氧化铝复合磨粒对硬盘NiP／Al基板CMP的研究

氧化铝复合磨粒对硬盘NiP／Al基板CMP的研究

摘要：在Al2O3表面改性的基础上，制备了以氧化铝、水、双氧水、氢氧化钠溶液为主要成分的抛光液，研究了计算机NiP／Al硬盘盘基片的化学机械抛光(chemical mechanical polishing，简称CMP)特性．通过螺旋测微仪测量了NiP／Al硬盘盘基片表面在不同抛光压力、抛光盘转速、时间、pH值下的材料去除率，利用原子力显微镜AFM表征了抛光后的硬盘盘基片表面粗糙度及形貌，并分析研究了Al2O3抛光液的CMP机理．最终得到最佳抛光工艺参数：抛光盘速率为30r／min、抛光压力2．1 kPa、抛光时间为60 min、抛光液pH值为9，此时表面粗糙度Ra为4．67 nm．

关键词：Al2O3抛光液；NiP／Al基板；化学机械抛光

1 引 言

CMP技术是化学氧化、机械摩擦、流体力学等共同作用的过程，它是目前能够实现全局平面化的最佳方法之一叫．目前，已广泛应用于集成电路和硬盘盘基片的抛光．CMP抛光液主要由研磨剂和氧化剂是组成，实际中根据具体抛光工件需要加相应的功能性辅助剂，如缓蚀剂．CMP过程中，研磨剂和氧化剂分别提供机械作用和化学作用．CMP技术的发展有三个方向：1．在抛光液中磨粒的分散技术；2．抛光液的配方技术；3．抛光工艺参数优化技术．

存储量对硬盘极其重要，目前大多数硬盘都因存储量太小，不能满足大众的需要而被淘汰的[引，特别微型计算机的大量应用，如笔记本、上网本等掌上型计算机，要求硬盘既要满足高容量，又要满足小体积．计算机硬盘主要由盘基片与磁头构成，最简单直接的提高硬盘存储量的方法就是增加硬盘盘片数目，但这种违背计算机微型化发展的方法根本无法满足当前社会人们的需求．

最好的解决方法是提高单片盘基片的存储量．计算机磁头与硬盘盘片之问的距离是制约提高单片盘片存储量的主要因素，即磁头在盘基片上的飞行高度．通常，降低磁头与硬盘盘片之间距离的方法是减小计算机硬盘盘基片的保护膜和润滑膜厚度和降低飞行高度．减小计算机硬盘盘基片的保护膜和润滑膜厚度，不利于延长硬盘使用寿命．降低飞行高度的前提是必须使硬盘盘基片表面高度光滑平整．因此，本文通过实验制备了A12O3复合粒子抛光液，得到了以氧化铝、水、缓蚀剂、氧化剂、pH调节剂等为主要成分的最佳配方抛光液，其中常用的氧化剂有氧化性金属盐、氧化性金属络合物、盐类等，但考虑到在碱性环境下金属离子易对基片表面造成沾污的因素，优先选用无金属离子的氧化剂双氧水．同时，在自制Al2O3复合抛光液的基础上，本文运用该抛光液对计算机NiP／Al硬盘盘基片进行了高精密抛光处理，并进一步研究了抛光工艺参数对硬盘盘基片表面抛光的影响．

2 实 验

2．1抛光液的制备

称取一定量经过接枝改性的A12O3复合磨粒置于烧杯中，加实验室自制蒸馏水后磁力搅拌15min，使其分散．然后一边磁力搅拌用o．1 mol／L的Na0H溶液调节pH值，再加入一定量缓蚀剂，最后成配置成每份400 mL的计算机硬盘盘基片抛光液．

2．2 计算机NiP／AI硬盘盘基片的抛光

通过M480平面抛光机对计算机NiP／Al硬盘盘基片进行抛光，选用2．1方法配制的抛光液．抛光工件为西95 mm的NiP／Al硬盘盘基片(Ra为153 nm)．抛光后的盘基片在含表面活性剂的清洗液中用清洗，然后进行干燥再测量．表面粗糙度是指加工工件表面上具有小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，通常由工件表面加工方法造成，作为衡量抛光工件表面精度的指标．表面粗糙度及形貌用日本精工公司产的SPA400扫描探针显微镜进行表征，分析抛光后硬盘盘基片的表面形貌，测量范围为10um×10 um．用上海爱仪电子设备有限公司产的螺旋测微仪测量抛光前后NiP／Al硬盘盘基片的厚度(在基片上均匀取六个点测其厚度，求其平均值)，抛光前后厚度之差作为每次抛光的材料去除量，抛光一定时问的去除量除以相应的时间为去除率(material removalrate，简称MRR)．通常，在保证NiP／Al硬盘盘基片表面既光滑又平整的情况下，MRR越大抛光效果越好．

3结果及讨论

3．1抛光时间对NiP／Al硬盘盘基片材料去除率的影响去除率的影响，压力设置为0．7 kPa，抛光盘速率

设置为20 r／min，pH值设置为7．由图可知，在o～120 min的时间内，材料去除率MRR随着抛光时间的增加而下降，前60 min内MRR的去除率较大，尤其抛光的前20 min内MRR非常大；在抛光的后60 min内，MRR的减小幅度非常小，曲线变化趋于平缓，MRR基本维持在200 nm／min．这是由于在抛光初期，NiP／Al硬盘盘基片表面粗糙度比较大，粗糙峰谷比较多，CMP去除的基本都是硬盘盘基片表面的粗糙峰，因此MRR较大．但随着抛光时间的延长，硬盘盘基片表面的粗糙度变小，粗糙蜂谷的数量也减少，材料去除量越来越小，从而导致相应的去除率也逐渐变小，趋于稳定．

3．2 抛光液pH值对NiP／AI硬盘盘基片材料去除率的影响

在抛光压力为0．7 kPa，抛光盘速率为20 r／min，时间为60 min的条件下，研究不同pH值的抛光液对NiP／Al硬盘盘基片材料去除率的影响．由图2可得，抛光液pH值在7～11内，MRR先迅速增大后缓慢减小，在pH值为9时，MRR达到最大值，为239 nm／min．这是由于pH值越大，碱性环境下的化学作用增强．但pH值超过9时，由于碱性太强，Al203复合磨料与抛光液中的一0H发生化学反应，可能被反应溶解，使抛光液中的有效磨粒数减小，同时接枝的聚合物也失去作用，抛光液的机械作用减弱，导致NiP／Al硬盘盘基片表面MRR降低．

3．3抛光压力对NiP／Al硬盘盘基片材料去除率的影响

在抛光盘速率为20 r／min、时问为60 min、pH值为9的条件下，研究不同的抛光压力对NiP／Al硬盘盘基片材料去除率的影响．从图3可知，抛光压力在0．7～4．9 kPa的范围内，随着抛光压力的增加，MRR先迅速增大后缓慢减小．在0．7 kPa压力下，硬盘盘基片的MRR比较低，为140 nm／min左右，此时抛光垫和抛光液对硬盘盘基片产生的总体接触应力小，通过在其表面施加的压力使硬盘盘基片表面可吸收一定能量，产生一定的塑性变形，通过抛光液的机械作用使其脱落，带走表面被去除的材料．当压力达到2．1 kPa时，MRR最大值为230 nm／min，此时抛光垫和抛光液对硬盘盘基片产生的总体接触应力大，可使其

表面吸收能量增大，产生较大的塑性变形引起表面材料去除量增加，2．1 kPa增大；并且，机械作用增强会引起硬盘盘基片表面微突起使局部温度升高，有利于增强抛光液的化学氧化腐蚀作用．一旦压力超过2．1 kPa，持续增加压力到4．9 kPa，MRR反而降低了，这是由于抛光垫变得越来越密实，所饱含的抛光液越来越少，导致硬盘盘基片的氧化层表面与抛光垫直接接触，并且抛光垫与基片表面之间的抛光液减少，化学腐蚀和碰撞作用减弱．还有，过高的抛光压力时，易使硬盘盘基片发生微翘曲，局部表面去除量过大，导致损伤层加深；磨粒和硬盘盘基片氧化层表面产生弹性形变，易将磨粒压人表面，导致抛光效果变差．

3．4抛光速率对NiP／Al硬盘盘基片材料去除率的影响

在抛光时间为60 min、pH值为9、压力为2．1kPa的条件下，研究不同抛光速率对NiP／Al硬盘盘基片表面材料去除率的影响．由图4可知，在抛光速率O～60 r／min的范围内，随着抛光速率的增加，MRR先迅速增大后缓慢减小．当抛光盘速率为10 r／min时，单位时问去除的材料比较少，MRR较低；当抛光盘速率达到30 r／min时，MRR最大值为235 nm／min；一旦抛光盘速率超过30 r／min时，MRR开始降低．这是因为速率越大磨粒与硬盘盘基片接触次数越多，在同一时问内提高了磨粒研磨效率，MRR就增大．理论上，抛光盘速率影响硬盘盘基片表面氧化副产物的转移速度，速率越大，硬盘盘基片表面反应产物转移的越快．但当抛光速率达到一定值后继续增大时，在抛光垫与硬盘盘基片表面之间形成一层薄流体膜，相对于微米级的流体膜厚度而言，抛光液中复合磨粒要小得多，在一定程度上使复合磨粒的机械研磨作用削弱，导致MRR降低．

3．5 抛光后NiP／AI硬盘盘基片表面形貌表征图5、6分别表示未抛光、接枝改性的Al2O3复合磨粒抛光液抛光的NiP／Al硬盘盘基片表面形貌，抛光工艺参数：抛光盘速率为30 r／min、抛光压力2．1 kPa、抛光时问为60 min、抛光液pH值为9．由图5，未经抛光的NiP／Al硬盘盘基片表面粗糙度Ra非常大，Ra大约154 nm，说明未经抛光的硬盘盘基片表面凹凸不平，有明显的沟槽和凹坑，具有很大的起伏度．由图6得出，经接枝改性的复合磨粒抛光液抛光后，硬盘盘基片的Ra明显得到降低，Ra为4．67 nm，表面缺陷凹坑基本没有，划痕的深度将明显变浅，偶尔出现深划痕．这是因为复合磨粒具有外层包覆了一层具有粘弹性的聚合物，使粒子硬度有所降低，聚合物外层在磨粒碰撞盘基片表面时起到了很好的缓冲作用，降低了抛光时磨粒对NiP／Al硬盘盘基片表面的冲击强度，做到了以“柔性抛光”方式进行抛光，因此改善了NiP／Al硬盘盘基片的表面微观形貌，降低了表面粗糙度．

3．6 NiP／Al硬盘盘基片表面CMP机理分析通过对NiP／Al硬盘盘基片表面CMP的研究，浅谈了CMP中的化学氧化作用和机械磨削作用，同时借鉴专家学者对CMP机理的研究经验，根据实验结果分析了NiP／A1硬盘盘基片表面CMP机理，分四步CMP：

第一步，NiP／A1硬盘盘基片表面在抛光液的作用下被氧化，形成一层很薄的表面氧化膜．具体氧化反应过程如下：

2Ni+02+2H20—Ni(OH)2 (1)

Ni2++20H一一NiO+H，O (2)

4NiO+202—2Ni20， (3)

Ni203+3H20一2Ni(OH)。 (4)

由以上4步化学反应式可知，NiP／Al硬盘盘基片表面在抛光液的作用下一部分被氧化为NiO和Ni2O3，另一部分被氧化为Ni2+，溶解到抛光液中．最后由氧化镍和氧化亚镍的混合物组成表面氧化膜；

第二步，抛光液首先将NiP／A1硬盘盘基片表面局部凸起部分的氧化膜磨去，凹坑区域的表面膜由于动能低，处在滞留层，未能很快被磨去，这样便可阻止抛光液中的氧化剂对基片表面深层的NiP进行氧化腐蚀；

第三步，反应中Ni2+或Ni3+可转化为稳定的可溶络合物溶解在抛光液中．此反应使得氧化反应的顺利进行，且能有效地控制镍离子对硬盘盘基片表面的沾污；

第四步，抛光液中的镍胺络合物被持续加入的抛光液及时转移，离开盘盘基片表面，使得其表面时刻能处在新鲜状态，继续被新加入的抛光液进行氧化、机械磨削、络合反应，反应产物又被及时转移，周而复始，最终完成NiP／Al硬盘盘基片表面CMP．在整个CMP过程中，化学反应速率最慢，它决定最终的CMP速率．

4 结 论

制备Al2O3复合磨粒抛光液，使其对NiP／A1硬盘盘基片进行抛光，研究了CMP工艺参数对NiP／Al硬盘盘基片表面抛光效果的影响，简单分析了CMP的机理．具体得到以下结论：

(1)当抛光压力、抛光液pH值、抛光盘速率确定时，在抛光前60 min内，材料去除率MRR随着抛光时间的增加而迅速降低，MRR比较大；在抛光后60 min内，MRR的减小幅度很小，去除率变化曲线趋于平缓．

(2)随着抛光压力的增大，MRR先迅速增大后缓慢减小，最后趋于稳定．当压力为2．1 kPa时，MRR达到最大，此时硬盘盘基片表面抛光效果较好．

(3)随着抛光盘速率的增大，MRR先迅速增大后缓慢减小，表面粗糙度先减小后增大．当抛光盘速率达到30r／min时，MRR最大值为235nm／min．

(4)AFM分析表明：采用接枝改性的Al2O3复合磨粒抛光液对NiP／Al硬盘盘基片表面进行抛光，表面平坦性改善明显，沟槽、凹坑等表面缺陷明显减少．

(5)CMP机理：由抛光液的氧化作用在硬盘盘基片表面形成一层易于磨削的软质层，再由抛光液的机械作用去除反应产物，使得其表面处在新鲜状态，继续被新加入的抛光液进行氧化、机械磨削、络合反应，反应产物又被及时转移，反复循环此过程，最终完成NiP／Al硬盘盘基片表面CMP．