随着集成电路、光电子器件及先进显示面板等高端制造领域的迅速发展，对材料表面平整度与洁净度提出了极高要求，而化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）正是现阶段实现超精密表面加工的主要技术之一。

目前，氧化铈（CeO₂）因其优异的化学活性和机械性能，在硅等材料的抛光过程中，能够获得高的MRR和好的表面质量，受到了业界的广泛重视。而随着氧化铈在CMP中的应用不断拓展，其相关研究也越发深入，以下将从作用机理、关键性能调控手段等角度分享相关成果。

氧化铈粉体

一、氧化铈的抛光原理

氧化铈（CeO₂）的抛光原理主要是化学-机械协同作用机制，即通过氧化铈颗粒的机械磨削作用和其与被抛光材料之间的表面化学反应共同作用，实现高效、平滑和选择性的材料去除。以下是详细解析：

①化学作用

氧化铈具有独特的Ce⁴⁺/Ce³⁺氧化还原特性，在水溶液环境中，其表面能够与许多材料发生化学反应，尤其是含氧化物表面的材料（如SiO₂、玻璃、蓝宝石、钽等）。

以CeO₂与SiO₂的作用机制为例：

l 在pH合适（如弱酸性或中性）条件下，CeO₂可以与SiO₂表面的羟基形成氢键或共价键桥接结构，进而使得CeO₂表面活性位点对Si原子有一定亲和力；

l 这种化学吸附使得被抛光材料表面生成弱键合的硅氧化物中间层（如[Ce–O–Si]键）；

l 该中间层较原始SiO₂更易断裂，从而被颗粒进一步机械剥离。

在CMP过程中Ce-O-Si成键机制示意图

②机械作用

氧化铈作为硬质纳米颗粒，其粒子通常具有一定硬度（莫氏硬度约6–7），可以在压力和运动下，对材料表面施加局部剪切力或摩擦力，实现微纳尺度的物理磨削和去除。

③协同机制

氧化铈CMP抛光可以被视作如下三步协同过程：

l CeO₂表面与基材发生表面化学反应，形成中间层；

l CeO₂粒子在机械力作用下，将反应生成的中间层带走；

l 新表面暴露后继续反应，重复以上步骤。

二、关键的性能调控参数

①粒径

磨料粒径对CMP抛光性能的影响具有较强的复杂性，既涉及机械研磨过程，也影响化学反应机制。Wang等研究表明，粒径为100 nm的氧化铈磨料具有最高的材料去除率（MRR），而粒径为10 nm的磨料则因比表面积大，化学反应活性强，也表现出较高的MRR。Zhang等通过原子力显微镜分析发现，大粒径颗粒在较大载荷下更易产生深划痕和较强摩擦力，从而提高MRR。Xu等则观察到粒径越大，表面粗糙度反而越低、MRR越小，认为与化学-机械协同机制相关。Kim等综合多因素分析指出，粒径影响因素包括接触面积、划痕深度、接触次数、动量和化学活性等，不同因素共同作用下形成复杂结果。部分研究发现小粒径磨料也可获得较高MRR，说明粒径与抛光性能之间并非简单线性关系，相关机制仍需进一步理论建模与试验验证。

②形貌与结构

氧化铈磨料的形貌和结构对CMP性能具有显著影响。Zheng等发现，片状CeO₂磨料虽然MRR最高，但因边缘锐利易产生划痕；近球形磨料则在保持较高MRR的同时显著降低了表面粗糙度，抛光质量最优。Ni等与Xu等的研究进一步证实，八面体磨料因棱角明显、摩擦力大，具备更高的机械去除能力，但表面粗糙度相对较高；球形磨料则以滚动方式参与抛光，摩擦较小，损伤更轻。Li等指出，煅烧温度对CeO₂形貌与硬度有调控作用，过高温度可能降低其化学活性，从而影响MRR。

此外，核壳结构的CeO₂磨料也受到广泛关注。Chen等制备的多孔SiO₂@CeO₂核壳磨料在抛光中表现出更高的MRR和更小的表面粗糙度，归因于其低密度内核增加了接触面积、减小了划痕深度。Wang等与Gao等的研究也表明，弹性或介孔内核结构有助于优化颗粒与工件表面的接触行为，减小局部应力集中，从而降低损伤并提升整体抛光质量。

综上，片状、八面体等非球形CeO₂磨料在低浓度条件下具备较高MRR，但易引入表面缺陷；而球形、近球形及核壳结构磨料在高浓度下更能兼顾材料去除率与表面质量，综合抛光性能更为优异。

氧化铈粉体TEM图像

③Ce³⁺浓度

Ce³⁺浓度是影响纳米CeO₂磨料化学活性与抛光性能的关键因素之一。掺杂被广泛用于提升Ce³⁺含量，Chen等通过掺杂Zr⁴⁺和Gd³⁺显著提高了磨料中Ce³⁺浓度和氧空位密度，MRR分别提高44%和78%。其他如La³⁺、Nd³⁺、Er³⁺、Sm³⁺等离子的掺杂同样可引起晶格畸变，促进Ce³⁺生成，进而增强化学反应性。

除掺杂外，煅烧温度对Ce³⁺含量也有调控作用。Janoš等发现，600–1000℃煅烧可显著提高Ce³⁺比例。还原气氛处理同样有效，Lee等在1000℃、H₂/Ar环境下处理CeO₂后，Ce³⁺浓度升至33.5%，MRR提升近38%。此外，水热合成温度、前驱体转化路径等因素也显著影响Ce³⁺比例。Xu等的两步熔盐法制备技术有效提升了Ce³⁺含量，并改善了抛光后表面质量。

综上，Ce³⁺浓度的提升可增加表面活性位点，增强化学作用，从而显著提升CMP中CeO₂磨料的去除效率和表面质量。

四、结语

综上所述，氧化铈磨料的抛光性能由粒径、形貌和Ce³⁺浓度等多因素共同决定，而优化结构和调控活性是提升其CMP表现的关键方向。未来有望通过更精细的材料设计，进一步提升其应用效果和适用范围，推动其向更高效率、更低损伤、更广适应性的方向发展。

粉体圈NANA整理