离子液体介导的CeO?纳米颗粒形态与结构研究：在硅晶圆超精密化学机械抛光中的应用

《Journal of Materials Research and Technology》：Ionic Liquid-Mediated Morphology and Structure of CeO 2 Nanoparticles for Silicon Wafers Ultra-Precision Chemical Mechanical Polishing Applications

离子液体热合成法制备的CeO?纳米颗粒（20-50nm）经700℃煅烧后，其抛光性能显著优于商用材料，表面粗糙度降低69.22%至0.205nm，去除率提升11.16%至261.44nm/min。

　　
该研究聚焦于采用绿色合成方法制备高性价比的CeO?纳米颗粒，并系统评估其在半导体硅片抛光中的应用效果。通过离子液体热合成技术，研究团队成功解决了传统制备方法中颗粒尺寸大、分散性差、环境污染等问题，最终开发出性能优于商业产品的CeO?抛光材料。

在合成工艺优化方面，研究团队以硝酸铈六水合物为前驱体，采用1-丁基-3-甲基咪唑碘盐作为绿色溶剂和反应介质。通过控制反应温度（180℃）和时间（16小时），结合后续700℃煅烧处理，成功制备出20-50nm均匀分散的立方状及多边形CeO?纳米颗粒。这种尺寸分布不仅突破了传统水热法产物的大尺寸限制（通常>100nm），更实现了亚微米级颗粒的窄分布特性（D90=645nm，D100=2080nm），为抛光效率提升奠定了物理基础。

材料表征结果显示，优化后的CeO?纳米颗粒呈现立方晶系特征（XRD证实（111）、（200）等晶面发育良好），表面氧空位密度适中（XPS分析显示Ce3?占比23.14%）。这种独特的氧化态分布显著增强了材料的化学活性，在抛光过程中能够更高效地与硅片表面发生选择性氧化反应。

关键性能突破体现在抛光测试中：采用新制备材料N1进行硅片抛光，表面粗糙度Ra降低至0.205nm，较商业产品N2和N3分别改善69.22%和56.04%。同时，材料去除速率（MRR）达到261.44nm/min，较N2提升11.16%，较N3提升5.9%。这种双重优势的取得，归因于颗粒尺寸的小型化（D50=81.9nm）和形态的规则性（立方/多边形占比超80%），使得抛光接触面积增大，同时避免了硬颗粒对硅片表面的划伤。

从机理角度分析，离子液体[Bmim]I在合成过程中发挥双重作用：一方面作为模板剂通过空间位阻效应控制晶核生长，形成均匀分散的纳米颗粒；另一方面其阴离子碘离子与铈离子形成强配位键，有效抑制颗粒团聚。温度梯度调控策略（140-240℃）揭示了不同阶段的热力学过程：低温阶段（140-180℃）离子液体充分解离，提供稳定反应界面；高温阶段（>180℃）则通过加速离子迁移促进晶粒生长，但需控制在临界温度以避免过度结晶导致的颗粒粗化。

在环境效益方面，本研究完全避免了传统水热法中强酸强碱的使用，离子液体经高温煅烧后完全去除，产品符合绿色制造标准。经济性评估显示，新材料的成本较进口商业产品降低约30%，同时具备更长的使用寿命（循环测试表明抛光效率衰减率<5%/次）。

该成果对半导体制造工艺升级具有重要指导意义。在3nm以下先进制程中，传统抛光材料因颗粒尺寸增大（>1μm）导致表面粗糙度无法满足亚纳米级要求。本研究制备的纳米级CeO?（20-50nm）不仅实现亚微米级抛光，更通过表面氧空位调控（Ce3?/Ce??比例优化）增强选择性腐蚀能力，在硅片减薄过程中表现出优异的线宽控制能力（ΔL<0.5μm）。

未来应用方向包括：1）开发适用于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等第三代半导体的抛光体系，其氧化还原特性可更好匹配宽禁带材料表面特性；2）拓展至光电子领域，如5G通信器件中的氮化镓基板抛光；3）结合表面改性技术（如原子层沉积包覆），进一步提升材料的耐腐蚀性和抛光稳定性。该研究为新型绿色抛光材料的开发提供了可复制的技术路径，对推动半导体制造工艺的可持续发展具有重要价值。