隨著計算機技術的快速發展，傳統使用的鋁合金基板材料因其較高的熱膨脹系數和較低的機械強度，已經難以滿足現代硬盤技術大容量、小型化、高速度和高可靠性的發展要求。相比之下，微晶玻璃在機械強度和力學性能方面展現出顯著優勢，能夠在高速運轉和溫度變化的環境中保持穩定的性能，可以取代鋁合金成為新一代硬盤基板材料。不過為了進一步提高硬盤的存儲密度，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(ya)納(na)米級的光滑表面，以避免磁頭與基板(ban)碰撞。

       微晶玻璃如何拋光？

       微晶(jing)(jing)玻(bo)璃是(shi)(shi)在熔煉的(de)前體玻(bo)璃里加晶(jing)(jing)核劑進行微晶(jing)(jing)化處(chu)理(li)，而(er)形成的(de)玻(bo)璃相和(he)微晶(jing)(jing)相的(de)多相復合體。相對(dui)普(pu)通玻(bo)璃，微晶(jing)(jing)玻(bo)璃的(de)原(yuan)子排(pai)列是(shi)(shi)有(you)規律的(de)，晶(jing)(jing)粒小(xiao)且(qie)結(jie)合較(jiao)為緊密，當受到(dao)外力導致裂紋(wen)擴展(zhan)時，裂紋(wen)碰到(dao)其中的(de)細(xi)小(xiao)晶(jing)(jing)粒會發(fa)生偏轉現象，使(shi)得裂紋(wen)擴展(zhan)的(de)路徑變長，有(you)效分散應力，達到(dao)抑(yi)制微裂紋(wen)擴展(zhan)的(de)目的(de)。

       不過，也正由于微晶玻璃的特殊微觀結構，在其拋光過程中，磨料作(zuo)用的(de)對象(xiang)為(wei)晶(jing)粒(li)和殘余玻璃(li)，兩種物相結構、化學成(cheng)分都不相同，且其(qi)晶(jing)粒(li)尺(chi)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光滑表面，而化學機械拋(pao)光（CMP）這種目前(qian)唯(wei)一(yi)能提(ti)供(gong)原子(zi)級全局平坦化的(de)拋(pao)光技術，成(cheng)為(wei)了其(qi)常用的(de)加工方式(shi)。

       適合微晶玻璃的CMP拋光液里都有啥？

       化(hua)學機(ji)械拋(pao)光(guang)(guang)是(shi)利用化(hua)學反應和(he)(he)(he)機(ji)械研(yan)磨的(de)協同作(zuo)用來進(jin)(jin)行拋(pao)光(guang)(guang)的(de)，其拋(pao)光(guang)(guang)液(ye)的(de)成分是(shi)多種化(hua)學物質的(de)混(hun)合物，主(zhu)要(yao)(yao)包(bao)括磨料、PH調(diao)節(jie)劑(ji)、潤滑劑(ji)、絡合劑(ji)和(he)(he)(he)表(biao)(biao)面(mian)活(huo)性劑(ji)等。其中(zhong)，磨料主(zhu)要(yao)(yao)起到去(qu)除(chu)硅片表(biao)(biao)面(mian)氧化(hua)物和(he)(he)(he)金屬殘留物的(de)作(zuo)用，PH調(diao)節(jie)劑(ji)主(zhu)要(yao)(yao)起到調(diao)節(jie)pH值(zhi)和(he)(he)(he)維持液(ye)體穩定性的(de)作(zuo)用，潤滑劑(ji)主(zhu)要(yao)(yao)起到潤滑和(he)(he)(he)減少表(biao)(biao)面(mian)摩(mo)擦的(de)作(zuo)用，表(biao)(biao)面(mian)活(huo)性劑(ji)和(he)(he)(he)絡合劑(ji)可以促進(jin)(jin)拋(pao)光(guang)(guang)中(zhong)化(hua)學反應進(jin)(jin)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9，拋光微晶玻璃時，機械磨削作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)比較強，容易(yi)在材(cai)料(liao)表(biao)(biao)面(mian)造成機械損傷易(yi)劃傷被拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)材(cai)料(liao)表(biao)(biao)面(mian)。氧化(hua)(hua)鐵則拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)速(su)度(du)慢，而(er)且(qie)會產生(sheng)鐵銹色的(de)(de)污(wu)染。而(er)若采(cai)用(yong)(yong)氧化(hua)(hua)硅作(zuo)(zuo)為磨粒，其不(bu)僅要去(qu)除微(wei)(wei)晶玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)表(biao)(biao)面(mian)形(xing)成的(de)(de)鈍化(hua)(hua)膜，還要用(yong)(yong)機械作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)切斷微(wei)(wei)晶玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)Si—O—Si鍵(jian)，且(qie)硅溶膠易(yi)發生(sheng)凝膠化(hua)(hua)現象，因此去(qu)除效率不(bu)佳。而(er)氧化(hua)(hua)鈰有(you)較為適(shi)中的(de)(de)硬度(du)，能(neng)通過“軟拋(pao)硬”給微(wei)(wei)晶玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)帶來很好的(de)(de)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)效果，同時由于Ce元素具有(you)多種價態(tai)且(qie)不(bu)同價態(tai)間易(yi)轉化(hua)(hua)，促使璃(li)(li)(li)表(biao)(biao)面(mian)形(xing)成水合軟化(hua)(hua)層，提高拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)速(su)率，應用(yong)(yong)于微(wei)(wei)晶玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)有(you)著顯著優勢。

       另外(wai)，在(zai)微晶(jing)(jing)(jing)玻璃(li)中，玻璃(li)相可作為(wei)黏結劑(ji)將(jiang)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)粘(zhan)結起來，為(wei)了保(bao)證(zheng)拋光過程中晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)不(bu)脫落，需要選擇粒(li)(li)徑遠比晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)小(xiao)的納米級(ji)磨粒(li)(li)。這種小(xiao)粒(li)(li)徑的磨料(liao)對晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的沖(chong)擊力將(jiang)會(hui)較(jiao)弱，加上摩擦熱、水合作用等，就可以(yi)獲得(de)質(zhi)量(liang)極(ji)其高的光滑表面。反之，如(ru)果(guo)磨料(liao)的粒(li)(li)度與晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的大(da)小(xiao)相當，那么(me)磨料(liao)對晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的沖(chong)擊力較(jiao)大(da)，材料(liao)去除以(yi)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)脫落的方式為(wei)主，獲得(de)的表面質(zhi)量(liang)較(jiao)差。

       02氧化劑

       化學機械拋光過程中的主要化學作用是氧化反應， 所以氧化劑是影響化學機械拋光的重要參數之一。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生氧化反應。不過，不少研究人員通過實驗發現，氧化劑在微晶玻璃化學機械拋光也能發揮一定的作用。

       白(bai)林山(shan)等(deng)采(cai)用H2O2、KMnO4、NaClO、(NH4)2S2O8等(deng)作(zuo)為氧(yang)化(hua)劑(ji)制作(zuo)拋光液拋光微晶玻璃，發現采(cai)用了含有氧(yang)化(hua)劑(ji)的拋光液拋光速率和表面粗(cu)糙度(du)(du)都得到了一(yi)定(ding)的提升，其中，H2O2、KMnO4、NaClO等(deng)拋光時易在產生的高(gao)溫(wen)下分(fen)解(jie)，導致(zhi)氧(yang)化(hua)能(neng)(neng)(neng)(neng)力減弱， 拋光效果，而過(guo)硫酸銨是(shi)堿性條件(jian)下較為理想的氧(yang)化(hua)劑(ji)， 并且其分(fen)解(jie)溫(wen)度(du)(du)較高(gao)， 能(neng)(neng)(neng)(neng)夠穩定(ding)存在， 在拋光過(guo)程中能(neng)(neng)(neng)(neng)充分(fen)發揮氧(yang)化(hua)作(zuo)用， 所以拋光后能(neng)(neng)(neng)(neng)得到較光滑的材(cai)料表面和較高(gao)的材(cai)料去除(chu)速率。

       03絡合劑

       微晶玻璃是親水性固體材料， 在水溶液中容易發生水合反應生成鋰離子，采用絡合劑將其絡合成穩定的絡合物后，可以保障拋光過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(pao)光液中(zhong)的(de)絡(luo)合(he)劑通(tong)常含有(you)羧(suo)基(ji)、羥(qian)基(ji)等基(ji)團(tuan)， 科學家們(men)通(tong)過實驗發現，羧(suo)基(ji)和羥(qian)基(ji)的(de)存在(zai)對(dui)于材料去除率(lv)和表面粗(cu)糙(cao)度(du)的(de)提升(sheng)都一定作用，不過含較多羥(qian)基(ji)的(de)絡(luo)合(he)劑在(zai)微晶玻璃(li)拋(pao)光過程中(zhong)的(de)作用不如含較多羧(suo)基(ji)的(de)絡(luo)合(he)劑，拋(pao)光后(hou)的(de)表面粗(cu)糙(cao)度(du)會隨著絡(luo)合(he)劑中(zhong)羧(suo)基(ji)個數的(de)增多而降低， 并且材料去除速(su)率(lv)會隨羧(suo)基(ji)個數增多而升(sheng)高，因此EDTA等含有(you)較多羥(qian)基(ji)的(de)絡(luo)合(he)物在(zai)微晶玻璃(li)的(de)CMP拋(pao)光液中(zhong)有(you)較大的(de)應用價值(zhi)。

       04PH調節劑

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

       由(you)于(yu)氧化鈰膠體(ti)粒子的(de)等電(dian)位點的(de)pH為(wei)6.5～7.5之間，當體(ti)系(xi)的(de)pH大(da)于(yu)7.5或(huo)小于(yu)6.5時(shi)(shi)，隨(sui)著堿(jian)性或(huo)酸(suan)性的(de)增加(jia)，其雙電(dian)層滑動(dong)面的(de)電(dian)位即ZETA電(dian)位絕對值都會逐漸(jian)增大(da)，此時(shi)(shi)懸浮物粒子異種電(dian)荷(he)主要集(ji)中在(zai)(zai)擴散層中導致(zhi)粒子間的(de)排斥力(li)越(yue)強(qiang)，越(yue)不易沉降(jiang)，不過由(you)于(yu)在(zai)(zai)強(qiang)堿(jian)性或(huo)者強(qiang)酸(suan)條件下，拋(pao)光液(ye)會對拋(pao)光機器產生(sheng)一定的(de)腐蝕，并且也會使玻(bo)璃表(biao)面產生(sheng)桔皮現(xian)象，因此，在(zai)(zai)微晶玻(bo)璃的(de)拋(pao)光中，可選(xuan)擇pH=7-9的(de)弱堿(jian)條件下進行拋(pao)光。

除(chu)此之外(wai)，堿性條件下也有利(li)于CeO2表(biao)面吸附大量的OH-與(yu)微(wei)晶(jing)玻璃表(biao)面的SiO2反應，提升拋(pao)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，其種類主要有陰離子表面活性劑、陽離子活性劑、兩性離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑等。

       CeO2粒(li)(li)子(zi)(zi)表(biao)面(mian)(mian)帶負電荷，加入陰離子(zi)(zi)表(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑后，由(you)于(yu)同(tong)性(xing)電荷相互排斥的(de)(de)作(zuo)(zuo)用，CeO2粒(li)(li)子(zi)(zi)在拋光液中的(de)(de)分(fen)(fen)散性(xing)會更好(hao)，因此拋光效(xiao)果比較好(hao)。而如果添(tian)加陽離子(zi)(zi)表(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑，CeO2粒(li)(li)子(zi)(zi)可能會吸附陽離子(zi)(zi)表(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑的(de)(de)基團，出(chu)現部分(fen)(fen)沉降現象，造成(cheng)磨(mo)(mo)料(liao)分(fen)(fen)散不(bu)均勻，拋光過程中磨(mo)(mo)料(liao)不(bu)能充分(fen)(fen)發揮研磨(mo)(mo)作(zuo)(zuo)用，導致材(cai)料(liao)去除速率降低，表(biao)面(mian)(mian)粗糙度值升高。

       小結

       微(wei)晶(jing)玻璃(li)是玻璃(li)相和微(wei)晶(jing)相共同形成(cheng)的(de)(de)多相復合(he)體(ti)，化(hua)(hua)學(xue)成(cheng)分的(de)(de)差異(yi)和高的(de)(de)機械強度使得傳統的(de)(de)研(yan)磨拋(pao)光(guang)(guang)(guang)工(gong)藝(yi)難以將它(ta)加工(gong)成(cheng)亞納米級(ji)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)滑表面(mian)。CMP拋(pao)光(guang)(guang)(guang)作(zuo)為目前唯(wei)一能提供原(yuan)子級(ji)全(quan)局平坦化(hua)(hua)的(de)(de)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)技術，能夠利用(yong)化(hua)(hua)學(xue)反應(ying)與機械磨損的(de)(de)協同作(zuo)用(yong)，實現微(wei)晶(jing)玻璃(li)表面(mian)的(de)(de)高效、均(jun)勻拋(pao)光(guang)(guang)(guang)。在CMP拋(pao)光(guang)(guang)(guang)過程中，CMP拋(pao)光(guang)(guang)(guang)液(ye)中各組分均(jun)發(fa)揮著重要作(zuo)用(yong)，在應(ying)用(yong)時應(ying)合(he)理搭配并平衡各組分含(han)量(liang)，以達到最佳的(de)(de)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)效果(guo)和拋(pao)光(guang)(guang)(guang)速率。

        參考文獻：

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        王金(jin)普,白(bai)林山,儲向峰.不同(tong)磨料對微晶(jing)玻(bo)璃化學機械(xie)拋光的影響(xiang)[J].納(na)米技(ji)術與精密工程(cheng).