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，磨料作為機械作用和化學作用的直接實施者和傳遞者起到了非常關鍵的作用，其硬度、粒徑、形狀、用量等參數都會影響著拋光的具體效果。下面，小編將詳細的給大家介紹一下目前CMP中常用的幾種磨料。

        硅溶膠SiO2

        硅溶膠是CMP工藝中應用最廣的磨料之一，屬于軟性磨料。SiO2溶于水后會與水接觸形成Si—OH鍵，這使得它與大量的羥基相互附著形成硅溶膠。硅溶膠呈乳白色膠狀液體，其內部是Si—O—Si鍵相聯結而成的立體網狀結構，外部則包裹著帶負電的羥基，硅溶膠中的水分子解離形成H3O+在靜電作用下吸附于吸附層和擴散層，形成雙電子層結構，其厚度對硅溶膠在拋光液中的分散穩定性起關鍵作用。硅溶膠中納米粒子的直徑可以控制在10-150nm，不同粒徑的硅溶膠會產生不同的去除速率，通過有效的選擇可以滿足不同制程的需求；它機械磨損性能適中，選擇性和分散性良好，使得在拋光過程中對工件表面的損傷極小，加上硬度與單質硅接近，所以常用于硅、軟金屬等材料的拋光。

硅溶膠雙電子層示意圖（圖源：文獻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，可以有效去除硬質材料表面的突出部分，以實現較高的材料去除率；它在化學上相對穩定，不易與大多數化學物質發生反應，因此在CMP過程中能夠保持拋光液的壽命；與其他高級磨料相比，氧化鋁的成本相對較低，故在工業應用中更具有優勢。但由于氧化鋁磨料表面容易帶有正電荷或負電荷，從而產生靜電引力、范德華力等分子間作用力，在拋光液中較易產生團聚現象，加上其本身硬度較高，在CMP制程中如果操作不當，容易導致材料去除率不均勻，在材料表面造成機械損傷，因此在使用時需要謹慎。

        氧化鈰CeO2

        氧化鈰是一種具有優異拋光性能的磨料，其切削力強、拋光時間短、使用壽命長、拋光精度高，常應用于光學玻璃器件、電視機顯像管、半導體晶片等器件的拋光。氧化鈰在拋光過程中化學穩定性較好，不易與拋光液中的其他成分發生不良反應，有利于維持拋光液的穩定性和使用壽命，相對于一些其他磨料，它對環境的影響較小，符合當下綠色化學和可持續發展的要求。氧化鈰的莫氏硬度約為7，與玻璃的硬度相似，對SiO2質材料具有優異的拋光性能，即可以在兼顧表面質量的情況下，擁有較高的切削速率。

        *作用原理：在壓力作用下，拋光液中的水分子會使SiO2晶片表面羥基化，CeO2會與SiO2生成Ce—O—Si鍵，由于玻璃表面易水解，繼而形成Ce—O—Si(OH)3鍵，CeO2與拋光平臺之間產生的機械力促使Si—O—Si鍵斷裂，SiO2會以塊狀的形式被CeO2拋去在這個過程中，Ce—O—Si鍵的形成是反應的控制步驟，它的形成增大了拋光切應力，整個拋光速度受Ce—O—Si鍵的形成和Si—O—Si鍵的斷裂速度影響。

        此外，氧化鈰也是一種半導體光催化劑，存在可變價態（Ce4+、Ce3+）和豐富氧空位，結合了摩擦化學能力和光化學氧化活性，可應用于光催化輔助的拋光。

        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。

        參考文獻：

        1、趙琦.單晶硅元件CMP加工表面劃痕去除和清洗工藝研究[D].哈爾濱工業大學.

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