化学机械抛光（CMP）中常用的磨料

单晶硅CMP加工示意图（图源：文献1）

硅溶胶SiO2

硅溶胶是CMP工艺中运用最广的磨料之一，属于软性磨料。

SiO2溶于水后会与水打仗形成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构造，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+在静电浸染下吸附于吸附层和扩散层，形成双电子层构造，其厚度对硅溶胶在抛光液中的分散稳定性起关键浸染。
硅溶胶中纳米粒子的直径可以掌握在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知足不同制程的需求；它机器磨损性能适中，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，加上硬度与单质硅靠近，以是常用于硅、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，个中-Al2O3因具备高强度、高硬度、高电阻率等诸多优秀性能，被广泛运用于航天、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；与其他高等磨料比较，氧化铝的成本相对较低，故在工业运用中更具有上风。
但由于氧化铝磨料表面随意马虎带有正电荷或负电荷，从而产生静电引力、范德华力平分子间浸染力，在抛光液中较易产生团圆征象，加上其本身硬度较高，在CMP制程中如果操作不当，随意马虎导致材料去除率不屈均，在材料表面造成机器损伤，因此在利用时须要谨慎。

氧化铝SEM图（图源：文献3）

氧化铈CeO2

氧化铈是一种具有精良抛光性能的磨料，其切削力强、抛光韶光短、利用寿命长、抛光精度高，常运用于光学玻璃器件、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身分发生不良反应，有利于坚持抛光液的稳定性和利用寿命，相对付一些其他磨料，它对环境的影响较小，符合当下绿色化学和可持续发展的哀求。
氧化铈的莫氏硬度约为7，与玻璃的硬度相似，对SiO2质材料具有精良的抛光性能，即可以在兼顾表面质量的情形下，拥有较高的切削速率。

浸染事理：在压力浸染下，抛光液中的水分子会使SiO2晶片表面羟基化，CeO2会与SiO2天生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器力匆匆使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键的形成是反应的掌握步骤，它的形成增大了抛光切应力，全体抛光速率受Ce—O—Si键的形成和Si—O—Si键的断裂速率影响。

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，可运用于光催化赞助的抛光。

除了上述几种常见的磨粒外，CMP抛光中还可能利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运用或特定材料抛光中可能具有上风，在实际运用中须要考虑磨粒的粒径、浓度等成分对抛光效果的影响。
通过对磨粒的合理选择和利用，可以实现高效、高精度的CMP抛光过程，知足各种精密加工运用的需求。

参考文献：

1、赵琦.单晶硅元件CMP加工表面划痕去除和洗濯工艺研究[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].微纳电子技能.

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.

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来源：粉体圈

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