化学机械抛光（CMP）中常用的磨料

化学机械抛光（CMP）是一种超精密的表面加工技术，其通过化学腐蚀和机械磨削的双重耦合作用，来实现工件表面纳米级的局部或全局平坦化。在CMP过程中，磨料作为机械作用和化学作用的直接实施者和传递者起到了非常关键的作用，其硬度、粒径、形状、用量等参数都会影响着抛光的具体效果。下面，小编将详细的给大家介绍一下目前CMP中常用的几种磨料。

单晶硅CMP加工示意图（图源：文献1）

硅溶胶SiO2

硅溶胶是CMP工艺中应用最广的磨料之一，属于软性磨料。SiO2溶于水后会与水接触形成Si—OH键，这使得它与大量的羟基相互附着形成硅溶胶。硅溶胶呈乳白色胶状液体，其内部是Si—O—Si键相联结而成的立体网状结构，外部则包裹着带负电的羟基，硅溶胶中的水分子解离形成H3O+在静电作用下吸附于吸附层和扩散层，形成双电子层结构，其厚度对硅溶胶在抛光液中的分散稳定性起关键作用。硅溶胶中纳米粒子的直径可以控制在10-150nm，不同粒径的硅溶胶会产生不同的去除速率，通过有效的选择可以满足不同制程的需求；它机械磨损性能适中，选择性和分散性良好，使得在抛光过程中对工件表面的损伤极小，加上硬度与单质硅接近，所以常用于硅、软金属等材料的抛光。

硅溶胶双电子层示意图（图源：文献2）

氧化铝Al2O3

氧化铝是一种拥有较高硬度和良好磨削性能的磨料，它在自然界中存在多种同质异性相，其中α-Al2O3因具备高强度、高硬度、高电阻率等诸多优良性能，被广泛应用于航天、磨料、半导体等领域。氧化铝表面细腻，质地坚硬，莫氏硬度约为9，仅次于金刚石，可以有效去除硬质材料表面的突出部分，以实现较高的材料去除率；它在化学上相对稳定，不易与大多数化学物质发生反应，因此在CMP过程中能够保持抛光液的寿命；与其他高级磨料相比，氧化铝的成本相对较低，故在工业应用中更具有优势。但由于氧化铝磨料表面容易带有正电荷或负电荷，从而产生静电引力、范德华力等分子间作用力，在抛光液中较易产生团聚现象，加上其本身硬度较高，在CMP制程中如果操作不当，容易导致材料去除率不均匀，在材料表面造成机械损伤，因此在使用时需要谨慎。

氧化铝SEM图（图源：文献3）

氧化铈CeO2

氧化铈是一种具有优异抛光性能的磨料，其切削力强、抛光时间短、使用寿命长、抛光精度高，常应用于光学玻璃器件、电视机显像管、半导体晶片等器件的抛光。氧化铈在抛光过程中化学稳定性较好，不易与抛光液中的其他成分发生不良反应，有利于维持抛光液的稳定性和使用寿命，相对于一些其他磨料，它对环境的影响较小，符合当下绿色化学和可持续发展的要求。氧化铈的莫氏硬度约为7，与玻璃的硬度相似，对SiO2质材料具有优异的抛光性能，即可以在兼顾表面质量的情况下，拥有较高的切削速率。

*作用原理：在压力作用下，抛光液中的水分子会使SiO2晶片表面羟基化，CeO2会与SiO2生成Ce—O—Si键，由于玻璃表面易水解，继而形成Ce—O—Si(OH)3键，CeO2与抛光平台之间产生的机械力促使Si—O—Si键断裂，SiO2会以块状的形式被CeO2抛去在这个过程中，Ce—O—Si键的形成是反应的控制步骤，它的形成增大了抛光切应力，整个抛光速度受Ce—O—Si键的形成和Si—O—Si键的断裂速度影响。

氧化铈颗粒的抛光机理

此外，氧化铈也是一种半导体光催化剂，存在可变价态（Ce4+、Ce3+）和丰富氧空位，结合了摩擦化学能力和光化学氧化活性，可应用于光催化辅助的抛光。

除了上述几种常见的磨粒外，CMP抛光中还可能使用到其他类型的磨料，如氧化铁、碳化硅等。这些磨料在某些特定应用或特定材料抛光中可能具有优势，在实际应用中需要考虑磨粒的粒径、浓度等因素对抛光效果的影响。通过对磨粒的合理选择和使用，可以实现高效、高精度的CMP抛光过程，满足各种精密加工应用的需求。

参考文献：

1、赵琦.单晶硅元件CMP加工表面划痕去除和清洗工艺研究[D].哈尔滨工业大学.

2、程佳宝,石芸慧,牛新环,等.CMP抛光液中SiO2磨料分散稳定性的研究进展[J].微纳电子技术.

3、张曼.氧化铝磨料制备、抛光浆料稳定性及其抛光性能的研究[D].合肥工业大学.

4、范永宇.CeO2复合磨料制备及其在化学机械抛光中的应用[D].中国科学技术大学.

来源：粉体圈

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