在精密抛光领域，长期存在一个根深蒂固的共识：磨粒形貌越接近完美球形，滚动越顺畅，就能最大程度避免棱角划伤，抛光后的工件表面质量就越高，因此球形磨料长期主导着半导体晶圆、光学元件等超精密加工场景的磨料选型。然而，随着先进制造对高效、低损伤、高一致性抛光需求的激增，以及磨粒形貌可控合成技术的突破，近年的理论研究与抛光实践表明：完美球形并非抛光性能的最优解。一类形似蚕茧或哑铃的非球形二氧化硅磨粒，凭借独特的几何结构与界面作用机制，成为精密抛光领域的突破性新选择。

球形磨粒的固有效率困境

球形二氧化硅磨粒表面无棱角、粒径均匀、分散性好，是目前精密化学机械抛光（CMP）的主流磨料，抛光后工件表面粗糙度可低至纳米级，几乎无深层损伤。但在抛光过程中，球形二氧化硅磨粒的运动模式通常为随机的纯滚动或者滑移滚动形式，一方面磨粒难以稳定嵌合在抛光垫纤维间隙中持续作用于工件表面，单个磨粒在任一方向上持续犁削的时间极短，无法很好的发挥微切削或者摩擦作用。另一方面，在抛光过程中，磨粒与工件表面的接触为点接触，刮擦覆盖范围小的同时，极小的接触面积也使得法向应力集中，但切向剪切力不足，存在材料去除率偏低，抛光周期长的局限，难以有效去除工件表面的氧化层或微观凸起。此外，部分磨粒甚至会被抛光液流带离加工区域，导致耗材利用率较高。因此，当需要兼顾高效率与高质量时，球形颗粒往往显得力不从心。

球形磨粒去除机制

哑铃状（茧形）磨粒的形貌特点与抛光机制

哑铃状磨粒通过两个氧化硅小颗粒连接在一起形成的一维长轴、两端圆润膨大、中间细颈连接的非球形颗粒，其形貌酷似蚕茧或哑铃，长径比通常控制在1.5–3.0之间，表面光滑无尖锐棱角，既保留了球形磨粒低损伤的优势，又通过解决了球形磨粒的效率困境。

（来源：参考文献1）

与球形磨粒的压入-滑动机制不同，哑铃状磨粒在抛光受力时，而是以长轴平行于工件表面的姿态稳定滑动或小角度转动的模式运动，其两端膨大区域提供均匀支撑，避免了应力集中，抛光过程中不会对工件表面造成深层划伤或亚表面损伤，而细颈区域则能够很好地牵制磨粒的运动，限制了其随机滚动或滑动，磨粒不会轻易绕开材料表面的微凸起，而是能够产生稳定的切向剪切力，通过持续刮擦工件表面，高效去除工件表面软化层、凸起、毛刺或不平整处。

哑铃状（茧形）磨粒的制备

哑铃状二氧化硅磨粒的规模化应用，核心依赖于形貌可控的制备技术。然而当前工业上仍缺乏相关的制备技术，目前已报道的制备方法有：

1、阴离子诱导辅助生长法

董越等在离子交换法的基础上，通过在氧化硅晶种溶液中添加一定量的（阴离子诱导剂），并在其中以恒定速率滴加活性硅酸溶液．同时调节溶液pH=10，直至反应结束。经实验证明，在该过程中，钨酸盐的加入一方面会压缩颗粒的双电层厚度，增加颗粒碰撞、聚集的可能性。另一方面，其在水溶液中存在水解反应动态平衡，可以形成含有羟基的基团，而该基团可与氧化硅小颗粒的表面羟基发生缩合反应，生成新的化学键，从而实现连接。连接形成后，哑铃形氧化硅颗粒通过活性硅 酸溶液进一步生长，使磨粒的结构更加致密、稳定。

阴离子诱导辅助生长原理（来源：参考文献1）

2、TEOS水解法

TEOS水解法是以硅酸酯（如正硅酸乙酯，TEOS）为硅源，在醇类溶剂中经酸/碱催化水解、缩聚生成二氧化硅纳米颗粒，其颗粒的形貌控制是水解、成核及颗粒生长三者之间复杂的竟争过程。邹雪艳等通过调节TEOS加入方式、氨水浓度、TEOS浓度等控制TEOS的水解、颗粒成核以及生长的过程，发现单体在高浓度下有利于单体成核，低浓度则有利于颗粒均匀生长，因此可在高氨水浓度和快速加人条件下，通过加速水解过程，得到单体浓度较高的溶液，这些单体在成核生长的同时，还会在已生长的微球表面继续形成新核，从而形成哑铃形微球。不过需要注意的是，过高的氨水含量会使得TEOS水解速度快且彻底，二次成核比较严重，微球之间也易于通过表面羟基间的氢键而粘连，颗粒易团聚且粒径分布宽。

不同氨水用量制备的二氧化硅（氨水用量从左到右依次递增）（来源：参考文献2）

小结

哑铃状（茧形）二氧化硅磨粒以其独特的非球形几何结构，成功打破了“完美球形即最优抛光性能”的传统认知。它既保留了球形磨粒表面光滑无棱角所带来的低损伤特性，又通过一维长轴与细颈结构实现了稳定的切向剪切与持续刮擦作用，从而在高效去除材料与保证表面质量之间取得了理想的平衡。尽管目前该类磨粒的形貌可控规模化制备仍面临挑战，但随着阴离子诱导辅助生长、TEOS水解法等合成技术的不断优化，以及先进制造对高一致性、高材料去除率抛光需求的持续驱动，哑铃状磨粒有望成为下一代精密抛光领域的核心磨料选择，为半导体晶圆、光学元件等超精密加工场景提供更优的技术路径与工程解决方案。

参考文献：

1、董越,雷红,刘文庆. 哑铃形氧化硅磨粒的制备及其化学机械抛光性能[J]. 上海大学学报（自然科学版）.

2、邹雪艳,赵彦保,李宾杰. 不同形貌纳米二氧化硅的制备及形成机理研究[J]. 化学研究.

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