稀土掺杂CeO2的合成及其CMP性能研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0164

摘要/Abstract

摘要：

CeO₂作为一种常用的稀土抛光粉，其抛光性能十分优异，但在现有的抛光研究中，平衡材料去除速率（MRR）和表面粗糙度（Ra）两者的关系一直是重点与难点。为探究这一问题，采用溶剂热法合成形貌规整、粒径较为均一、分散性良好的球形CeO₂，并对其进行Pr、Y等稀土元素的掺杂，研究稀土元素掺杂对氧空位形成的改变，以及引起的Ce³⁺比例的变化对抛光性能的影响。根据材料表面Ce³⁺的含量，与CMP抛光实验结合，结果显示Ce³⁺含量较高的抛光磨料对硅片的抛光效果更好，其中Pr掺杂的CeO₂磨料，MRR高达445.71 nm/min，抛光后硅片的平均粗糙度（Ra）为1.23 nm，Pr元素的掺杂能够改变Ce基抛光粉表面的化学状态，进而影响抛光过程。通过对氧化铈形貌、粒径及表面Ce的化学状态的调控，稀土元素掺杂后的CeO₂抛光粉具有较快的材料去除速率和较好的表面粗糙度，该研究可为开发高性能氧化铈基抛光粉提供一定的理论及技术指导。

关键词: CeO₂, 溶剂热法, CMP, 稀土元素掺杂, Ce表面化学状态

Abstract:

CeO₂ is a commonly used rare earth polishing powder with excellent polishing performance.However，in its polishing research，balancing material removal rate（MRR） and surface roughness（Ra） has always been a key and difficult point.To explore this issue，the solvothermal synthesis method was used to synthesize spherical CeO₂ with regular morphology，uniform particle size，and good dispersibility，which was doped with rare earth elements such as Pr and Y to study the changes in oxygen vacancy formation caused by rare earth doping and the impact of the resulting changes in Ce³⁺ ratio on polishing performance.According to the Ce³⁺ content on the material surface，combined with CMP polishing experiments，the results showed that polishing abrasives with high Ce³⁺ content had better polishing effects on silicon wafers.Among them，Pr-doped CeO₂ abrasives had a MRR of up to 445.71 nm/min，and the average roughness Ra of the silicon wafer surface after polishing was 1.23 nm，respectively.Pr doping could change the chemical state of the Ce-based polishing powder surface，thereby affecting the polishing process.By regulating the morphology，particle size，and chemical state of Ce on the surface of cerium oxide，it was possible to achieve a high material removal rate and ensure good surface roughness for silicon wafers in rare earth-doped CeO₂ polishing powder.This study could provide theoretical and technical guidance for the development of high-performance cerium oxide-based polishing powder.

Key words: CeO₂, solvothermal method, CMP, rare earth element doping, Ce surface chemical state

中图分类号:

TQ133.2

袁帅, 方杨飞, 杨向光, 张一波. 稀土掺杂CeO₂的合成及其CMP性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(12): 35-41.

YUAN Shuai, FANG Yangfei, YANG Xiangguang, ZHANG Yibo. Study on synthesis of rare earth-doped CeO₂ and its CMP properties[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2024, 56(12): 35-41.

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参考文献 28

[1]	SRINIVASAN R， DANDU P V， BABU S V.Shallow trench isolation chemical mechanical planarization：A review［J］.ECS Journal of Solid State Science and Technology，2015，4（11）：5029-5039.
[2]	WANG Liangyong， ZHANG Kailiang， SONG Zhitang，et al.Ceria concentration effect on chemical mechanical polishing of optical glass［J］.Applied Surface Science，2007，253（11）：4951-4954.
[3]	COOK L M.Chemical processes in glass polishing［J］.Journal of Non-Crystalline Solids，1990，120（1/2/3）：152-171.
[4]	QIU Hailong， CHEN Guanying， FAN Rongwei，et al.Tuning the size and shape of colloidal cerium oxide nanocrystals through lanthanide doping［J］.Chemical Communications，2011，47（34）：9648-9650.
[5]	CHEN Yang， WANG Menghan， CAI Wenjie，et al.Structural regulation and polishing performance of dendritic mesoporous silica （D-mSiO₂） supported with samarium-doped cerium oxide composites［J］.Advanced Powder Technology，2022，33（6）：103595.
[6]	MA Jiahui， XU Ning， LUO Yuxin，et al.Enhancing the polishing efficiency of CeO₂ abrasives on the SiO₂ substrates by improving the Ce³⁺ concentration on their surface［J］.ACS Applied Electronic Materials，2023，5（1）：526-536.
[7]	LEE J， KIM E，BAE C，et al.Improvement of oxide chemical mechanical polishing performance by increasing Ce³⁺/Ce⁴⁺ ratio in ceria slurry via hydrogen reduction［J］.Materials Science in Semiconductor Processing，2023，159：107349.
[8]	KIM E， LEE J，BAE C，et al.Effects of trivalent lanthanide （La and Nd） doped ceria abrasives on chemical mechanical polishing［J］.Powder Technology，2022，397：117025.
[9]	SWATSITANG E， PHOKHA S， HUNPRATUB S，et al.Characterization of Sm-doped CeO₂ nanoparticles and their magnetic properties［J］.Physica B：Condensed Matter，2016，485：14-20.
[10]	ELMAS F， KıRKGEÇIT R， TORUN H Ö，et al.Investigation of photochemical properties of CeO₂∶0.1Nd and CeO₂∶0.05Nd_0.05 M（M：Dy，Sm，Tb）［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2023，439：114616.
[11]	KıRKGEÇIT R， ÖZLÜ TORUN H， KıLıÇ DOKAN F，et al.Investigation of photochemical properties of La-Er/CeO₂ and La-Y/CeO₂ composites［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2022，423：113602.
[12]	LEE Y C， LI K D， LU C H，et al.Synthesis，structural and optical characterization of sol-gel-derived Y-doped mesoporous CeO₂ ［J］.Journal of Electronic Materials，2013，42（8）：2549-2555.
[13]	KHAKHAL H R， KUMAR S， DOLIA S N，et al.Oxygen vacancies and F⁺ centre tailored room temperature ferromagnetic properties of CeO₂ nanoparticles with Pr doping concentrations and annealing in hydrogen environment［J］.Journal of Alloys and Compounds，2020，844：156079.
[14]	CRISTINA DE OLIVEIRA R， CABRAL L， CABRAL A C，et al.Charge transfer in Pr-doped cerium oxide：Experimental and theoretical investigations［J］.Materials Chemistry and Physics，2020，249：122967.
[15]	CHENG Jie， HUANG Shuo， LU Xinchun.Preparation of surface modified ceria nanoparticles as abrasives for the application of chemical mechanical polishing（CMP）［J］.ECS Journal of Solid State Science and Technology，2020，9（2）：024015.
[16]	张洁，赵梦杰，崔颍琦，等.掺杂对CeO₂基电解质材料性能的影响研究进展［J］.无机盐工业，2020，52（5）：1-5.
	ZHANG Jie， ZHAO Mengjie， CUI Yingqi，et al.Research progress in effect of doping on properties of CeO₂-based electrolyte materials［J］.Inorganic Chemicals Industry，2020，52（5）：1-5.
[17]	孙加营，方杨飞，张一波，等.CuO修饰CeO₂纳米复合磨料的制备及抛光性能［J］.材料导报，2023，37（3）：114-118.
	SUN Jiaying， FANG Yangfei， ZHANG Yibo，et al.Preparation and polishing properties of CuO-modified CeO₂ nanocomposite abrasives［J］.Materials Reports，2023，37（3）：114-118.
[18]	HAN K M， HAN S Y， SAHIR S，et al.Contamination mechanism of ceria particles on the oxide surface after the CMP process［J］.Journal of Solid State Science and Technology，2020，9（12）：124004.
[19]	HE Qiang.Experimental study on polishing performance of CeO₂ and nano-SiO₂ mixed abrasive［J］.Applied Nanoscience，2018，8（1）：163-171.
[20]	SONG Xiaolan， XU Dayu， ZHANG Xiaowei，et al.Electrochemical behavior and polishing properties of silicon wafer in alkaline slurry with abrasive CeO₂ ［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2008，18（1）：178-182.
[21]	许宁，马家辉，刘琦.CeO₂基磨粒在化学机械抛光中的研究进展［J］.中国稀土学报，2022，40（2）：181-193.
	XU Ning， MA Jiahui， LIU Qi.Research progress of CeO₂-based abrasive particles in chemical mechanical polishing［J］.Journal of the Chinese Society of Rare Earths，2022，40（2）：181-193.
[22]	许怀，程秀兰.二氧化铈研磨液在化学机械平坦化中的应用［J］.半导体技术，2007，32（8）：657-660.
	XU Huai， CHENG Xiulan.Application of CeO₂ slurry on chemical mechanical planarization［J］.Semiconductor Technology，2007，32（8）：657-660.
[23]	WANG Menghan， MU Zhaoyu， WANG Tianyu，et al.Double-layered core-shell heterostructures of mSiO₂@CdS@CeO₂ abrasive systems toward photochemical mechanical polishing（PCMP） applications［J］.Applied Surface Science，2023，614：156274.
[24]	王晶，金彦章，王振波.氟化物掺入对稀土抛光粉性能的影响［J］.无机盐工业，2019，51（4）：37-41.
	WANG Jing， JIN Yanzhang， WANG Zhenbo.Effect of fluoride doping on properties of rare earth polishing powders［J］.Inorganic Chemicals Industry，2019，51（4）：37-41.
[25]	LI Hongyun， LIU Yuanyuan， LI Wenhao，et al.Influence of doping CeO₂ vacancies on conductive properties［J］.Materials Today Communications，2023，37：107207.
[26]	CHENG Jie， HUANG Shuo， LI Yang，et al.RE（La，Nd and Yb） doped CeO₂ abrasive particles for chemical mechanical polishing of dielectric materials：Experimental and computational analysis［J］.Applied Surface Science，2020，506：144668.
[27]	LIN Yousheng， LIN K， TSAI W，et al.Cetyltrimethylammonium bromide reformed ceria nanocomposites of chemical mechanical planarization for silica wafers［J］.Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，2023，150：105079.
[28]	YUAN Xiaoyue， LEI Hong， CHEN Chuandong.An ethylenediaminetetraacetic acid（EDTA） surface-functionalized CeO₂ composite abrasives with the effective improvement of the removal rate on glass CMP［J］.Ceramics International，2024，50（1）：293-305

离子种类	离子半径/Å	电负性
Ce⁴⁺	0.97
Pr³⁺	1.13	1.32
Y³⁺	1.02	1.29
Sm³⁺	1.08	1.36
Nd³⁺	1.11	1.33
La³⁺	1.16	1.28
Ce³⁺	1.14	1.30

样品	x（Ce³⁺）/%	样品	x（Ce³⁺）/%
CeO_2-_δ	18.47	Sm_0.06Ce_0.94O_2-_δ	28.95
Pr_0.06Ce_0.94O_2-_δ	30.14	Nd_0.06Ce_0.94O_2-_δ	23.41
Y_0.06Ce_0.94O_2-_δ	30.96	La_0.06Ce_0.94O_2-_δ	25.72

样品	MRR/（nm·min^-1）	平均粗糙度Ra/nm
CeO_2-_δ	501.26	1.42
Pr_0.06Ce_0.94O_2-_δ	445.71	1.23
Y_0.06Ce_0.94O_2-_δ	364.90	1.03
Sm_0.06Ce_0.94O_2-_δ	330.81	1.20
Nd_0.06Ce_0.94O_2-_δ	373.74	1.82
La_0.06Ce_0.94O_2-_δ	395.20	1.50

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[1]	李江朋, 张慧斌. 三维多孔LaFeO₃/CeO₂/SrTiO₃光芬顿和光催化协同脱色亚甲基蓝[J]. 无机盐工业, 2024, 56(5): 141-148.
[2]	卢晓敏,李雪梅,刘岚君,沈晓芳,梅毅,廉培超. 黑磷的液相法制备研究进展[J]. 无机盐工业, 2022, 54(3): 31-37.
[3]	李亚林, 黄羽, 李东傲, 随曌一, 何海洋, 刘浩钊. 餐厨垃圾溶剂热法制备负载铁生物质炭[J]. 无机盐工业, 2022, 54(11): 96-103.
[4]	桂阳海,王幸辉,田宽,钱琳琳. 溶剂热法制备硒化钨纳米花及其气敏性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(5): 47-50.
[5]	熊芸,陈新,张静,邓妮艳,张权,刘生鹏,孙国锋. BiOBr/UiO-66-（COOH）₂复合材料制备及光催化性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(12): 150-155.
[6]	覃利琴,杨黄根,陈德,陶萍芳. 辅助溶剂热法合成纳米晶自组装CaWO₄：Tb ³⁺微球及其发光性能[J]. 无机盐工业, 2021, 53(1): 36-39.
[7]	唐凤翔,王国胜. 溶剂热法合成硫化镉材料实验研究[J]. 无机盐工业, 2020, 52(9): 43-46.
[8]	张洁,赵梦杰,崔颍琦,李成刚,高金海. 掺杂对CeO₂基电解质材料性能的影响研究进展[J]. 无机盐工业, 2020, 52(5): 1-5.
[9]	覃利琴, 陶萍芳, 王荣芳, 韦庆敏, 黄韶艳. 稀土掺杂花状钨酸钙纳米晶溶剂热法合成及其发光性能[J]. 无机盐工业, 2016, 48(6): 41-.
[10]	黄一飞, 孟照凯, 林如山, 贾艳虹, 何辉, 林铭章. 氯化锂-氯化钾熔盐中二氧化铈的熔解还原[J]. 无机盐工业, 2016, 48(10): 16-.
[11]	李浩;张喜斌. 络合剂/表面活性剂对溶剂热法制备钴纳米花的影响[J]. 无机盐工业, 2010, 0(6): 0-0.
[12]	魏明真;霍建振. 氧化亚铜纳米棒的合成与表征[J]. 无机盐工业, 2009, 0(7): 0-0.

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