综述：近期在铈纳米颗粒合成方面的进展及其在化学机械抛光中的应用

化学机械抛光（CMP）中氧化铈（CeO?）纳米磨料通过化学腐蚀与机械研磨协同作用实现硅片超精密抛光，其性能受粒径、形貌、孔结构及Ce3?离子浓度调控。本文系统综述CeO?纳米粒子的可控合成方法，分析其物理特性与CMP效率、表面质量的关联机制，并探讨未来优化方向。

　　

郝东|赵远张|杨松培|袁伟|孙凌东|严春华

北京国家分子科学实验室，稀土材料化学与应用国家重点实验室，北京大学-香港科技大学稀土材料与生物无机化学联合实验室，北京大学化学与分子工程学院，北京100871，中国

摘要

化学机械抛光（CMP）结合了化学腐蚀和机械研磨，已成为先进制造表面处理技术的基石，特别是在集成电路行业中硅晶圆的超精密抛光方面。作为CMP的核心，磨料在决定抛光性能方面起着关键作用。氧化铈（CeO₂）纳米颗粒因其适中的硬度和独特的提供Ce³⁺离子的能力而脱颖而出，这些离子通过经典的“化学齿模型”形成Ce-O-Si键，从而实现高度选择性的SiO₂层抛光。在过去的几十年中，人们对基于CeO₂的磨料进行了大量研究，以揭示其复杂的CMP机制并提高其性能，旨在提高材料去除率的同时保持优异的表面质量。在这篇综述中，我们总结了基于CeO₂的磨料在CMP领域的最新进展。首先，我们介绍了CeO₂纳米颗粒的可控合成方法以及调整其尺寸、形态和几何结构的方法，这些对于满足不同的CMP要求至关重要。随后，讨论了物理特性对抛光性能的影响。最后，我们展望了CeO₂磨料未来的发展方向，强调了进一步进行成分和结构优化的研究。这篇综述有望为相关领域的研究人员提供有价值的资源，指导未来基于CeO₂的磨料的研究工作。

引言

化学机械抛光（CMP）是一种精密的表面处理技术，其中工件在受控压力下相对于抛光垫旋转，这一过程通过引入抛光浆料来实现。该技术利用悬浮在浆料中的磨料颗粒的化学反应性和机械磨损作用，精细地去除工件表面的材料，从而获得高度平整、光滑的表面。1, 2, 3 CMP的概念最初由Walsh及其同事在1965年提出。4 目前，它已成为先进制造的关键技术，特别是在集成电路行业的半导体加工、超精密光学器件制造等领域。5 具有全局平面化和高均匀性的超光滑且损伤最小的表面对于先进电子和光学设备的性能和可靠性至关重要。CMP的主要目标是精确控制材料去除率（MRR）和表面质量，即表面粗糙度和表面缺陷。为此，开发出合格的抛光磨料是必不可少的。

磨料的成分和物理特性（包括硬度、尺寸、形状等）直接决定了最终产品的抛光速率、均匀性和表面质量。6 在过去的几十年中，基于SiO₂、Al₂O₃和CeO₂的磨料得到了广泛研究，其中基于CeO₂的磨料因其出色的抛光质量、高耐用性、低成本和环境兼容性而受到广泛关注。基于CeO₂的磨料之所以具有优异的抛光性能，是因为它们具有适当的硬度，并且能够提供Ce³⁺离子，这些离子可以通过经典的“化学齿模型”与SiO₂基底形成强固的Ce–O–Si键（图1(a)）。10, 11, 12 这一过程有助于去除表面缺陷和突起，因为新形成的Ce–O–Si键比原始的Si–O–Si键更牢固。此外，CeO₂对SiO₂/Si₃N₄具有很高的抛光选择性，这对于由SiO₂和Si₃N₄层组成的结构的浅沟隔离（STI）工艺特别有利，因为抛光会自然地在氮化物层停止。13, 14, 15

人们投入了大量努力来合成具有明确特性的CeO₂磨料及其在CMP中的应用。迄今为止，已经可以通过多种方法获得不同尺寸（从纳米到微米）、不同形态（如球形、锐利边缘的立方体、八面体、棒状）和不同几何结构（介孔结构和核壳结构）的CeO₂颗粒。16, 17, 18 此外，还可以调节Ce³⁺离子的比例。19 这些物理特性对CeO₂磨料抛光性能的影响（包括MRR和表面质量）已经得到了全面评估。20 目前，使用CeO₂磨料已经实现了接近原子级的平面化。21 理解这些属性与抛光结果之间的复杂关系具有重要意义。

在这篇综述中，我们总结了基于CeO₂的磨料在CMP领域的最新进展（图1(b)）。首先介绍了CeO₂的合成方法以及调整其物理特性的方法，包括尺寸、形态、几何结构和Ce³⁺离子的比例。随后，讨论了这些物理特性对CMP性能的影响，旨在阐明其背后的原理，并为设计适合特定CMP需求的CeO₂磨料提供见解。最后，展望了基于CeO₂的磨料在提高抛光效率和精度方面的发展前景。

章节片段

CeO₂纳米颗粒的合成方法

具有均匀尺寸和形状的单分散CeO₂纳米颗粒能够精确控制其物理和化学性质，这对于实现可预测和可重复的CMP性能至关重要。近年来，在CeO₂纳米颗粒的合成方法开发方面取得了显著进展。16 这不仅归因于它们在CMP中的不可或缺的应用，还归因于它们在催化、22 固态氧化物燃料电池等领域的巨大潜力。23

CeO₂的物理特性对CMP的影响

CeO₂磨料的CMP性能取决于机械和化学因素，包括尺寸分布、形态特征、Ce³⁺比例以及所应用的CMP条件。本节将讨论这些因素对MRR和表面质量的影响。

结论与展望

在这篇综述中，我们总结了CeO₂纳米颗粒的合成及其在CMP中的应用方面的最新进展。CMP结合了化学腐蚀和机械研磨的协同优势，对于实现现代制造中的全局平面化至关重要，其中CeO₂纳米颗粒作为主要的磨料。溶液处理的热分解和水热方法能够精确控制纳米颗粒的特性，包括尺寸和形态。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。