集成电路(IC)是信息产业的技术基础，是推动高新技术发展的核心驱动力。化学机械抛光(chemical mechanical polishing, CMP)技术可以有效地兼顾加工表面的全局和局部平整度，在超大规模集成电路(ULSI)制造中，它不仅在材料制备阶段用于加工单晶硅衬底，而且也是多层布线金属互连结构工艺中理想的层间平坦化方法。目前，CMP技术已成为ULSI时代最广泛使用的平坦化技术。 CMP过程的精确控制在很大程度上取决于对其材料去除机理的认识和理解，但是，目前对CMP的材料去除机理、材料去除非均匀性形成机理、CMP过程变量和技术等方面的许多问题还没有完全弄清楚，在很大程度上人们还是通过经验或半经验的手段控制CMP过程。随着芯片特征尺寸的不断缩小和芯片集成度的不断提高，对CMP技术提出了更高的要求，目前的CMP技术水平已不能满足下一代IC芯片制造的工艺要求。探索CMP机理是提高CMP技术水平的重要基础研究工作。 本文从接触、摩擦、磨损、磨粒运动轨迹方面对硅片化学机械抛光材料去除机理进行细致研究，主要研究工作如下： (1) 根据摩擦和磨损理论，提出了硅片与抛光垫之间的接触形式判别方法，研究了CMP过程中硅片表面材料摩擦和磨损行为，结果表明：硅片与抛光垫的接触形式是实体接触，抛光压力完全由抛光垫微凸峰承担，硅片表面的润滑状态为化学边界润滑。 (2) 根据硅片CMP特性，建立了CMP过程中作用于硅片表面的摩擦力及摩擦力分布的理论模型，并通过实验证明了所建立模型的正确性。在此基础上，研究了抛光盘及抛光头转速、抛光头摆动参数对硅片表面摩擦力及摩擦力分布非均匀性的影响。该方面的研究为抛光机设计及硅片CMP材料去除机理提供理论依据。 (3) 对CMP过程中硅片表面材料去除量进行了建模和实验研究，得出硅片表面材料的各去除分量主要包括磨粒、抛光垫的机械作用去除分量、抛光液的化学作用去除分量、磨粒与抛光液的机械化学交互作用去除分量以及抛光垫与抛光液的机械化学交互作用去除分量，通过分析各分量的材料去除率，认为磨粒的机械作用是CMP的主要机械作用，CMP过程中材料去除主要是磨粒与抛光液的机械化学交互作用结果。 (4) 应用接触力学理论，建立了硅片表面与抛光垫之间的接触模型，研究了硅片与抛光垫、磨粒与抛光垫及磨粒与硅片表面之间的接触形式，并进行了接触载荷、接触变形和实际接触面积的理论计算，分析了硅片表面上的接触载荷分布。 (5) 根据磨粒在抛光垫上的分布形式、抛光垫表面形貌特征以及抛光过程中磨粒的作用机理，建立了磨粒在硅片表面的运动轨迹模型以及基于磨粒运动轨迹长度的硅片