化學機械拋光（CMP）是一種超精密的表面加工技術，其通過化學腐蝕和機械磨削的雙重耦合作用，來實現工件表面納米級的局部或全局平坦化。在CMP過程中，磨料作(zuo)為機械作(zuo)用和(he)化學作(zuo)用的(de)(de)(de)直接實施(shi)者和(he)傳遞者起到(dao)了非常關鍵的(de)(de)(de)作(zuo)用，其(qi)硬(ying)度、粒徑、形狀(zhuang)、用量等參數都(dou)會影響(xiang)著拋光的(de)(de)(de)具體效(xiao)果。下(xia)面(mian)，小(xiao)編將詳細的(de)(de)(de)給大家介紹一(yi)下(xia)目(mu)前CMP中常用的(de)(de)(de)幾(ji)種磨料。

        硅溶膠SiO2

        硅(gui)溶(rong)膠(jiao)(jiao)(jiao)是(shi)CMP工藝中(zhong)(zhong)應(ying)用(yong)最廣(guang)的(de)磨(mo)料(liao)之(zhi)一，屬于(yu)軟性磨(mo)料(liao)。SiO2溶(rong)于(yu)水后會(hui)與(yu)水接觸形(xing)成(cheng)Si—OH鍵，這(zhe)使得它與(yu)大量的(de)羥(qian)基相互附(fu)著形(xing)成(cheng)硅(gui)溶(rong)膠(jiao)(jiao)(jiao)。硅(gui)溶(rong)膠(jiao)(jiao)(jiao)呈乳白色膠(jiao)(jiao)(jiao)狀液體(ti)(ti)，其(qi)內部(bu)是(shi)Si—O—Si鍵相聯結(jie)而(er)成(cheng)的(de)立體(ti)(ti)網狀結(jie)構，外(wai)部(bu)則包裹著帶負電(dian)的(de)羥(qian)基，硅(gui)溶(rong)膠(jiao)(jiao)(jiao)中(zhong)(zhong)的(de)水分(fen)子(zi)解離形(xing)成(cheng)H3O+在靜(jing)電(dian)作(zuo)用(yong)下吸附(fu)于(yu)吸附(fu)層(ceng)和擴散(san)層(ceng)，形(xing)成(cheng)雙電(dian)子(zi)層(ceng)結(jie)構，其(qi)厚度對硅(gui)溶(rong)膠(jiao)(jiao)(jiao)在拋(pao)光(guang)液中(zhong)(zhong)的(de)分(fen)散(san)穩定性起關(guan)鍵作(zuo)用(yong)。硅(gui)溶(rong)膠(jiao)(jiao)(jiao)中(zhong)(zhong)納米粒(li)子(zi)的(de)直徑可(ke)以控制在10-150nm，不(bu)同粒(li)徑的(de)硅(gui)溶(rong)膠(jiao)(jiao)(jiao)會(hui)產生不(bu)同的(de)去除(chu)速率，通過(guo)有效的(de)選擇(ze)可(ke)以滿足不(bu)同制程的(de)需求；它機械磨(mo)損性能適(shi)中(zhong)(zhong)，選擇(ze)性和分(fen)散(san)性良(liang)好，使得在拋(pao)光(guang)過(guo)程中(zhong)(zhong)對工件(jian)表面的(de)損傷極小，加(jia)上硬度與(yu)單質(zhi)硅(gui)接近，所以常用(yong)于(yu)硅(gui)、軟金屬等材料(liao)的(de)拋(pao)光(guang)。

硅溶膠雙電子層示意圖(tu)（圖(tu)源：文(wen)獻(xian)2）

        氧化鋁Al2O3

        氧化鋁是一種擁有較高硬度和良好磨削性能的磨料，它在自然界中存在多種同質異性相，其中α-Al2O3因具備高強度、高硬度、高電阻率等諸多優良性能，被廣泛應用于航天、磨料、半導體等領域。氧化鋁表面細膩，質地堅硬，莫氏硬度約為9，僅次于金剛石，可以有(you)效(xiao)去(qu)除(chu)硬質材料(liao)(liao)表面(mian)的(de)(de)突(tu)出(chu)部分(fen)，以實現(xian)較高的(de)(de)材料(liao)(liao)去(qu)除(chu)率；它在(zai)化(hua)學上相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)穩(wen)定，不易與(yu)大多(duo)數化(hua)學物質發生(sheng)反應，因此在(zai)CMP過程(cheng)中(zhong)能夠保持拋(pao)光液(ye)的(de)(de)壽命；與(yu)其他高級磨料(liao)(liao)相(xiang)(xiang)(xiang)比，氧化(hua)鋁(lv)的(de)(de)成(cheng)本相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)較低(di)，故在(zai)工(gong)業應用(yong)(yong)中(zhong)更具有(you)優勢。但(dan)由于氧化(hua)鋁(lv)磨料(liao)(liao)表面(mian)容易帶有(you)正電(dian)(dian)荷(he)或負電(dian)(dian)荷(he)，從而產生(sheng)靜電(dian)(dian)引力(li)(li)、范(fan)德華力(li)(li)等分(fen)子間作用(yong)(yong)力(li)(li)，在(zai)拋(pao)光液(ye)中(zhong)較易產生(sheng)團聚現(xian)象，加上其本身硬度較高，在(zai)CMP制程(cheng)中(zhong)如果操作不當，容易導致(zhi)材料(liao)(liao)去(qu)除(chu)率不均勻，在(zai)材料(liao)(liao)表面(mian)造成(cheng)機(ji)械損傷，因此在(zai)使用(yong)(yong)時(shi)需要謹(jin)慎。

        氧化鈰CeO2

        氧(yang)化(hua)鈰(shi)是一種具(ju)有(you)(you)優(you)異(yi)拋(pao)光(guang)性(xing)能的(de)(de)磨料(liao)，其(qi)切(qie)削力強、拋(pao)光(guang)時間(jian)短、使用(yong)壽命長、拋(pao)光(guang)精度(du)高(gao)(gao)，常應(ying)用(yong)于光(guang)學玻璃(li)器(qi)件、電視(shi)機顯(xian)像管、半導(dao)體晶片等器(qi)件的(de)(de)拋(pao)光(guang)。氧(yang)化(hua)鈰(shi)在拋(pao)光(guang)過程中化(hua)學穩定性(xing)較好，不易與(yu)拋(pao)光(guang)液中的(de)(de)其(qi)他成分發生(sheng)不良反(fan)應(ying)，有(you)(you)利于維持拋(pao)光(guang)液的(de)(de)穩定性(xing)和使用(yong)壽命，相(xiang)對于一些其(qi)他磨料(liao)，它對環境的(de)(de)影響(xiang)較小，符合(he)當下(xia)綠(lv)色化(hua)學和可(ke)(ke)持續發展的(de)(de)要求(qiu)。氧(yang)化(hua)鈰(shi)的(de)(de)莫氏硬度(du)約(yue)為(wei)7，與(yu)玻璃(li)的(de)(de)硬度(du)相(xiang)似，對SiO2質材(cai)料(liao)具(ju)有(you)(you)優(you)異(yi)的(de)(de)拋(pao)光(guang)性(xing)能，即(ji)可(ke)(ke)以在兼顧表面質量的(de)(de)情況下(xia)，擁有(you)(you)較高(gao)(gao)的(de)(de)切(qie)削速率。

        *作(zuo)用原理(li)：在壓力作(zuo)用下，拋(pao)光液(ye)中的(de)水分子會使SiO2晶(jing)片(pian)表(biao)面羥基化，CeO2會與SiO2生成Ce—O—Si鍵(jian)(jian)(jian)，由于(yu)玻璃(li)表(biao)面易水解，繼(ji)而形(xing)(xing)成Ce—O—Si(OH)3鍵(jian)(jian)(jian)，CeO2與拋(pao)光平(ping)臺之間(jian)產生的(de)機械力促使Si—O—Si鍵(jian)(jian)(jian)斷裂(lie)，SiO2會以塊(kuai)狀的(de)形(xing)(xing)式(shi)被(bei)CeO2拋(pao)去在這(zhe)個過程中，Ce—O—Si鍵(jian)(jian)(jian)的(de)形(xing)(xing)成是反應的(de)控(kong)制步驟，它的(de)形(xing)(xing)成增大了拋(pao)光切應力，整個拋(pao)光速(su)度(du)受Ce—O—Si鍵(jian)(jian)(jian)的(de)形(xing)(xing)成和Si—O—Si鍵(jian)(jian)(jian)的(de)斷裂(lie)速(su)度(du)影(ying)響。

        此外，氧(yang)化(hua)鈰也是一種(zhong)半導(dao)體光(guang)催(cui)化(hua)劑，存在可(ke)變價態（Ce4+、Ce3+）和豐富(fu)氧(yang)空位，結(jie)合了摩(mo)擦化(hua)學能力和光(guang)化(hua)學氧(yang)化(hua)活性，可(ke)應(ying)用于光(guang)催(cui)化(hua)輔(fu)助(zhu)的(de)拋光(guang)。

        除了上述幾種常見的磨粒外，CMP拋光中還可能使用到其他類型的磨料，如氧化鐵、碳化硅等。這些磨料在某些特定應用或特定材料拋光中可能具有優勢，在實際應用中需要考慮磨粒的粒徑、濃度等因素對拋光效果的影響。通過對磨粒的合理選擇和使用，可以實現高效、高精度的CMP拋光過程，滿足各種精密加工應用的需求。

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