隨著計算機技術(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)和較低的機械強度，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代硬盤技術(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，微晶玻璃在機械強度和力學性能方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，能夠在高速運轉(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納米級的光滑表面，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行微晶化處理，而形成的玻璃相和微晶相的多相復合體。相對普通玻璃，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，當受到外力導致裂紋擴展時，裂紋碰到其中的細小晶粒會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使得裂紋擴展的路徑變長，有效分散應(yīng)力，達到抑制微裂紋擴展的目的。

       不過，也正由于微晶玻璃的特殊微觀結(jié)構(gòu)，在其拋光過程中，磨料作用的對象為晶粒和殘余玻璃，兩種物相結(jié)構(gòu)、化學成分都不相同，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光滑表面，而化學機械拋光（CMP）這種目前唯一能提供原子級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？

       化學機械拋光是利用化學反應(yīng)和機械研磨的協(xié)同作用來進行拋光的，其拋光液的成分是多種化學物質(zhì)的混合物，主要包括磨料、PH調(diào)節(jié)劑、潤滑劑、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，潤滑劑主要起到潤滑和減少表面摩擦的作用，表面活性劑和絡(luò)合劑可以促進拋光中化學反應(yīng)進行。

       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，機械磨削作用比較強，容易在材料表面造成機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“軟拋硬”給微晶玻璃帶來很好的拋光效果，同時由于Ce元素具有多種價態(tài)且不同價態(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。

       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，為了保證拋光過程中晶粒不脫落，需要選擇粒徑遠比晶粒小的納米級磨粒。這種小粒徑的磨料對晶粒的沖擊力將會較弱，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，那么磨料對晶粒的沖擊力較大，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

       化學機械拋光過程中的主要化學作用是氧化反應(yīng)， 所以氧化劑是影響化學機械拋光的重要參數(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，不少研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，氧化劑在微晶玻璃化學機械拋光也能發(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等拋光時易在產(chǎn)生的高溫下分解，導致氧化能力減弱， 拋光效果，而過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， 在拋光過程中能充分發(fā)揮氧化作用， 所以拋光后能得到較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， 科學家們通過實驗發(fā)現(xiàn)，羧基和羥基的存在對于材料去除率和表面粗糙度的提升都一定作用，不過含較多羥基的絡(luò)合劑在微晶玻璃拋光過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隨著絡(luò)合劑中羧基個數(shù)的增多而降低， 并且材料去除速率會隨羧基個數(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)用價值。

       04PH調(diào)節(jié)劑

       CeO2表面帶負電荷，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的pH為6.5～7.5之間，當體系的pH大于7.5或小于6.5時，隨著堿性或酸性的增加，其雙電層滑動面的電位即ZETA電位絕對值都會逐漸增大，此時懸浮物粒子異種電荷主要集中在擴散層中導致粒子間的排斥力越強，越不易沉降，不過由于在強堿性或者強酸條件下，拋光液會對拋光機器產(chǎn)生一定的腐蝕，并且也會使玻璃表面產(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粒子表面帶負電荷，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更好，因此拋光效果比較好。而如果添加陽離子表面活性劑，CeO2粒子可能會吸附陽離子表面活性劑的基團，出現(xiàn)部分沉降現(xiàn)象，造成磨料分散不均勻，拋光過程中磨料不能充分發(fā)揮研磨作用，導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合體，化學成分的差異和高的機械強度使得傳統(tǒng)的研磨拋光工藝難以將它加工成亞納米級的光滑表面。CMP拋光作為目前唯一能提供原子級全局平坦化的拋光技術(shù)，能夠利用化學反應(yīng)與機械磨損的協(xié)同作用，實現(xiàn)微晶玻璃表面的高效、均勻拋光。在CMP拋光過程中，CMP拋光液中各組分均發(fā)揮著重要作用，在應(yīng)用時應(yīng)合理搭配并平衡各組分含量，以達到最佳的拋光效果和拋光速率。

        參考文獻：

        白林山,王金普,儲向峰.添加劑對微晶玻璃化學機械拋光的影響[J].潤滑與密封.

        白林山,王金普,儲向峰.二氧化鈰拋光液化學機械拋光微晶玻璃的機理及優(yōu)化[J].金剛石與磨料磨具工程.

        王金普,白林山,儲向峰.不同磨料對微晶玻璃化學機械拋光的影響[J].納米技術(shù)與精密工程.