在CMP抛光中，磨料是决定抛光效率和表面质量的核心组分，但常规的单一磨料往往无法兼顾抛光效率和表面质量，物理混合磨料又存在组分分布不均、稳定性差、易沉降等问题，而核壳结构复合磨粒则提供了一条巧妙的解决思路，用一种材料做内核提供稳定的机械支撑，用另一种材料做外壳承担化学作用，两者协同，取长补短。在众多核壳组合中，SiO₂@CeO₂复合磨粒是最具代表性的一种。本篇文章，我们从SiO₂@CeO₂复合磨粒的结构设计逻辑出发，围绕蓝宝石晶片抛光、芯片层间介质平坦化、玻璃衬底抛光和单晶碳化硅抛光等典型应用场景，介绍SiO₂@CeO₂核壳结构复合磨料如何应对不同材料的抛光挑战。

来源：参考文献

SiO₂@CeO₂核壳磨料的抛光机制与优势

SiO₂@CeO₂核壳磨料采用经典的核包覆结构，颗粒内部为球形二氧化硅内核，质地均匀、球形度高，具备良好的结构稳定性和适度的机械硬度。颗粒外层包裹一层致密均匀的纳米二氧化铈壳层。相比于单一磨料和混合磨料，SiO₂@CeO₂核壳磨料的工业应用优势十分突出：

（1）兼顾抛光效率与表面质量：SiO₂作为内核，其硬度略高于CeO₂，可以很好地支撑颗粒，提供良好的机械研磨作用，提升抛光效率，而CeO₂化学活性强，作为外壳通过化学反应加速材料去除，提升抛光效率，同时减少表面划伤，降低表面粗糙度。

（2） 改善形貌与分散性，提升抛光稳定性

纯二氧化铈纳米颗粒比表面积大、极易团聚结块，而核壳结构将活性二氧化铈均匀固定在二氧化硅颗粒表面，不仅解决了粉体团聚问题，而且形貌更规则，抛光过程更稳定，批次加工一致性更好。

（3）加工针对性强、选择性高：通过调控壳层厚度、颗粒粒径，可精准适配不同材质工件的抛光需求，能够精准去除目标表层材料，同时有效保护基底结构不被磨损，尤其适合多层结构、精密薄膜工件的平坦化加工。

（4）降低综合成本：CeO₂成本较高，采用SiO₂作为内核可大幅减少CeO₂的用量，在保持CeO₂高效抛光特性的同时，显著降低磨料的生产成本。

SiO₂@CeO₂核壳磨料的典型应用场景

依托独特的结构和性能优势，SiO₂@CeO₂核壳磨料已广泛应用于半导体、光学元件、精密硬质基材、微电子软质材料等高端抛光领域，是目前超精密加工行业的主流新型磨料之一。

1、芯片介质层（ILD）CMP平坦化抛光

在集成电路中，为了隔离器件区域与金属布线层，SiO₂被广泛用作层间介质（ILD）。芯片内部有多层金属互连层，每两层之间都需要一层SiO₂绝缘介质，以提供物理支撑和电气绝缘，确保信号不会在不同金属层之间发生短路或串扰。

在制作过程中，每一层介质沉积后都必须平坦化才能继续下一层，而其抛光的核心难点是多层结构的差异化抛光，SiO₂@CeO₂复合磨粒能快速断裂介质层表面的硅氧键，软化表层材料，再利用二氧化硅内核进行温和磨削，不仅实现了SiO₂的高效、选择性去除，也避免单一磨粒对复杂材料体系造成的过度腐蚀或去除不均，满足先进封装和芯片微型化的加工需求。

2、光学元件抛光

光学玻璃、石英玻璃、蓝宝石晶片、精密光学透镜等元件属于功能性精密器件，成品直接用于成像、透光、激光传输等高精度场景，因此对材料的表面平整度、透光率、光洁度要求极高，表面微小的划痕、坑点都会直接都会造成透光散射、成像畸变、激光损耗，因此抑制加工带来的微观缺陷，保真光学性能是其加工的的核心要求。SiO₂@CeO₂核壳磨料颗粒形貌均一、无团聚大颗粒，同时保留了CeO₂外壳优异的化学活性，可实现可控、均匀、平稳的全域抛光，加工过程中不会产生亚表面裂纹、残余划痕等隐性损伤，保证各类光学元件的面形精度和表面平坦度，成品无光学缺陷。

3、蓝宝石抛光

蓝宝石衬底是LED产业的基础材料，为了实现蓝宝石最终的镜面抛光，往往采用二氧化硅基抛光体系，依靠碱性环境下界面固相化学反应 + 纳米级微弱机械作用实现原子级逐层剥离，而SiO₂@CeO₂核壳磨料采用“硬核（SiO2）包覆软壳（CeO2）”的结构，不仅能利用内核提供一定的机械支撑力，同时相比纯二氧化硅，其单个磨粒在蓝宝石表面的压痕深度更小，能显著降低表面粗糙度，表面更平整，能更好地满足蓝宝石作为LED衬底等高端领域对表面质量（Ra<3）的严苛要求。

小结

SiO₂@CeO₂核壳复合磨料凭借高效、低损、高稳定、高选择性的优势，已成为半导体CMP抛光、高端光学元件、精密基材、微电子材料加工等超精密加工领域极具潜力的升级换代方案。然而，当前SiO₂@CeO₂核壳磨料从实验室研究到大规模产业化应用，仍面临若干亟待突破的瓶颈，比如壳层包覆的均匀性和可控性、规模化制备的成本与效率、不同抛光液配方（pH、分散剂、氧化剂）的适配性研究等未来行业需重点聚焦制备工艺迭代与流程优化，攻克低成本、高一致性量产关键技术，进一步提升该类复合磨料的产业化应用潜力。

参考文献：

白林山,熊伟,储向峰,等. SiO2/CeO2复合磨粒的制备及在蓝宝石晶片抛光中的应用[J]. 光学精密工程.

粉体圈Corange整理