该如何保证氧化铝系抛光浆料的稳定性？
2020-12-18 16:59:50
随着半导体和集成电路的飞速发展，化学机械抛光技术（Chemical Mechanical Polishing，CMP）这种结合了机械磨削和化学腐蚀的组合技术得到了广泛应用。它可在各种材料上实现原子级超光滑表面，是目前被公认的唯一一种能实现全局平面化的技术。
在决定CMP最终效果的各项因素中，抛光液是关键中的关键。抛光液主要由磨料、溶剂和添加剂组成，其种类、性质、粒径大小、颗粒分散度及稳定性等都会影响抛光效果。目前市场上使用最为广泛的几种磨料是SiO2、CeO2、Al2O3。其中，Al2O3磨料的硬度与蓝宝石（莫氏硬度为9）接近，在对蓝宝石抛光过程中的材料去除速率较高，因而逐渐成为抛光蓝宝石的热门磨料之一。
蓝宝石单晶需要经过切片、研磨、倒角、抛光后才能得到合格的基片
曾有研究人员做实验对比poly-diamond、Mono-diamond、a-Al2O3三种磨料对蓝宝石的抛光效果，发现硬度小于蓝宝石的α-Al2O3磨料抛光后表面粗糙度最低，材料去除速率最大。不过Al2O3磨料对蓝宝石抛光虽然材料去除速率高，但由于Al2O3自身性质，以其为磨料配制的抛光浆料并不稳定易团聚，造成蓝宝石表面划痕严重，平整度降低，因此如何克服氧化铝系抛光浆料稳定性成为当下研究热点。
团聚的原因及解决方案
氧化铝磨料分散于介质中，由于纳米粒子比表面能高、热力学不稳定，因此纳米氧化铝磨料在水中受静电力等作用极易发生团聚，浆料不稳定并出现分层现象，破坏抛光浆料的分散性及稳定性。团聚后的磨料对蓝宝石造成大划痕，造成抛光质量降低，所以氧化铝抛光浆料的分散稳定技术被广泛研究。
团聚的Al2O3磨料
目前提高稳定性的方法有对氧化铝表面进用偶联剂改性、改变氧化铝的Zeta电位提高抛光浆料的稳定性、制备氧化铝的复合磨料。
1.偶联剂改性
偶联剂是目前应用最广泛的表面改性剂，其中硅烷偶联剂最具代表性，对表面有羟基的无机离子最为有效。硅烷偶联剂对纳米氧化铝的表面改性作用明显，合肥工业大学的薛茹君用硅烷偶联剂KH570在乙醇溶剂中以草酸溶液为催化剂进行水解后对纳米氧化铝进行湿法表面修饰改性，修饰后特征峰强度增强表明偶联剂与氧化铝表面发生了较强的化学作用。实验测定结果表明，改性纳米氧化铝在有机相中的分散性和稳定性均得到了改善。
硅烷偶联剂修饰前后红外光谱图
雷红等采用接枝聚合法制备了Al2O3-g-聚丙烯酰胺复合粒子和Al2O3-g-聚苯乙烯磺胺复合粒子，成功地将有机物接枝到氧化铝表面，形成氧化铝为核有机物为壳的核壳结构。实验结果表面，接枝越多的氧化铝的分散稳定性越好。
接枝聚丙烯酰胺前后对比图
2.改变Zeta电位
改变氧化铝的Zeta 电位也可明显提高氧化铝抛光浆料的分散稳定性，陈启元等研究了不同分散剂对 Al2O3颗粒表面电性能以及浆体分散稳定性的影响，结果表明加入适量的六偏磷酸钠或聚丙烯酸钠均使氧化铝表面特征吸附阴离子使其等电点降低，浆料的稳定性提升。孔德玉等将氧化铝粉体分散于水中和1.125wt%的硅溶胶中检测稳定性，结果表明分散在硅溶胶中的氧化铝稳定性较分散于水中的Zeta 电位由-18mv降低至-28mv，体系稳定性明显提高。
3.制备复合磨料
通过对氧化铝的无机掺杂，掺杂后的氧化铝磨料不仅使氧化铝的粒径分布变窄，分散性变好，也使得其抛光性能改善。Fisher等研究了用5-25nm不同粒径的SiO2颗粒包覆在250nm的氧化铝颗粒表面，结果表明，改性后的氧化铝Zeta 电位的绝对值变大，抛光浆料的分散稳定性提高。
而当以硅溶胶做分散介质时，不仅能对分散于其中的氧化铝起到稳定作用，而且由于体系内研磨成分以Al2O3、SiO2共同存在，且SiO2成分能够与蓝宝石发生化学反应生成硬度较低的AlSi2O7，因此可以加速后续的研磨移除过程，有效地促进蓝宝石的材料去除速率并降低蓝宝石的表面粗糙度。
不同分散介质的氧化铝抛光浆料（左：水中：硅溶胶右：氧化铈）
资料来源：
氧化铝磨料制备、抛光浆料稳定性及其抛光性能的研究，张曼。
氧化铝抛光液磨料制备及其稳定性研究进展，吴俊星，刘卫丽，谢华清，宋志棠，朱月琴。