【原创【�/font>最常用5大磨料：敢打硬仗，能打胜仗！

中国粉体网讯在现代制造业中，切磨抛是非常非常常见又非常非常重要的加工手段。尤其在半导体及光学材料等高精尖行业的精密加工中，切磨抛手段需要做到极致。其中的主角—–�span style="color: rgb(0, 112, 192);">磨料，则成为了关键材料、�/span>

在半导体制程中，作为唯一可以实现全局平坦化的关键技术，化学机械抛光技术（CMP）在硅晶片的抛光、浅槽隔离、铜互连等等多个环节必不可少。该技术通过化学腐蚀与机械去除进行协同作用实现抛光，抛光液中的氧化剂负责与被抛光材料表面发生氧化反应，在表面形成一层氧化物薄膜＋�span style="color: rgb(0, 112, 192);">然后磨料再出手把这层氧化物薄膜划擦掉、�/span>

化学机械抛光装置结构示意国�/p>

据了解，CMP抛光材料在半导体材料中价值量占比�?%，抛光液在CMP抛光材料成本中占比达49%，而磨料约占抛光液成本�?0%-70%、�/p>

可见磨料有多重要�?/strong>

01.最常用——二氧化硄�/strong>

二氧化硅硬度适中、形状规则，抛光后可获得较好的表面质量，SiO2磨料在溶液中易形成稳定分散的无定型硅溶胶，其表面含有大量水和羟基。硅溶胶由胶核、吸附层和扩散层构成，其中吸附层和扩散层构成硅溶胶特殊的双电层结构，这是其悬浮稳定性的保证、�/p>

图片来源：河北硅研，科翰硅制�?/p>

硅溶胶抛光液具有很多优良的物理化学性能，如大的比表面积、高吸附性能、耐热性、绝缘性及分散性，凭借以上特性，二氧化硅成为最常用的抛光液磨料，被广泛应用于半导体、蓝宝石、合金、陶瓷等材料的抛光、�/p>

02.抛光粉之王——氧化铈

铈是镧系元素的第二个元素，也是地球上�?5个最丰富的元素，它几乎与铜储量一样丰富、�/p>

图片来源：天骄清羍�/p>

在自然状态下，氧化铈（CeO2）是最常见、最稳定的铈氧化物。氧化铈通常呈现为一种立方萤石晶体结构，空间群为Fm3m。Ce的价电子层结构是4f15d16s2，外层电子和内部电子间能量差很小，因此，氧化铈有三价和四价两种价态形式。在外部环境的影响下，Ce3+和Ce4+可以相互转化，并伴随着氧空位的形成和消失，基于这种性质，氧化铈具有较强的反应活性，氧化铈磨粒能在工件表面生成易于去除的化学齿，以获得优异的抛光性能、�/p>

总结来说：氧化铈作为磨料有如下几方面优势９�/strong>

�?）氧化铈中的四价铈具有强氧化作用，对抛光物质有较强的化学作用：�/p>

�?）氧化铈的硬度比硅片硬度略小，在抛光过程中既不会对硅片材料造成明显的机械损伤，又可以得到较为光滑、洁净的平面；

�?）抛光速度和效率较快，一般抛光速率可提�?�?倍；

�?）氧化铈的晶形和活性较好，粒度小而均匀，用量少且使用寿命长：�/p>

�?）氧化铈抛光液清洁、无污染，易于处理、�/p>

这些优势让氧化铈赢得了“抛光粉之王”的美誉、�/strong>

在半导体制程中，氧化铈抛光液主要应用在STI和ILD中，制程越高使用越多，且用于先进封装的抛光液磨料只能是氧化铈。氧化铈价格远高于氧化硅，固含量远低于氧化硅，因此市场价值最高。氧化铈的核心是提纯难度大、粒径影响抛光效果，因此纳米级氧化铈的制备及应用是当前研究热点之一＋�strong>未来前景广阔，市场及成长空间较大、�/strong>

03.高硬度材料克星——氧化铝

氧化铝基抛光液因其优异的硬度和化学稳定性，常用于高硬度材料的加工，如蓝宝石、陶瓷和某些金属材料。它能够在较短时间内高效去除大面积材料，同时保持加工表面的平整度。这种特性使其在需要快速去除材料且兼顾表面质量的应用场景中得到了广泛应用、�/p>

蓝宝石氧化铝抛光液，实物来源：苏州纳迪微

1998年日本Cosmos公司首次研制成功了基于超细氧化铝（Al₂O₃）磨料的抛光液，从而使Al₂O₃抛光液推广应用于CMP领域。近年来，随着LED产业的发展，Al₂O₃凭借其硬度高、稳定性好等优点，广泛应用于蓝宝石、碳化硅等材料的CMP技术中、�/p>

在众夙�span style="text-align: justify; text-indent: 32px;">Al₂O₃晶型中，通常选用α和γ型Al₂O₃磨料用于CMP中，其中刚玉（�?Al₂O₃）由于高硬度和稳定性适用于绝大多数场景的高效抛光，而较软的γ-Al₂O₃磨料适用于金属等软质材料的温和抛光以获得更佳的抛光质量、�/p>

04.传统领域的王者——碳化硅

碳化�? SiC ) 是典型的多晶型化合物，具有高抗热震性、优良的耐磨性、高热导率及耐化学腐蚀性、�/p>

在化学机械抛光方面，相对于氧化铝、氧化铈和二氧化硅，针对碳化硅磨料的研究应用相对较少、�/p>

但在传统领域，碳化硅磨料及其制作的磨具是处理玻璃、石材、陶瓷及部分软金属不可或缺的“工业牙齿”，以其高性价比和稳定的性能占据重要地位、�/p>

05.终极硬度的代表——金刚石

金刚石具有良好的力学性能，其摩擦系数极低�?.08~0.1），天然状态的硬度最高（100 GPa），并且具有耐磨性好、化学稳定性良好、导热系数高�?×10³W/(m·K)），是天生的“磨料之王”。金刚石磨料在传统加工领域的广泛应用大家有目共睹，此处不再赘述。在半导体领域，金刚石磨料及其制作的工具同样起着至关重要的作用、�/p>

半导体硅晶圆加工应用的金刚石工具

金刚石线�?/strong>

金刚石线锯是在基体上固结金刚石磨料的一种切割工其�/span>，因其切缝小�?.5mm的特点可以加工普通硬脆材料，适用于蓝宝石、水晶、太阳能级多晶硅等硬脆材料的切割、�/p>

随着大尺寸硅片和蓝宝石片的应用和发展，金刚石线锯成为了新一代硅片和蓝宝石片的切割工具，其加工表面损伤小、挠曲变形小、切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅／蓝宝石锭，省材料、效益高，产量大，效率高，这一系列无可比拟的优点将受到硅片和蓝宝石加工企业的高度重视、�/p>

高精密金刚石砂轮

金刚石砂轮在晶硅和蓝宝石等硬脆材料加工过程中的应用最为广泛，从晶棒的处理到晶片的粗加工进而到精加工等步骤，均要用到不同种类的金刚石砂轮；主要包括晶棒滚圆砂轮、平面研磨砂轮、减薄砂轮以及抛光砂轮等，金刚石磨料粒度�?50＃到8000＃均有涉及，胎体材料包括金属基、树脂基和陶瓷基、�/p>

CMP抛光涱�/strong>

近年来，碳化硅、氮化镓、金刚石等新一代半导体的兴起，这些半导体材料脆性大、硬度高、表面光滑、具有化学惰性等特点导致其加工难度大。面对这些材料，以往的氧化铈、氧化铝、氧化硅等磨料在加工性能及效率方面渐渐力不从心，而金刚石作为CMP磨料正被看好、�/span>

金刚石研磨液，来源：圣戈�?/p>

金刚石抛光液主要分为多晶金刚石抛光液、单晶金刚石抛光液和纳米金刚石抛光液。在电子化信息技术及半导体行业中，要求加工表面粗糙度小，表面性能好。从磨料挑选角度出发，纳米金刚石完全符合该精密加工的要求、�/p>

参考来源：

[1]宋维�?化学机械抛光用磨料研究进屔�/p>

[2]给晶圆“做美容”，为何硅溶胶成主力�?粉体罐�/p>

[3]李程辉等.金刚石在机械加工中的应用

[4]刘一波等.新兴工业材料加工用金刚石工具

[5]轩闯�?半导体加工用金刚石工具现犵�/p>

[6]袁菘�?金刚石化学机械抛光研究现犵�/p>

（中国粉体网/山川（�/p>

注：图片非商业用途，存在侵权告知刟�/p>