稳定性。然而，由于抛光垫修复本质上是一个消耗抛光垫的破坏性修复过程，因此在工业应用中不总是可行地无差别地增加强度或延长工艺时间。因此，有必要对过渡状态期间的动态行为进行深入分析，因为这直接影响实际工艺产量。基于这种分析，必须建立明确的定量标准来定义最佳抛光垫修复终点和过度抛光修复行为的界限。
为了准确捕捉这些复杂的抛光垫修复变量和抛光垫表面的时间演变，需要一个能够明确表示表面状态的定量指标。传统上，学术界和工业界都依赖于平均指数，如Ra和均方根平均粗糙度（Rq），或者表征抛光垫凸点的参数，如最大峰值高度（Rp）、Rpk和RCA[[31], [32], [33]]。然而，这些单一参数的局限性在于它们只反映了表面纹理的部分特征。因此，即使具有相同的粗糙度值，也常常难以区分具有不同结构特征的表面，或者测量粗糙度的变化与MRR的行为不一致的情况经常发生。为了解决这些限制，先前的研究通过数据驱动的探索推导出了一个复合粗糙度参数（Rq/Rp），并验证了它与MRR之间的强负相关性[34]。该参数量化了相对于整体粗糙度的峰值突出度，并且即使在观察到相似的峰值高度时，也比单一参数具有更好的解释能力。此外，人工轮廓分析表明，Rq/Rp反映了在连续抛光磨损过程中维持界面接触的承载凸点的功能接触状态。然而，该研究主要侧重于建立最终相关性，并没有深入分析由抛光垫修复强度控制的纹理收敛行为，也没有分析Rq和Rp在此过程中表现出不同行为的现象。
为了克服这些限制，本研究探讨了抛光垫修复强度和累积时间对抛光垫表面微观纹理收敛和MRR的影响。与仅考虑有限变量或特定时间点的传统方法不同，本研究通过将整个抛光垫生命周期划分为磨合期、过渡期和稳定期，全面涵盖了实际过程中发生的表面演变情况。为此，我们使用了四种类型的抛光垫修复剂和三个级别的压力，并利用Rq/Rp作为诊断指标来定量研究由不同抛光垫修复强度驱动的表面微观纹理变化。最初，我们跟踪了在整个抛光垫半径范围内Rq/Rp的收敛特性，将其与从过渡状态到稳定状态的转变过程中的MRR行为相关联。在这个过程中，我们分离了在微观纹理收敛过程中观察到的Rq和Rp的解耦行为，并阐明了其潜在机制。此外，还进行了长期的抛光垫修复实验，以全面检查过度抛光修复对磨合期和稳定状态后表面的影响。本文为确保CMP过程中稳定的材料去除建立了足够的抛光垫修复的定量标准，并为实现这些目标标准提供了关于抛光垫表面微观纹理控制的新见解。
