超细氧化铝抛光液的制备及其抛光特性研究

超细氧化铝抛光液的制备及其抛光特性研究

摘要：化学机械抛光(CMP)技术广泛用于表面的超精加工，抛光液是CMP技术中的关键要素。本文制备了一种超细Al2O3抛光液，采用激光粒度仪、扫描电镜等对其进行了表征。进而研究了其在镍磷敷镀的硬盘基片CMP中的抛光特性。结果表明抛光液中Al203粒子用量、氧化剂用量均直接影响抛光后的表面质量及材料去除速率。借助对抛光后表面的原予力显微镜(AFM)、俄歇能谱以及X射线光电子能谱分析，对其CMP机理进行了推断。

关键词：化学机械抛光(CMP)；硬盘基片；超细A120。粒子；抛光液

1 引 言

自从1991年IBM首次将化学机械抛光技术(chemical mechanical polishing，简称CMP)成功应用到64Mb DRAM的生产中，各种逻辑电路和存储器以不同的发展规模走向CMP。CMP将超细粒子的机械研磨作用与氧化剂的化学腐蚀作用有机地结合起来，对材料表面进行超精加工，可以引人注目地得到用其它任何平面化加工不能得到的低的表面形貌变化。目前，化学机械抛光技术已成为几乎公认为唯一的全局平面化技术，广泛应用于计算机硬盘、集成电路硅晶片、光学玻璃等先进电子产品的制造中。

化学机械抛光液是CMP中关键的要素，其性能直接影响抛光后材料的表面质量。化学机械抛光液目前主要依赖进口，局限了我国超精密加工技术的发展。同时，CMP过程涉及复杂的机械、化学、固体物理以及流体力学过程，目前对CMP机理尤其是化学机理的了解比较欠缺，局限了CMP技术的进一步提高。为此，本文制备了一种超细Al2O3抛光液，并在国内首次研究了其在镍磷敷镀的硬盘基片CMP中的抛光特性及抛光机理。

2 实 验

2．1 Al2O3抛光液的制备

Al2O3粒子分散液的制备。将o．5g聚羧酸钠分散剂(湖北长江化工厂)溶解于100ml去离子水中，机械搅拌下加入适量a—Al2O3(日本FUJIMI公司，原生粒径为200nm)，搅匀后，在100kHz频率下超声分散1h，得到A1203分散液。

Al2O3粒子抛光液的配置。搅拌下，在上面制得的Al2O3粒子分散液中，加入适量氧化剂(如过硫酸钠)、缓蚀剂(如硫脲)，再用硝酸调节液体的pH值在3．o～4．o之间，最后再经离心分离，控制一定的离心工艺条件，除去大颗粒，得到超细Al203抛光液。

采用MASTERSIZER激光粒度仪(Malvern In—struments LTD)、CSM950扫描电镜(OPTON公司)对制备的超细Al2O3抛光液进行表征，结果分别见图

1、2。可见制备的超细Al2O3抛光液中Al203粒子平均粒径为o．5um左右，粒子外形为不规则形。

2．2抛光试验

用SPEEDFAM一16B_4M抛光机(日本SPEED—FAM公司制造)进行抛光试验。抛光时间为3．2min，抛光液流量为500ml／min。工件为95mm／50mil镍磷敷镀的铝合金计算机硬盘基片(以下简称盘片)。抛光垫为KKOOl型抛光垫（日本REDOL公司），其表面是生长法得到的一层多孔的聚胺酯高分子材料。抛光后，盘片在含1. 5%表面活性剂的清洗液中用超声波清洗，然后在一多功能干燥系统中干燥。

2.3  抛光后盘片表面的检测

   R。为平均粗糙度，它代表较精细、较小空间波长范围的表面特征；W。是平均波纹度，它代表较长空间波长范围的表面特征；W．、R.用Chapman MP2000+表面形貌仪（Chapman Instrument Inc，美国）测试，其分辨力为0. 03nm，测量波长分别为R．80um及W。400um。铝合金基片表面敷镀镍磷的厚度用XRF1020厚度测试系统（Helimut  Fischer Gmeh+ co，德国）测试，抛光前后NiP层厚度差为去除量(removal a—mount)，去除量除以抛光时间为去除率。用Dl D-300原子力显微镜分析抛光后的表面形貌，其水平分辨力为0. Inm，垂直分辨力为0.OOlnm。用PHI 680俄歇纳米探针分析抛光后盘片表面的元素分布，测试条件为离子束电流lμA，离子束电压2kV，电子束电流lOnA，电子束电压lOkV，扫描区域20μm×20um。用KRATOS XSAM 800型电子能谱仪对盘片表面进行X射线光电子能谱(XPS)分析，测定盘片表面元素Ni、O的电子结合能以判断其存在的价态。测试条件：激发源为MgKa，1253. 6eV，12. 5kV×18mA（X射线功率）；真空度优于2×10-7 Pa; FRR分析器模式为FRR以沾污碳c13=284. 6eV为能量参考。

3结果及讨论

3.1超细Al2 O3抛光液的抛光特性

   已有的研究表明CMP过程是化学、机械学及流体力学等综合作用的结果。化学机械抛光液由纳米粒子研磨剂、氧化剂以及少量功能性助剂组成，研磨剂、氧化剂是抛光液的主要成分C。研磨剂提供机械磨削作用，氧化剂提供化学作用，已有的研究表明，这两种作用在CMP平整过程中起着关键作用。

   为此，为揭示制备的Al2 O3抛光液的抛光特性，对抛光液中Al2 O3粒子用量、氧化剂用量与抛光后表面质量以及材料去除率的关系规律进行了研究，结果分别见图3、4。

   由图3可见，随着A12 03粒子用量的增加，盘片表面的w，和R．变化趋势相近，即先降后升，7% Al203粒子用量时，w．和R。最小。从变化速率来看，Al2 O3粒子用量<7%时，W．和R。下降幅度较小；而超过7%Al2O3粒子用量时，W。和R,上升速率更快。表明，Al2 03粒子用量大时，机械研磨作用过强，造成了表面的不平坦。材料去除速率随A12 03粒子用量的增加表现为逐步增加，表明Al2 03粒子用量增加时，机械磨削作用增强，导致材料去除速率的提高。

   由图4可见，随氧化剂用量的增加，盘片表面的M和R变化趋势也相近。氧化剂用量为0时，w,和R，最大；随氧化剂用量的增加，W。和R。快速下降，2%氧化剂用量时，W。和R。达到最小；氧化剂用量超

过2%时，W．和R。又增大。表明，单纯机械抛光（氧化剂用量为0时）的表面质量不高，结合化学作用（添加氧化剂）可以提高表面平整水平。同时结合盘片表面的w．和R．随Al2 03粒子用量的变化规律，可以发现达到较高表面质量时，提供机械作用的Al2 03粒子和提供化学作用的氧化剂在抛光液中均需要合适的用量。

   材料去除率随氧化剂用量的增加表现为逐步上升，增加速率表现为先快后慢，氧化剂用量为0时的材料去除速率最小。表明，单纯机械抛光的速度慢，机械作用结合化学作用，可以大大提高抛光速度；并且在低的氧化剂浓度时，抛光速率提高更快，较高氧化剂浓度时，可能氧化膜的形成速度已可以满足研磨粒子机械磨削速度的要求，故此时表现为抛光速率提高不明显。

3.2盘片表面分析

   为进一步揭示化学机械抛光的效果，采用AFM盘片对表面形貌进行了分析。以在含7%氧化铝和2%氧化剂的抛光液中抛光后的盘片为例，其AFM形貌如图5所示。同时以抛光前盘片表面进行对照（见图6）。可见，未抛光的盘片表面凸凹不平，起伏很大；而在本文中制备的氧化铝抛光液中抛光后，表面变得平坦。表明超细氧化铝抛光液对计算机硬盘基片具有较好的化学机械抛光性能。

4 CMP机理分析

   为探讨制备的氧化铝抛光液对盘片的化学机械抛光机理，采用AES对上述的抛光后盘片表面的化学变

化进行了分析。盘片表面的元素分布以及盘片溅射1min后的元素分布如图7所示，可见抛光后盘片表面元素组成为O 46%、Ni 31. 1%、C 22. 1%、P O．8%；溅射1min后盘片基体元素组成为Ni 85. 3%、P 14. 7%。与基体相比，抛光后盘片表面多了O、C元素，元素C的引入可能是抛光液中聚羧酸钠分散剂分子在盘片表面化学吸附引起，元素O的来源可能有两个：聚羧酸钠分散剂分子的化学吸附和盘片表面元素Ni的氧化。为此，进一步对盘片表面进行了XPS分析，如图8所示。可见，Ni元素的电子能谱峰出现在852.8、855.9eV处，它们分别对应金属Ni和Ni(OH)2；O元素的电子能谱峰出现在531. 6eV，对应Ni(OH)2中的氧。表明盘片表面Ni发生了氧化，且氧化产物为Ni(OH)2。

   综合盘片表面AES和XPS的分析结果，我们推测制备的Al2 03抛光液对盘片的CMP机理为：首先，NiP敷镀的铝合金硬盘基片表面元素Ni被氧化剂氧化，在表面上生成一层Ni(OH)2氧化膜，这层新生成的氧化膜致密度以及与基体的结合强度可能较低，从而易于被A12 03粒子磨去，由于表面突起的部分先被磨去，从而可以实现表面的全局平面化。同时化学机械抛光应该是一个动态的氧化一磨损的循环过程，两种作用（化学作用、机械磨削作用）的有机结合和氧化膜的形成速度、磨削速度的最佳匹配才可以使CMP加工达到理想的表面平整水平，因而表现为抛光液中氧化剂、磨粒均需要合适的用量。然而，实际的CMP过程和机理应更为复杂，在线检测手段还须开发，确切的CMP机理还有待进一步研究。

5结论

   制备了一种超细Al2 O3抛光液，并研究了其对NiP敷镀的铝合金硬盘基片的抛光特性。结果表明，抛光液中Al2 O3粒子用量、氧化剂用量均直接影响抛光后的表面质量及材料去除速率。原子力显微镜(AFM)表明，在制备的超细Al2 O3抛光液中抛光后，表面形貌变化大大下降。抛光后表面的俄歇能谱以及X射线光电子能谱分析表明，抛光过程中发生了氧化反应，氧化产物为Ni(OH)2。