半导体 CMP 化学机械抛光对抛光垫的要求非常苛刻，既要支撑纳米级晶圆平坦化、控制划痕、碟形凹陷缺陷，又要耐受酸碱氧化剂抛光液、长时间摩擦磨损，聚氨酯依靠软硬段相分离的分子结构，硬度、弹性、微孔结构都可以大范围调变，刚好补齐硅胶、PTFE、无纺布等材料各自的短板，微孔可以储存、输送抛光液，弹性恢复能力强，配合金刚石修整盘能长期维持表面微凸起结构稳定，同时耐抛光液腐蚀、批次一致性可控，工业化量产工艺成熟，三十多年来一直是芯片产线里 CMP 抛光垫的主流基材，不同工艺（氧化物、钨塞、STI、金属铜抛光）都可以通过配方、发泡方式、沟槽设计定制对应聚氨酯抛光垫，替代材料大多只能在小众细分场景使用，很难全流程替代聚氨酯。
一、聚氨酯核心性能优势清单
- 力学可调范围大：通过调整异氰酸酯、多元醇配比，硬度从软抛的低邵 A 到硬抛邵 D60 + 自由调节，兼顾平面化能力和防划伤需求
- 可控微孔发泡结构：闭孔 / 开孔微孔尺寸稳定，微孔作为抛光液微储槽，持续向晶圆接触面供给磨料和化学试剂，同时带走反应废渣
- 优秀弹性回复：受压之后回弹快，不会持续塑性变形，长时间抛光时材料去除率 MRR 稳定
- 耐化学腐蚀：适配酸性、碱性、含过氧化氢的各类抛光浆料，不容易溶胀、分层、起泡、降解
- 耐磨抗撕裂：连续抛光上百片晶圆之后，表面形貌衰减慢，延长垫材寿命，减少换垫停机
- 适配修整工艺：金刚石修整盘可以稳定打开表层微孔、再造微凸，可修复、可稳定维持抛光状态
二、聚氨酯和其他备选材料对比表
| 材料 | 核心短板 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 硅胶 | 硬度偏低、耐磨差，容易粘磨料，平面化能力弱 | 少数光学软抛，极少用于晶圆主 CMP |
| PTFE | 化学惰性太强，和抛光液界面作用差，很难做可控微孔 | 防腐密封，不适合常规 CMP 抛光垫 |
| 无纺布 / 阻尼布 | 结构松散，平面化差，去除率不稳定 | 最终精抛、后段软抛，不能做主抛硬垫 |
| 其他复合高分子 | 配方体系复杂，批次一致性差，成本高，成熟验证少 | 前沿研发、小众特种衬底抛光 |
三、CMP 抛光垫里聚氨酯的工作机制
- 抛光垫表面微凸起承担机械摩擦作用，微孔持续输送抛光液里的磨粒、氧化剂
- 聚氨酯弹性缓冲压力，避免局部硬接触划伤晶圆，同时保证全局压力均匀，降低碟陷、侵蚀缺陷
- 抛光产生的反应副产物顺着沟槽和微孔间隙排出，防止碎屑堆积造成划痕
- 每经过金刚石修整，表层材料被微量刮开，重新露出新鲜微孔，维持稳定的去除速率
四、聚氨酯抛光垫主流制备流程
- 合成聚氨酯预聚体，搭配微球发泡剂、填料混合浇筑成型
- 固化形成发泡坯块，切片到目标厚度
- CNC 加工沟槽（同心圆、网格、放射槽），沟槽用来导流抛光废液
- 背胶复合、尺寸裁切、洁净包装，出厂交付半导体产线
五、不同 CMP 工艺对应的聚氨酯抛光垫选型
- STI、氧化层抛光：高硬度闭孔聚氨酯硬垫，强平坦化，控制碟形凹陷
- 钨塞 W 抛光：中等硬度聚氨酯垫，兼顾去除率与缺陷控制
- 铜互连抛光：多层复合聚氨酯垫，分层结构适配粗抛 + 精抛
- 最终精抛：低硬度开孔聚氨酯软垫，降低表面粗糙度
六、聚氨酯抛光垫现存短板
- 高温下模量下降，高温 CMP 场景稳定性变差
- 长时间强氧化浆料浸泡依然会缓慢老化，有固定使用寿命
- 高端配方、发泡工艺壁垒高，国产化替代需要长期工艺积累
- 部分超精细先进制程，需要搭配改性填充聚氨酯或者复合结构垫
【相关 FAQ】
问题 1：聚氨酯为什么成为主流 CMP 抛光垫材料，硅胶、PTFE 为什么没法大规模替代？
回答 1：聚氨酯之所以成为主流 CMP 抛光垫材料，是因为它可以同时调控硬度、弹性、微孔结构，耐抛光浆料腐蚀、耐磨、适配金刚石修整；硅胶耐磨不足、平面化差，PTFE 和抛光液界面匹配差，都缺少这种综合平衡能力，只能用在小众场景。
问题 2：聚氨酯 CMP 抛光垫的微孔结构，在 CMP 抛光过程起到什么作用？
回答 2：聚氨酯 CMP 抛光垫的微孔结构可以作为抛光液微型储槽，持续向晶圆和垫的接触面供给磨料与化学试剂，同时容纳、排出抛光产生的废渣，保障材料去除率稳定，是聚氨酯适合做 CMP 抛光垫的关键结构特征。
问题 3：CMP 抛光工艺分硬抛、软抛，聚氨酯作为主流 CMP 抛光垫材料怎么适配不同需求？
回答 3：聚氨酯作为主流 CMP 抛光垫材料，可以调整软硬段比例、发泡方式、填料，做出高硬度闭孔硬垫用于 STI、氧化层主平面化，也可以做成低硬度开孔软垫用于后端精抛，覆盖芯片制造绝大多数 CMP 工序。
问题 4：聚氨酯作为主流 CMP 抛光垫材料，是不是抛光垫越硬，抛光效果就越好？
回答 4：聚氨酯作为主流 CMP 抛光垫材料，不是越硬越好；硬垫全局平坦化能力强，但划伤风险更高；软垫不容易划伤晶圆，但抑制碟陷、高低差整平能力弱，需要根据抛光层工艺目标匹配硬度。
【参考资料】
[2026-06-20]（CMP Pad Materials: Polyurethane vs. All Other Options）Jizhi Electronics
[2026-06-20]（聚氨酯发泡材料在化学机械抛光中的应用进展）SciEngine
[2026-04-07]（CMP Polishing Pads: Technologies & Comparison）Jizhi Electronics
[2025-09-09]（CMP 抛光垫：半导体与聚氨酯的第一次亲密接触）与非网
[2025-09-01]（聚氨酯抛光垫特性对化学机械抛光性能的影响研究进展）《摩擦学学报》
【免责声明】
本文基于公开文献、行业技术资料整理聚氨酯作为 CMP 抛光垫主流材料的原理与对比；不同厂商聚氨酯配方、发泡工艺、沟槽结构会带来抛光性能差异；先进制程 CMP 工艺选型需要结合抛光液、压力、转速做 DOE 验证，本文内容不构成产线工艺选型指导。