作为抛光液中最重要的组分,磨料直接关系到抛光效果和加工效率,在具体应用中,往往要依据工件的硬度、研磨目标(精抛、粗抛等)以及抛光工艺的种类来挑选。硅溶胶抛光液作为当前主流的抛光液之一,其中的SiO2磨粒具有硬度适中、粒径小、分散性良好、比表面积大、渗透性优异等诸多优点,在单晶硅、二氧化硅、蓝宝石、各类软金属、合金、氧化铝、氧化锆陶瓷等材料的精抛中均有广泛应用。
来源:惠尔特纳米科技
硅溶胶抛光液的特点
硅溶胶是纳米SiO2粒子分散在水(或有机溶剂)中形成的胶体分散液。由于SiO2溶于水后可形成Si—OH键,其内部可形成Si—O—Si键相联结而成的立体网状结构,外部则包裹着带负电的羟基,可吸附周围介质中的部分反离子组成吸附层,与扩散层即胶体溶液中的剩余反离子共同组成了硅溶胶的双电层结构,这赋予了硅溶胶抛光液一系列优势:
(1)表面损伤层小:硅溶胶中的SiO2磨粒表面包覆了一层无色透明胶体,比常规SiO2磨粒还要更软一点。同时二氧化硅胶体的粒径通常为纳米尺度,且形貌为球形,可以降低表面粗糙度和损伤层的深度。
(2)抛光一致性:特殊的双电层结构使得硅溶胶具有良好的悬浮稳定性,可以确保磨料在工件表面的均匀分布,提高抛光一致性。
(3)流动性好:硅溶胶通常具有较高的流动性,不仅有助于排除磨屑,避免材料损伤,还有助于材料抛光后的清洗。
二氧化硅胶团结构
硅溶胶抛光液的应用
凭借上述优势,二氧化硅(SiO2)抛光液不仅可以抛光单晶硅片,还可以抛光层间电介质(ILD)、绝缘体、导体、镶嵌金属(W、Al、Cu、Au)、多晶硅和氧化硅通道。此类材料经过平面化处理,还广泛应用于薄膜存储盘、微电子机械系统(MFMS)、先进陶瓷、磁头、机械磨料、精密阀门、光学玻璃、金属材料等表面加工领域。
1、典型应用——单晶硅片
单晶硅片在半导体工业中被广泛用于微电子器件的制造,如集成电路、微处理器和传感器。伴随着半导体工业的迅猛发展,集成电路的集成度越来越高,硅片表面的平整度要求越来越高,已达到纳米级水平。同时为了降低生产成本、提高生产效率,硅片的尺寸也越来越大,因此对抛光的要求也越来越高。传统的平坦化技术,如选择淀积、旋转玻璃法等,仅仅能实现局部平坦化,但对于微小尺寸特征的电子器件,必须进行全局平坦化才能满足硅片的使用要求。而化学机械抛光是目前为止唯一能够实现硅片局部和全局平坦化的工艺技术,是目前单晶硅片最典型的抛光方式。
(来源:江阴皓睿光电)
在硅晶片化学机械抛光中普遍使用粒径50~80nm左右的球形二氧化硅磨料所制成的碱性硅溶胶抛光液,由于粒径较大,能够在获得较高表面质量的同时,还能兼顾一定的抛光效率。
2、蓝宝石晶体材料
随着科学技术的迅猛发展,蓝宝石晶体材料凭借良好的光学、热学、介电性能和优良的力学性能、化学稳定性、热稳定性能以及抗辐射性能,成为现代工业、尤其是微电子及光电产业极为重要的基础材料,广泛应用于半导体外延衬底材料包括氮化镓衬底、SOI衬底(SOS),光学窗口以及激光基质材料等。
蓝宝石衬底(来源:青岛嘉星晶电)
不过,也正因为稳定的化学性质和极高的硬度,蓝宝石材料的加工难度也超乎寻常!利用硅溶胶抛光液,纳米级的二氧化硅表面具有更多数量的羟基,表面活性好,可以促进其与蓝宝石衬底之间的固相反应速率,生成质地较软的反应层——硅酸铝的二水化合物。同时,二氧化硅的莫氏硬度为7,其硬度高于反应层的硬度且低于基体材料的硬度,因而在抛光过程中既能去除反应层,又不会对基体表面造成新的损伤,是目前蓝宝石抛光行业采用的主流抛光液。
3、计算机硬盘基片
硬盘信息的读写由磁头和盘片之间的高速旋转运动实现。随着垂直磁记录技术在计算机硬盘中的发展与应用,硬盘存储密度不断提高,磁头飞行高度不断降低,这就导致表面上任何一个微小的缺陷如点蚀、凹坑和突起等都会导致产品报废,因此要求磁头、磁盘的表面粗糙度Ra和波纹度Wa达到亚纳米级的精密度。
通常,硬盘基片以铝镁合金、玻璃等为基体,表面化学镀非晶态Ni-P层,镀层中Ni、P物理化学性质的差异、元素分布特性以及非晶结构的机械强度等,,增加了获得高度光滑表面的困难程度。采用化学机械抛光,并选用较软的SiO2溶胶作为抛光材料,不仅可以同时对基体和镀层进行全局平坦化,还不容易在磁盘磁头表面产生随机划伤,可以提供最佳的磨削效率和表面光洁度,使硬磁盘、光盘、磁头得到很好的抛光效果。
4、陶瓷基板抛光
与金属、金属基复合材料以及树脂基片相比,以氧化铝等陶瓷原料制作的陶瓷基板具有优良的导热性、电绝缘性、气密性、力学性能和介电性能等优点,被广泛用于集成电路、大功率半导体器件、通讯电子领域、LED 产业、锂电池、芯片、航天航空和国防军工等高科技领域。为了满足当前电子器件小型化、薄型化的要求,陶瓷基板对尺寸精度和表面质量有很高的要求,所以需要对其进行研磨抛光,去除基板表面的附着物、改善平整度、降低表面粗糙度,才得以应用,但由于陶瓷基板的硬度高、脆性大、 容易产生裂纹,表面加工难度也极大。
氧化铝陶瓷基板(来源:四川六方钰成)
采用硅溶胶作为抛光液,对氧化铝陶瓷基板进行CMP抛光,可以促使基板表面发生化学反应,形成柔性的 Al2Si2O7·2H2O,软化基板的同时通过机械研磨将被软化的表面去除,同时也有效解决机械抛光产生的机械应力大的问题,减少了在基板表面产生微裂纹的可能性,保持了基板的完整性和机械强度。
5、光学玻璃
为了更好地透过和反射光线,减少光损失和像差,光学仪器、镜头、棱镜等精密光学元件对表面的平整度、光洁度和精度要求极高,抛光是获得光学玻璃镜片表面品质的主要工序, 目的是去除上道磨削工序残留的瑕疵, 使表面透明光滑, 达到规定的表面瑕疵等级,并达到表面形状精度, 使中心厚度尺寸符合规定要求。
(来源:长春市奥艺科技)
硅溶胶中二氧化硅胶粒为近球形,且其表面包覆了一层无色透明胶体,比常规SiO2磨粒更软一点,因此抛光时,能够在不损害光学玻璃表面的情况下,温和地去除磨削痕迹和其他表面瑕疵,不仅可以形成高质量的抛光效果,提高光学元件的成像性能,还可以精确控制光学元件的表面形状精度,确保光学器件的精确性。
参考文献:
1、周艳,罗桂海,潘国顺.抛光液组分对硬盘盘基片超光滑表面抛光的影响[J].纳米技术与精密工程,2012,10(02):177-183.DOI:10.13494/j.npe.2012.032.
2、程佳宝,石芸慧,牛新环,等.CMP抛光液中SiO2磨料分散稳定性的研究进展[J].微纳电子技术,2024,61(02):31-41.DOI:10.13250/j.cnki.wndz.24020103.
3、孔慧停.硅溶胶的可控制备及其在化学机械抛光中的应用[D].山东大学.
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