氧化铝／聚甲基丙烯酸复合粒子的抛光性能

氧化铝／聚甲基丙烯酸复合粒子的抛光性能

摘要：在化学机械抛光(CMP)中，为了提高氧化铝磨料的分散稳定性及减少抛光划痕，通过硅烷偶联剂在其表面接枝了聚甲基丙烯酸(PMAA)制得了一种新型的复合粒子（a-A1203-g-PM AA）。SEM结果表明，制得的复合粒子分散稳定性明显提高。进而用SPEEDFAM-16B-4M抛光机研究了其在玻璃基片中的抛光性能。抛光后玻璃基片表面的ZYGO表面形貌仪和AFM分析结果表明，在相同的抛光条件下，与纯Al203磨料相比，所制得的复合粒子表现出了低的表面粗糙度及划痕。该复合粒子可望用做新型CMP磨粒。

关键词：氧化铝／聚甲基丙烯酸复合粒子；化学机械抛光；玻璃基片

1  引言

   随着光存储技术的发展，下一代以blue-ray（蓝光技术）读取数据的数字光盘，其读取速度将大于8 000 r/min(与计算机硬盘的运行速度相当，大大高于目前红光技术的3 000 r/min -4 000 r/min)，这对作为数字光盘制造过程中的母盘的玻璃基片的表面质量提出了更高的要求。目前，CMP技术几乎被公认为是唯一的全局平面化技术，广泛应用于玻璃基片和超大规模集成电路等精密制造业中。众所周知，CMP过程是通过磨料的机械研磨作用与抛光液中氧化剂的化学腐蚀作用有机结合来完成的，所以抛光液的制备成为CMP技术的关键。而抛光磨料的制备又是抛光液制备技术的关键，它们的硬度、大小及其结构等直接影响抛光后工件的表面质量。

   a-Al2 03作为传统的无机磨料，已被广泛应用于集成电路和玻璃基片等器件的抛光中。但是由于其高硬度（硬度仅次于金刚石）和易团聚的特点会导致抛光后工件表面出现抛光划痕和凹坑等表面缺陷，已经不能满足被抛光器件表面高质量的要求。于是，有机／无机复合粒子由于其特殊的结构引起了人们的注意。如R. K. Singhd等认为在硬度较高的粒子表面包覆一层较软的物质可以减少抛光划痕和凹坑等缺陷；Yano等制备了一种含有无机／树脂复合粒子的抛光液，并应用在铝低电介质大马士革布线上的化学机械抛光中，结果表明，抛光后工件表面光滑，划痕等表面微观缺陷有明显改善。但迄今为止，制备a-Al203/有机复合粒子并应用于数字光盘玻璃基片的抛光尚未见报道。为此，本研究通过硅烷偶联剂在a-Al2 03表面接枝了聚甲基丙烯酸水溶性高分子，并研究了其在数字光盘玻璃基片中的抛光性能。

2实验部分

2.1 Al203-g-PMAA复合粒子抛光液的制备

   A1203-g-PMAA复合粒子是通过硅烷偶联剂KH570在氧化铝粒子表面接枝甲基丙烯酸单体(MAA)而制得的。即先将一定量的干燥的氧化铝粉体置于甲苯中，然后加入一定量的KH570，110℃下反应10 h，产物经提纯后置入纯水中，依次加入引发剂过硫酸铵和MAA，通氩保护并反应5h后，提纯即得Al203-g-PMAA复合粒子粉体。

   将如上制得的粉体置于一分散容器中配制成5%的溶液，加入占粉体质量4%的抛光助剂，搅拌后均匀分散1h．再于震荡机中用锆珠震荡2h。然后采用孔径为20 um的筛网过滤，除去大颗粒及杂质。

   采用CSM950扫描电子显微镜（OPTON公司）观察了纯Al203和Al203-g-PMAA在水中的分散情况，如图1所示。比较可见，纯Al2 O3粉体团聚严重，分散不均匀，而A1203-g-PMAA粉体团聚被打开，基本能够分散均匀。这是因为适量的聚合物接枝在粉体表面，阻止了已分开颗粒之间的再度团聚，提高了粒子的亲水性。可见，经接枝改性的粉体达到了分散的目的。

2.2抛光试验

   用SPEEDFAM-16B-4M抛光机（日本SPEEDFAM公司制造）进行抛光试验。抛光条件如下：抛光压力为146 kg，下盘转速为15 r/min，抛光时间为180 min，抛光液流量为l L/min。抛光垫为RODEL公司生产，其表面是一层具有多孔性结构的高分子材料。抛光工件为φ160 mm钠钙毛玻璃基片，抛光前其表面平均粗糙度大约为500 nm。

   采用New View 200型ZYCO表面形貌仪(ZygoCorp.，法国)测试抛光后表面平均粗糙度（Ra），其分辨率为0.01 nm，测量范围为0.357 mm×0.268 mm。用DID-300原子力显微镜(DigitalInstrument Corp.，美国)分析抛光前后的表面形貌，其水平分辨率为0.1 nm，垂直分辨率为0.001 nm。用分析天平称量抛光前后玻璃基片的质量，其差值为去除量。Ra和去除量的数据均为6次测量的平均值。

3  A1203-g-PMAA复合粒子

 在玻璃基片上的抛光性能

 为了研究制备的A1203-g-PMAA复合粒子的抛光特性，研究了玻璃基片在抛光前3h内去除量的变化。以制备的复合粒子为例（图2中曲线b），从图中可以看出，材料去除量随着时间的增加而逐渐增大。这是因为在抛光的前段时间内，由于基片表面粗糙峰比较多，抛光去除的多是表面粗糙峰，从而去除量大。随着抛光时间的增加，基片表面的粗糙峰越来越少，随之去除量增加逐渐趋缓。

   化学机械抛光是一个复杂的机械磨损过程，而其中的机械作用是由磨料来提供的。磨料的磨损体积可用(1)式计算：

   v= kW/Hs    (1)

其中，k是磨料的磨损常数，w是法向载荷，H为抛光工件表面的硬度。k是由磨料的硬度、形状和起切削作用的磨粒数量等因素决定。磨粒的硬度越大，形状越锋利，k就越大，则磨损体积就越大，即去除量就越大，去除率也就越高。比较图2中曲线a，b可以看出，制备的Al203-g-PMAA复合粒子的去除量显然低于纯A12 03的去除量。这是因为在氧化铝表面包覆了高分子层以后减小了其硬度，从而导致了k的减小，也就导致了去除量的降低。

   由图3可以看出，抛光初期，粗糙度随着时间的增加逐渐减小，而当时间为60 min的时候，表面粗糙度几乎达到定值，以后也役有什么变化了。换句话说，就是对于玻璃基片的抛光，60 min已经足够，延长抛光时间已经不能改善其表面质量。另外，比较图3中的曲线a和b可以看出，制备的Al203-g-PMAA复合粒子抛光后基片的Ra小于纯A12 03抛光后基片的Ra，也就是说，制得的A1203-g-PMAA复合磨料表现出比纯A12 03磨料优越的抛光性能。

   为了进一步揭示制备的A1203-g-PMAA复合磨料的抛光效果，采用AFM在5um×5 um范围内对抛光前后基片表面形貌进行了分析。图4为未抛光前玻璃基片表面形貌。由图可见，未抛光的玻璃基片表面凹凸不平，起伏很大，微粗糙度值(RMS)为67 .058 nm。图5为纯A12 03磨料抛光后玻璃基片表面形貌，RMS值降低为1.703 nm，表面虽然变得平坦，但仍有抛光划痕、凹坑等缺陷。图6为A12 03-g-PMAA复合磨料抛光后玻璃基片表面形貌，较纯Al203磨料抛光后玻璃基片表面形貌更为平坦，RMS值为1.331 nm，且表面几乎无抛光划痕、凹坑等缺陷。表明A1203-g-PMAA复合磨料比纯A1203磨料对玻璃基片具有更好的抛光性能。

   A1203-g-PMAA复合磨料抛光效果较好可能与以下因素有关：(1)制备的A1203-g-PMAA复合粒子由于表面高分子聚合物链的空间位阻作用，水分散稳定性大大改善，粒子的团聚被有效阻止；(2)粒子表面接枝的高分子聚合物硬度低，且有粘弹性，磨粒的硬度得到适当降低，抛光微区无机磨粒对玻璃基片的“硬冲击”被代之以“弹性接触”，高分子聚合物起到了缓冲作用。以上两种变化都改善了抛光后玻璃基片的表面质量。

4  结论  

   制备了一种A1203-g-PMAA复合磨料，大大提高了其抛光液的分散稳定性。所制备的复合磨料对数字光盘玻璃基片进行抛光．在相同的抛光条件下，AFM表明，制得的复合磨料抛光后的玻璃基片表面比纯Al203磨料抛光后的玻璃基片表面更为平坦，证明了该复合磨料比纯A1203磨料具有更优越的抛光性能。