隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)使用的鋁合金基板材料因其較高的熱膨脹系數(shù)和較低的機(jī)械強(qiáng)度，已經(jīng)難以滿(mǎn)足現(xiàn)代硬盤(pán)技術(shù)大容量、小型化、高速度和高可靠性的發(fā)展要求。相比之下，微晶玻璃在機(jī)械強(qiáng)度和力學(xué)性能方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，能夠在高速運(yùn)轉(zhuǎn)和溫度變化的環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能，可以取代鋁合金成為新一代硬盤(pán)基板材料。不過(guò)為了進(jìn)一步提高硬盤(pán)的存儲(chǔ)密度，磁頭與基板之間的飛行高度必須盡可能降低，這就要求基板表面必須拋光到亞納米級(jí)的光滑表面，以避免磁頭與基板碰撞。

       微晶玻璃如何拋光？

       微晶玻璃是在熔煉的前體玻璃里加晶核劑進(jìn)行微晶化處理，而形成的玻璃相和微晶相的多相復(fù)合體。相對(duì)普通玻璃，微晶玻璃的原子排列是有規(guī)律的，晶粒小且結(jié)合較為緊密，當(dāng)受到外力導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋碰到其中的細(xì)小晶粒會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使得裂紋擴(kuò)展的路徑變長(zhǎng)，有效分散應(yīng)力，達(dá)到抑制微裂紋擴(kuò)展的目的。

       不過(guò)，也正由于微晶玻璃的特殊微觀結(jié)構(gòu)，在其拋光過(guò)程中，磨料作用的對(duì)象為晶粒和殘余玻璃，兩種物相結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分都不相同，且其晶粒尺寸大約在幾十納米到幾十微米之間，因此難以加工出亞納米級(jí)光滑表面，而化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）這種目前唯一能提供原子級(jí)全局平坦化的拋光技術(shù)，成為了其常用的加工方式。

       適合微晶玻璃的CMP拋光液里都有啥？

       化學(xué)機(jī)械拋光是利用化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械研磨的協(xié)同作用來(lái)進(jìn)行拋光的，其拋光液的成分是多種化學(xué)物質(zhì)的混合物，主要包括磨料、PH調(diào)節(jié)劑、潤(rùn)滑劑、絡(luò)合劑和表面活性劑等。其中，磨料主要起到去除硅片表面氧化物和金屬殘留物的作用，PH調(diào)節(jié)劑主要起到調(diào)節(jié)pH值和維持液體穩(wěn)定性的作用，潤(rùn)滑劑主要起到潤(rùn)滑和減少表面摩擦的作用，表面活性劑和絡(luò)合劑可以促進(jìn)拋光中化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行。

       01磨粒
       目前，CMP拋光常用的磨粒有氧化鋁(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化鈰(CeO2)和氧化鐵(MnO2)等。

       氧化鋁莫氏硬度可達(dá)9，拋光微晶玻璃時(shí)，機(jī)械磨削作用比較強(qiáng)，容易在材料表面造成機(jī)械損傷易劃傷被拋光材料表面。氧化鐵則拋光速度慢，而且會(huì)產(chǎn)生鐵銹色的污染。而若采用氧化硅作為磨粒，其不僅要去除微晶玻璃表面形成的鈍化膜，還要用機(jī)械作用切斷微晶玻璃表面的Si—O—Si鍵，且硅溶膠易發(fā)生凝膠化現(xiàn)象，因此去除效率不佳。而氧化鈰有較為適中的硬度，能通過(guò)“軟拋硬”給微晶玻璃帶來(lái)很好的拋光效果，同時(shí)由于Ce元素具有多種價(jià)態(tài)且不同價(jià)態(tài)間易轉(zhuǎn)化，促使璃表面形成水合軟化層，提高拋光速率，應(yīng)用于微晶玻璃拋光有著顯著優(yōu)勢(shì)。

       另外，在微晶玻璃中，玻璃相可作為黏結(jié)劑將晶粒粘結(jié)起來(lái)，為了保證拋光過(guò)程中晶粒不脫落，需要選擇粒徑遠(yuǎn)比晶粒小的納米級(jí)磨粒。這種小粒徑的磨料對(duì)晶粒的沖擊力將會(huì)較弱，加上摩擦熱、水合作用等，就可以獲得質(zhì)量極其高的光滑表面。反之，如果磨料的粒度與晶粒的大小相當(dāng)，那么磨料對(duì)晶粒的沖擊力較大，材料去除以晶粒脫落的方式為主，獲得的表面質(zhì)量較差。

       02氧化劑

       化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中的主要化學(xué)作用是氧化反應(yīng)， 所以氧化劑是影響化學(xué)機(jī)械拋光的重要參數(shù)之一。微晶玻璃的主要成分是Li2O、Al2O3和SiO2等氧化物，理論上氧化劑在微晶玻璃表面不能發(fā)生氧化反應(yīng)。不過(guò)，不少研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氧化劑在微晶玻璃化學(xué)機(jī)械拋光也能發(fā)揮一定的作用。

       白林山等采用H2O2、KMnO4、NaClO、(NH4)2S2O8等作為氧化劑制作拋光液拋光微晶玻璃，發(fā)現(xiàn)采用了含有氧化劑的拋光液拋光速率和表面粗糙度都得到了一定的提升，其中，H2O2、KMnO4、NaClO等拋光時(shí)易在產(chǎn)生的高溫下分解，導(dǎo)致氧化能力減弱， 拋光效果，而過(guò)硫酸銨是堿性條件下較為理想的氧化劑， 并且其分解溫度較高， 能夠穩(wěn)定存在， 在拋光過(guò)程中能充分發(fā)揮氧化作用， 所以?huà)伖夂竽艿玫捷^光滑的材料表面和較高的材料去除速率。

       03絡(luò)合劑

       微晶玻璃是親水性固體材料， 在水溶液中容易發(fā)生水合反應(yīng)生成鋰離子，采用絡(luò)合劑將其絡(luò)合成穩(wěn)定的絡(luò)合物后，可以保障拋光過(guò)程中的均勻性和一致性，并防止金屬離子重新沉積在拋光表面， 使微晶玻璃表面粗糙度大幅下降，拋光速率提高。

       CMP拋光液中的絡(luò)合劑通常含有羧基、羥基等基團(tuán)， 科學(xué)家們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，羧基和羥基的存在對(duì)于材料去除率和表面粗糙度的提升都一定作用，不過(guò)含較多羥基的絡(luò)合劑在微晶玻璃拋光過(guò)程中的作用不如含較多羧基的絡(luò)合劑，拋光后的表面粗糙度會(huì)隨著絡(luò)合劑中羧基個(gè)數(shù)的增多而降低， 并且材料去除速率會(huì)隨羧基個(gè)數(shù)增多而升高，因此EDTA等含有較多羥基的絡(luò)合物在微晶玻璃的CMP拋光液中有較大的應(yīng)用價(jià)值。

       04PH調(diào)節(jié)劑

       CeO2表面帶負(fù)電荷，根據(jù)雙電層理論，帶電粒子在溶液中吸附電性相反粒子形成雙電層。

       由于氧化鈰膠體粒子的等電位點(diǎn)的pH為6.5～7.5之間，當(dāng)體系的pH大于7.5或小于6.5時(shí)，隨著堿性或酸性的增加，其雙電層滑動(dòng)面的電位即ZETA電位絕對(duì)值都會(huì)逐漸增大，此時(shí)懸浮物粒子異種電荷主要集中在擴(kuò)散層中導(dǎo)致粒子間的排斥力越強(qiáng)，越不易沉降，不過(guò)由于在強(qiáng)堿性或者強(qiáng)酸條件下，拋光液會(huì)對(duì)拋光機(jī)器產(chǎn)生一定的腐蝕，并且也會(huì)使玻璃表面產(chǎn)生桔皮現(xiàn)象，因此，在微晶玻璃的拋光中，可選擇pH=7-9的弱堿條件下進(jìn)行拋光。

除此之外，堿性條件下也有利于CeO2表面吸附大量的OH-與微晶玻璃表面的SiO2反應(yīng)，提升拋光速率。

       05表面活性劑
       表面活性劑在拋光液中主要影響磨料的分布，其種類(lèi)主要有陰離子表面活性劑、陽(yáng)離子活性劑、兩性離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑等。

       CeO2粒子表面帶負(fù)電荷，加入陰離子表面活性劑后，由于同性電荷相互排斥的作用，CeO2粒子在拋光液中的分散性會(huì)更好，因此拋光效果比較好。而如果添加陽(yáng)離子表面活性劑，CeO2粒子可能會(huì)吸附陽(yáng)離子表面活性劑的基團(tuán)，出現(xiàn)部分沉降現(xiàn)象，造成磨料分散不均勻，拋光過(guò)程中磨料不能充分發(fā)揮研磨作用，導(dǎo)致材料去除速率降低，表面粗糙度值升高。

       小結(jié)

       微晶玻璃是玻璃相和微晶相共同形成的多相復(fù)合體，化學(xué)成分的差異和高的機(jī)械強(qiáng)度使得傳統(tǒng)的研磨拋光工藝難以將它加工成亞納米級(jí)的光滑表面。CMP拋光作為目前唯一能提供原子級(jí)全局平坦化的拋光技術(shù)，能夠利用化學(xué)反應(yīng)與機(jī)械磨損的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)微晶玻璃表面的高效、均勻拋光。在CMP拋光過(guò)程中，CMP拋光液中各組分均發(fā)揮著重要作用，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)合理搭配并平衡各組分含量，以達(dá)到最佳的拋光效果和拋光速率。

        參考文獻(xiàn)：

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