化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing,简称CMP）技术通过化学和机械的协同作用去除工件表面材料,不仅可以获得原子级的超光滑表面,还具备全局和局部平坦化能力,在半导体制造,光学器件加工等领域都有着广泛的应用。由于CMP过程存在复杂化学机械耦合作用,并且机械作用和化学作用本身又受多种因素的影响,导致CMP的材料去除过程的定量模拟和准确预测非常困难。到目前为止,CMP技术的机理研究水平已经滞后于技术发展需求,CMP工艺参数的确定和优化只得依赖于大规模工艺实验。面对未来抛光材料以及工艺需求的多样化挑战,建立考虑化学机械协同作用的CMP材料去除过程量化预测方法迫在眉睫。CMP材料去除过程是一个复杂的纳/微/宏跨尺度过程,其中纳观尺度磨粒依靠微观尺度抛光垫粗糙峰传递的载荷,作用于工件表面,使工件表面发生原子级材料去除,并进一步依靠抛光垫和工件之间的相对运动,实现宏观尺度表面加工。针对CMP系统的跨尺度材料去除特点以及材料去除过程量化预测需求,本文提出了一种以微观尺度CMP材料去除试验和模型为基础的CMP跨尺度建模方法,即以微观单粗糙峰为基本建模单元,将宏观材料去除过程看作是大量微观粗糙峰随机作用的叠加。通过微观尺度材料去除试验和理论分析,建立能够反映化学和机械协同作用机理的半经验数学模型,并以该模型为基础,结合概率学理论,建立跨尺度材料去除模型。本论文的研究成果不仅有助于CMP过程中化学-机械协同作用机理的研究,实现CMP过程的定量预测,还能够为CMP过程的稳定性分析提供理论指导。论文的主要研究内容和结论包括以下几个部分:（1）开展了抛光垫力学特性和微观接触特性研究。通过压缩力学试验,探究了抛光垫的非线性压缩行为,建立了粗糙层-基体层串联模型,分析了抛光垫微观结构特征对力学特性的影响。采用微探针测定了抛光垫表面弹性模量以及硬度参数,为后续材料去除模型的建立提供数据支撑。搭建了抛光垫微观接触状态测量系统,基于光学测量原理以及数字图像处理技术,该系统可以获得抛光垫的真实微观接触状态图像以及接触状态特征统计信息,为微观尺度材料去除机理的研究提供硬件支撑。（2）开展了单粗糙峰接触条件下工件表面材料化学机械协同作用去除机理研究和建模方法研究,建立了基于纳→微物理映射模型和Hertz接触理论的单粗糙峰材料去除模型,针对单晶硅、熔融石英玻璃和BK7玻璃三种材料,开展了单粗糙峰接触下的划擦试验。通过理论分析和试验结果的对比,揭示了机械作用和化学作用在微观尺度的协同作用机理,证明了本文提出的单粗糙峰划擦试验研究方法和材料去除模型的可行性和准确性,为后续以单粗糙峰模型为基础的跨尺度建模策略的实施,提供理论依据和支撑。（3）开展了确定多粗糙峰接触状态下的材料去除率预测方法和影响因素研究,建立了基于真实微观接触图像的多粗糙峰材料去除模型,结合抛光垫微观接触状态在线测量装置,开展了不同微观接触状态下的往复划擦试验。通过划擦试验和模型预测结果分析,揭示了“离散分布”和“集中分布”两种典型微观接触状态下化学和机械协同作用的差异,验证了多粗糙峰材料去除模型对不同微观接触状态材料去除率的预测精度。结合摩擦力在线测量系统,开展了微观尺度摩擦特性研究。结果表明:在1 mm/s～20 mm/s的划擦速度下,微观尺度的粘滑现象在材料去除过程中占据主导地位。最后,基于Stribeck摩擦模型,解释了微观尺度的粘滑现象及其对原子级材料去除过程的影响机理。（4）开展了随机微观接触状态下宏观CMP材料去除率建模方法研究,建立了纳/微/宏跨尺度材料去除模型。该模型通过定义有效接触点数目ne,化学反应能力参数β,以及机械去除能力参数γ,实现了宏观CMP过程中化学和机械协同作用的解耦。试验结果和模型预测结果的对比表明:微观接触状态和材料物化特性通过影响微观尺度的化学和机械协同作用而影响宏观材料去除率,本文提出的宏观材料去除模型能够揭示不同材料在不同微观接触状态下的材料去除差异,具有良好的预测精度。最后,基于上述理论和试验结果,提出了一套基于抛光垫微观接触状态的CMP工艺过程稳定性分析方法,为集成电路制造CMP过程中的工艺稳定性控制提供理论基础与技术支撑。