化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing , CMP)，被认为是目前最好的实现全局平面化的工艺技术，它借助超微粒子的切削作用以及材料的化学腐蚀作用可以将材料表面抛光至光洁平坦，其开发历史甚至可以追溯到第一次世界大战。

第一次世界大战，美国和加拿大率先使用氧化铈，用于高射炮瞄准镜等军用设备的抛光

正是源于上图中类似的应用开发，让玻璃的表面研磨精度在那之后得到了很大程度的提高，从而使稀土抛光粉在世界上得到了广泛应用。如今它们作为CMP抛光液中的关键材料，正被广泛地应用于例如制造平板电视，集成电路等高利润的电子产业。

当然，CMP可选择的抛光粉并不只有氧化铈，像氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化锆、氧化铬等也是常客。但不同的材料的硬度不同，在水中的化学性质也不同，因此使用场合各不相同。今天这篇文章我们就把关注焦点放在氧化铈抛光粉在CMP中的应用上。

一、氧化铈的性能特征

CeO₂是目前性能最为优良的稀土抛光材料之一，它具有较为适中的硬度，由于Ce元素具有多种价态且不同价态间易转化，容易将玻璃表面物质氧化或络合，因此CeO₂被广泛应用于手机屏幕、光学玻璃、液晶显示器和硬盘等产品的化学机械抛光中。

CeO₂的结构图

与其它抛光材料（如TiO₂、Al₂O₃）相比，CeO₂具有以下特殊性质：

①较强的化学活性及较高的氧化物-氮化物抛光选择比；

②质地柔软(moh≈6.0)，抛光过程中对材料表面的划痕较小；

③绝大多数高活性抛光材料为Lewis酸，CeO₂在碱性抛光条件下呈两性性质，能同时吸附阴、阳离子；

④抛光速率的可操作性强：当材料表面不平整时有较高的抛光速率；待表面平整后，在添加剂的作用下，抛光速率相对下降，甚至出现“自停止”(Self-Stop);

⑤操作环境清洁，对环境污染小，可循环使用。

基于上述优点，CeO₂抛光浆料在光学玻璃、集成电路基板、精密阀门等领域得到大量研究和广泛应用。

氧化铈与其他两种常用磨料SEM图对比

（a）SiO₂；（b）Al₂O₃；（c）CeO₂

二、氧化铈浆料化学机械抛光机理

各国学者对于CeO₂浆料抛光机理开展了广泛的研究，提出了许多观点和模型。其中，由Cook提出的化学成键抛光机理是目前公认的、较为合理的CMP机理，之后不断得到学者的补充和实验验证。

其主要论点是：压力作用下，水分子使SiO₂晶片表面羟基化，CeO₂首先与SiO₂生成Ce-O-Si键，由于玻璃表面易水解，继而形成Ce-O-Si(OH)₃键，随后，CeO₂与抛光平台之间产生的机械力促使Si-O-Si键断裂，SiO₂以Si(OH)。的形式随CeO₂抛去。其中，Ce-O-Si键的形成是反应的控制步骤，它的形成增大了抛光切应力。

Hoshino采用全反射红外光谱仪、等离子发射光谱仪及扫描电镜对CeO₂在SiO₂表面的抛光产物和抛光机理进行了研究。作者赞成Cook提出的成键机理但更强调抛光过程中的机械作用，下图为CeO₂颗粒的抛光机理示意图。提出SiO₂是以块状而非Si(OH)₄形式被CeO₂抛去，抛光速度受Ce-O-Si键的形成和Si-0-Si键的断裂速度影响。

CeO₂颗粒的抛光机理

三、氧化铈抛光粉/液的应用现状

氧化铈抛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。通常认为抛光材料中CeO₂的含量越高，抛光效率也就越高。其实对于CeO₂抛光材料而言，当CeO₂>40%（质量分数）后，抛光效率得到明显提高。在此基础上再增加CeO₂的含量，增加效果就减缓了。

CeO₂抛光粉还可按照Ce含量的不同来分，不同CeO₂含量的抛光粉性能各异，下表是目前国内外生产的部分抛光粉的性质及应用领域。

后续再将抛光粉与pH值调节剂、分散剂、抛光助剂等混合就能制备出CeO₂抛光液（在抛光中可根据需要配置成不同浓度的CeO₂抛光液）。由于CeO₂抛光液抛光效率高，一般可达到0.8～1.5μm/min，而且粒子悬浮性好，抛光后易清理，因此通用性很强，常用于精密光学元件、晶体和蓝宝石等的精密抛光过程，同时还可用于多重扩散硅片（储存器硬盘基片）的高精度抛光，还可用于扩散片的抛光过程。

但要注意的是，当采用氧化铈抛光粉作为磨料制备抛光液，分散悬浮稳定性是重中之重，否则粒子较易团聚，容易导致工件划伤；同时由于悬浮清洗性能不好，抛光液磨料损耗快，容易粘附在工件及机台表面，使磨料沉底结块，研磨抛光效率降低；另外抛光后工件表面残留抛光粉多，难以清洗，为后段正常生产带来困难。

资料来源：

胡小迎. 氧化铈抛光粉的化学法制备及其性能的研究[D]. 山东:济南大学,2014. DOI:10.7666/d.Y2570262.

刘军,宋晓岚. 二氧化铈浆料抛光机理的研究进展[J]. 稀土,2012,33(1):68-73. DOI:10.3969/j.issn.1004-0277.2012.01.015.

吕逢娇. 二氧化铈抛光材料应用的研究进展[J]. 新材料产业,2014(2):56-59. DOI:10.3969/j.issn.1008-892X.2014.02.013.

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