化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是一種超精密的表面加工技術(shù)，其通過化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨削的雙重耦合作用，來實(shí)現(xiàn)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(jī)械作用和化學(xué)作用的直接實(shí)施者和傳遞者起到了非常關(guān)鍵的作用，其硬度、粒徑、形狀、用量等參數(shù)都會影響著拋光的具體效果。下面，小編將詳細(xì)的給大家介紹一下目前CMP中常用的幾種磨料。
單晶硅CMP加工示意圖（圖源：文獻(xiàn)1）
硅溶膠SiO2
硅溶膠是CMP工藝中應(yīng)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(nèi)部是Si—O—Si鍵相聯(lián)結(jié)而成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，外部則包裹著帶負(fù)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(kuò)散層，形成雙電子層結(jié)構(gòu)，其厚度對硅溶膠在拋光液中的分散穩(wěn)定性起關(guān)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(chǎn)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(jī)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)異性相，其中α-Al2O3因具備高強(qiáng)度、高硬度、高電阻率等諸多優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航天、磨料、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。氧化鋁表面細(xì)膩，質(zhì)地堅(jiān)硬，莫氏硬度約為9，僅次于金剛石，可以有效去除硬質(zhì)材料表面的突出部分，以實(shí)現(xiàn)較高的材料去除率；它在化學(xué)上相對穩(wěn)定，不易與大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，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(yè)應(yīng)用中更具有優(yōu)勢。但由于氧化鋁磨料表面容易帶有正電荷或負(fù)電荷，從而產(chǎn)生靜電引力、范德華力等分子間作用力，在拋光液中較易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，加上其本身硬度較高，在CMP制程中如果操作不當(dāng)，容易導(dǎo)致材料去除率不均勻，在材料表面造成機(jī)械損傷，因此在使用時(shí)需要謹(jǐn)慎。
氧化鋁SEM圖（圖源：文獻(xiàn)3）
氧化鈰CeO2
氧化鈰是一種具有優(yōu)異拋光性能的磨料，其切削力強(qiáng)、拋光時(shí)間短、使用壽命長、拋光精度高，常應(yīng)用于光學(xué)玻璃器件、電視機(jī)顯像管、半導(dǎo)體晶片等器件的拋光。氧化鈰在拋光過程中化學(xué)穩(wěn)定性較好，不易與拋光液中的其他成分發(fā)生不良反應(yīng)，有利于維持拋光液的穩(wěn)定性和使用壽命，相對于一些其他磨料，它對環(huán)境的影響較小，符合當(dāng)下綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)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(zhì)材料具有優(yōu)異的拋光性能，即可以在兼顧表面質(zhì)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(chǎn)生的機(jī)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(gè)過程中，Ce—O—Si鍵的形成是反應(yīng)的控制步驟，它的形成增大了拋光切應(yīng)力，整個(gè)拋光速度受Ce—O—Si鍵的形成和Si—O—Si鍵的斷裂速度影響。
氧化鈰顆粒的拋光機(jī)理
此外，氧化鈰也是一種半導(dǎo)體光催化劑，存在可變價(jià)態(tài)（Ce4+、Ce3+）和豐富氧空位，結(jié)合了摩擦化學(xué)能力和光化學(xué)氧化活性，可應(yīng)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(yīng)用或特定材料拋光中可能具有優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)高效、高精度的CMP拋光過程，滿足各種精密加工應(yīng)用的需求。
