隨著集成電路、光電子器件及先進顯示面板等高端制造領域的迅速發展，對材料表面平整度與潔凈度提出了極高要求，而化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）正是現階段實現超精密表面加工的主要技術之一。

目前，氧化鈰（CeO₂）因其優異的化學活性和機械性能，在硅等材料的拋光過程中，能夠獲得高的MRR和好的表面質量，受到了業界的廣泛重視。而隨著氧化鈰在CMP中的應用不斷拓展，其相關研究也越發深入，以下將從作用機理、關鍵性能調控手段等角度分享相關成果。

氧化鈰粉體

一、氧化鈰的拋光原理

氧化鈰（CeO?）的拋光原理主要是化學-機械協同作用機制，即通過氧化鈰顆粒的機械磨削作用和其與被拋光材料之間的表面化學反應共同作用，實現高效、平滑和選擇性的材料去除。以下是詳細解析：

①化學作用

氧化鈰具有獨特的Ce??/Ce3?氧化還原特性，在水溶液環境中，其表面能夠與許多材料發生化學反應，尤其是含氧化物表面的材料（如SiO?、玻璃、藍寶石、鉭等）。

以CeO?與SiO?的作用機制為例：

l 在pH合適（如弱酸性或中性）條件下，CeO?可以與SiO?表面的羥基形成氫鍵或共價鍵橋接結構，進而使得CeO?表面活性位點對Si原子有一定親和力；

l 這種化學吸附使得被拋光材料表面生成弱鍵合的硅氧化物中間層（如[Ce–O–Si]鍵）；

l 該中間層較原始SiO?更易斷裂，從而被顆粒進一步機械剝離。

在CMP過程中Ce-O-Si成鍵機制示意圖

②機械作用

氧化鈰作為硬質納米顆粒，其粒子通常具有一定硬度（莫氏硬度約6–7），可以在壓力和運動下，對材料表面施加局部剪切力或摩擦力，實現微納尺度的物理磨削和去除。

③協同機制

氧化鈰CMP拋光可以被視作如下三步協同過程：

l CeO?表面與基材發生表面化學反應，形成中間層；

l CeO?粒子在機械力作用下，將反應生成的中間層帶走；

l 新表面暴露后繼續反應，重復以上步驟。

二、關鍵的性能調控參數

①粒徑

磨料粒徑對CMP拋光性能的影響具有較強的復雜性，既涉及機械研磨過程，也影響化學反應機制。Wang等研究表明，粒徑為100 nm的氧化鈰磨料具有最高的材料去除率（MRR），而粒徑為10 nm的磨料則因比表面積大，化學反應活性強，也表現出較高的MRR。Zhang等通過原子力顯微鏡分析發現，大粒徑顆粒在較大載荷下更易產生深劃痕和較強摩擦力，從而提高MRR。Xu等則觀察到粒徑越大，表面粗糙度反而越低、MRR越小，認為與化學-機械協同機制相關。Kim等綜合多因素分析指出，粒徑影響因素包括接觸面積、劃痕深度、接觸次數、動量和化學活性等，不同因素共同作用下形成復雜結果。部分研究發現小粒徑磨料也可獲得較高MRR，說明粒徑與拋光性能之間并非簡單線性關系，相關機制仍需進一步理論建模與試驗驗證。

②形貌與結構

氧化鈰磨料的形貌和結構對CMP性能具有顯著影響。Zheng等發現，片狀CeO?磨料雖然MRR最高，但因邊緣銳利易產生劃痕；近球形磨料則在保持較高MRR的同時顯著降低了表面粗糙度，拋光質量最優。Ni等與Xu等的研究進一步證實，八面體磨料因棱角明顯、摩擦力大，具備更高的機械去除能力，但表面粗糙度相對較高；球形磨料則以滾動方式參與拋光，摩擦較小，損傷更輕。Li等指出，煅燒溫度對CeO?形貌與硬度有調控作用，過高溫度可能降低其化學活性，從而影響MRR。

此外，核殼結構的CeO?磨料也受到廣泛關注。Chen等制備的多孔SiO?@CeO?核殼磨料在拋光中表現出更高的MRR和更小的表面粗糙度，歸因于其低密度內核增加了接觸面積、減小了劃痕深度。Wang等與Gao等的研究也表明，彈性或介孔內核結構有助于優化顆粒與工件表面的接觸行為，減小局部應力集中，從而降低損傷并提升整體拋光質量。

綜上，片狀、八面體等非球形CeO?磨料在低濃度條件下具備較高MRR，但易引入表面缺陷；而球形、近球形及核殼結構磨料在高濃度下更能兼顧材料去除率與表面質量，綜合拋光性能更為優異。

氧化鈰粉體TEM圖像

③Ce3?濃度

Ce3?濃度是影響納米CeO?磨料化學活性與拋光性能的關鍵因素之一。摻雜被廣泛用于提升Ce3?含量，Chen等通過摻雜Zr??和Gd3?顯著提高了磨料中Ce3?濃度和氧空位密度，MRR分別提高44%和78%。其他如La3?、Nd3?、Er3?、Sm3?等離子的摻雜同樣可引起晶格畸變，促進Ce3?生成，進而增強化學反應性。

除摻雜外，煅燒溫度對Ce3?含量也有調控作用。Jano?等發現，600–1000℃煅燒可顯著提高Ce3?比例。還原氣氛處理同樣有效，Lee等在1000℃、H?/Ar環境下處理CeO?后，Ce3?濃度升至33.5%，MRR提升近38%。此外，水熱合成溫度、前驅體轉化路徑等因素也顯著影響Ce3?比例。Xu等的兩步熔鹽法制備技術有效提升了Ce3?含量，并改善了拋光后表面質量。

綜上，Ce3?濃度的提升可增加表面活性位點，增強化學作用，從而顯著提升CMP中CeO?磨料的去除效率和表面質量。

四、結語

綜上所述，氧化鈰磨料的拋光性能由粒徑、形貌和Ce3?濃度等多因素共同決定，而優化結構和調控活性是提升其CMP表現的關鍵方向。未來有望通過更精細的材料設計，進一步提升其應用效果和適用范圍，推動其向更高效率、更低損傷、更廣適應性的方向發展。

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