纳米氧化铈的可控合成及其抛光性能的研究

2020-03-10林泽慧胡鹏飞金智伟邱长军

山东化工 2020年2期

许伟，林泽慧，胡鹏飞，金智伟，陈勇，邱长军

(南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001)

集成电路(CI)和光电系统是信息产业的技术基础,是推动高新技术发展的核心驱动力[1]。CeO2抛光材料具有抛光速率高、被抛光表面粗糙度和表面微观波纹度较小、对被抛光表面损伤较弱等优点[2]。因此，在光学玻璃、超大规模集成电路的介质层、单晶硅片以及半导体衬底材料等精密器件的CMP抛光方面有着广泛的应用,并表现出卓越的抛光能力[3]。

目前，通常使用圆球形的氧化铈及其复合氧化物作为磨料[4-8]，抛光效果良好。但是，具有棱角的磨料(八面体，方块，多面体)的切削效率与质量鲜有研究。纳米氧化铈的制备方法有水热法，溶胶凝胶法，有机溶剂热法，化学气相法等[9-11]。相比于其他方法，水热法具有结晶度高，颗粒均匀，分散性好等优点。国内外的研究学者利用水热法合成了各种形貌不同的氧化铈纳米颗粒，且对其尺寸进行控制[12-13]。本文通过水热法合成了具有棱角且粒径较均匀的纳米氧化铈抛光颗粒，同时对合成的氧化铈纳米颗粒进行了结构表征，并通过软件模拟研究了不同形貌的氧化铈颗粒在不同接触形式下的接触应力的变化，为实现高质高效的纳米氧化铈抛光材料的研发提供依据。

1 实验

1.1 纳米氧化铈的制备

首先，将1 mmol Ce(NO)3·6H2O 和0.01 mmol K3PO4溶于40 mL的去离子水中，并使用磁力搅拌器搅拌反应15min。然后，将配制的混合溶液转移至50 mL的高压密闭的反应釜中，在180 ℃的条件下反应12 h，待反应釜冷却至室温后，分别用蒸馏水和无水乙醇将制备的白色沉淀离心和过滤。最后，60 ℃干燥得到纳米氧化铈样品。另一个试样使用试剂为1 mmol Ce(NO)3·6H2O 和 10 mmol NaOH，反应温度230 ℃，时间为36 h，其余实验步骤相同。

1.2 纳米氧化铈的表征

采用X射线衍射仪 (XRD) (Rigaku D/Max-1200X型)分析样品的物相，实验条件为：Cu Kα 射线，电压30kV，电流100mA；采用扫描电子显微镜 (SEM) (Hitachi SU8000)观察样品的形貌；采用场发射透射电子显微镜(TEM)分析样品的晶体结构。

1.3 抛光实验

本实验为纳米氧化铈抛光研究的初始阶段，被抛光材料为单晶硅片，抛光材料为纳米氧化铈颗粒。将所制备的纳米氧化铈颗粒超声分散在酒精中，抛光垫片的转速为2000转/分钟，抛光液的流速为50 mL/min，抛光时间为1min。

2 结果与分析

为确定样品的物相组成，采用XRD表征制备的样品，图1为所制备样品的X射线衍射图，与氧化铈的特征谱对比，特征峰从左到右分别对应于氧化铈的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)、(420)、(422)晶面，没有其他杂峰，XRD结果表明试样纯度较高。

图1 样品的XRD衍射图

图2(a)中所示为K3PO4作为矿化剂制备的外貌呈八面体的纳米氧化铈颗粒，棱角分明，颗粒大小较为均匀；图2(b)为单个八面体氧化铈低分辨TEM形貌，轮廓清晰，棱角分明，无明显缺陷。同时采用了HR-TEM对试样的微观结构进行表征，图2(c)所示的选区电子衍射，表明所制备的八面体纳米氧化铈为面心立方晶格的萤石型结构，由图2(d)可得八面体状氧化铈所暴露的晶面为{111}。

图2 纳米氧化铈八面体的形貌及微观结构

Fig.2 pattern and microstructure of nano-octahedron

图3 纳米氧化铈方块的形貌及微观结构

不同形貌的氧化铈纳米颗粒在相同压力下，八面体状氧化铈纳米颗粒抛光后的表面产生大量严重划痕(如图4(b))；而氧化铈纳米方块抛光单晶硅片后产生少量明显划痕(如图4(a))。法向载荷将相对硬度较大的纳米氧化铈磨料压入摩擦表面，软材料单晶硅在相对硬度较大纳米氧化铈的挤压下产生塑性变形，向两边隆起，此时，不发生单晶硅脱落，而滑动时的摩擦力通过纳米氧化铈磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕。

图4 纳米氧化铈方块及八面体颗粒抛光后单晶硅片表面SEM形貌

如图5所示纳米氧化铈方块及八面体与单晶硅片可能的接触形式分别有点接触，线接触，面接触。图6为在相同法向载荷下，氧化铈纳米方块及八面体在不同接触形式时的接触应力分布图。纳米氧化铈与单晶硅片接触形式为点接触时，会产生很大的接触应力，最大接触应力分别为97634MPa(纳米方块)和89730MPa(纳米八面体)，纳米氧化铈的棱角比较容易地压入单晶硅片表面；线接触产生的接触应力比点接触小得多，而面接触产的接触应力最小，分别为19593MPa(纳米方块)和24198MPa(纳米八面体)。氧化铈纳米方块多以面或者线接触为主，所以产生较少的划痕；八面体多以点接触为主，因此产生较严重的划痕，犁削距离短，犁沟较深。