化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing , CMP)，被認為是目前最好的實現(xiàn)全局平面化的工藝技術(shù)，它借助超微粒子的切削作用以及材料的化學腐蝕作用可以將材料表面拋光至光潔平坦，其開發(fā)歷史甚至可以追溯到第一次世界大戰(zhàn)。

第一次世界大戰(zhàn)，美國和加拿大率先使用氧化鈰，用于高射炮瞄準鏡等軍用設備的拋光

正是源于上圖中類似的應用開發(fā)，讓玻璃的表面研磨精度在那之后得到了很大程度的提高，從而使稀土拋光粉在世界上得到了廣泛應用。如今它們作為CMP拋光液中的關鍵材料，正被廣泛地應用于例如制造平板電視，集成電路等高利潤的電子產(chǎn)業(yè)。

當然，CMP可選擇的拋光粉并不只有氧化鈰，像氧化鋁、氧化硅、氧化鐵、氧化鋯、氧化鉻等也是常客。但不同的材料的硬度不同，在水中的化學性質(zhì)也不同，因此使用場合各不相同。今天這篇文章我們就把關注焦點放在氧化鈰拋光粉在CMP中的應用上。

一、氧化鈰的性能特征

CeO₂是目前性能最為優(yōu)良的稀土拋光材料之一，它具有較為適中的硬度，由于Ce元素具有多種價態(tài)且不同價態(tài)間易轉(zhuǎn)化，容易將玻璃表面物質(zhì)氧化或絡合，因此CeO₂被廣泛應用于手機屏幕、光學玻璃、液晶顯示器和硬盤等產(chǎn)品的化學機械拋光中。

CeO₂的結(jié)構(gòu)圖

與其它拋光材料（如TiO₂、Al₂O₃）相比，CeO₂具有以下特殊性質(zhì)：

①較強的化學活性及較高的氧化物-氮化物拋光選擇比；

②質(zhì)地柔軟(moh≈6.0)，拋光過程中對材料表面的劃痕較小；

③絕大多數(shù)高活性拋光材料為Lewis酸，CeO₂在堿性拋光條件下呈兩性性質(zhì)，能同時吸附陰、陽離子；

④拋光速率的可操作性強：當材料表面不平整時有較高的拋光速率；待表面平整后，在添加劑的作用下，拋光速率相對下降，甚至出現(xiàn)“自停止”(Self-Stop);

⑤操作環(huán)境清潔，對環(huán)境污染小，可循環(huán)使用。

基于上述優(yōu)點，CeO₂拋光漿料在光學玻璃、集成電路基板、精密閥門等領域得到大量研究和廣泛應用。

氧化鈰與其他兩種常用磨料SEM圖對比

（a）SiO₂；（b）Al₂O₃；（c）CeO₂

二、氧化鈰漿料化學機械拋光機理

各國學者對于CeO₂漿料拋光機理開展了廣泛的研究，提出了許多觀點和模型。其中，由Cook提出的化學成鍵拋光機理是目前公認的、較為合理的CMP機理，之后不斷得到學者的補充和實驗驗證。

其主要論點是：壓力作用下，水分子使SiO₂晶片表面羥基化，CeO₂首先與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，隨后，CeO₂與拋光平臺之間產(chǎn)生的機械力促使Si-O-Si鍵斷裂，SiO₂以Si(OH)。的形式隨CeO₂拋去。其中，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。

Hoshino采用全反射紅外光譜儀、等離子發(fā)射光譜儀及掃描電鏡對CeO₂在SiO₂表面的拋光產(chǎn)物和拋光機理進行了研究。作者贊成Cook提出的成鍵機理但更強調(diào)拋光過程中的機械作用，下圖為CeO₂顆粒的拋光機理示意圖。提出SiO₂是以塊狀而非Si(OH)₄形式被CeO₂拋去，拋光速度受Ce-O-Si鍵的形成和Si-0-Si鍵的斷裂速度影響。

CeO₂顆粒的拋光機理

三、氧化鈰拋光粉/液的應用現(xiàn)狀

氧化鈰拋光粉中的主要有效成分是CeO₂，另外含有少量其他稀土氧化物（如La₂O₃、Pr₆O₁₁、Nd₂O₃等）及添加元素F、S等。通常認為拋光材料中CeO₂的含量越高，拋光效率也就越高。其實對于CeO₂拋光材料而言，當CeO₂>40%（質(zhì)量分數(shù)）后，拋光效率得到明顯提高。在此基礎上再增加CeO₂的含量，增加效果就減緩了。

CeO₂拋光粉還可按照Ce含量的不同來分，不同CeO₂含量的拋光粉性能各異，下表是目前國內(nèi)外生產(chǎn)的部分拋光粉的性質(zhì)及應用領域。

后續(xù)再將拋光粉與pH值調(diào)節(jié)劑、分散劑、拋光助劑等混合就能制備出CeO₂拋光液（在拋光中可根據(jù)需要配置成不同濃度的CeO₂拋光液）。由于CeO₂拋光液拋光效率高，一般可達到0.8～1.5μm/min，而且粒子懸浮性好，拋光后易清理，因此通用性很強，常用于精密光學元件、晶體和藍寶石等的精密拋光過程，同時還可用于多重擴散硅片（儲存器硬盤基片）的高精度拋光，還可用于擴散片的拋光過程。

但要注意的是，當采用氧化鈰拋光粉作為磨料制備拋光液，分散懸浮穩(wěn)定性是重中之重，否則粒子較易團聚，容易導致工件劃傷；同時由于懸浮清洗性能不好，拋光液磨料損耗快，容易粘附在工件及機臺表面，使磨料沉底結(jié)塊，研磨拋光效率降低；另外拋光后工件表面殘留拋光粉多，難以清洗，為后段正常生產(chǎn)帶來困難。

資料來源：

胡小迎. 氧化鈰拋光粉的化學法制備及其性能的研究[D]. 山東:濟南大學,2014. DOI:10.7666/d.Y2570262.

劉軍,宋曉嵐. 二氧化鈰漿料拋光機理的研究進展[J]. 稀土,2012,33(1):68-73. DOI:10.3969/j.issn.1004-0277.2012.01.015.

呂逢嬌. 二氧化鈰拋光材料應用的研究進展[J]. 新材料產(chǎn)業(yè),2014(2):56-59. DOI:10.3969/j.issn.1008-892X.2014.02.013.

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