作為拋光液中最重要的組分，磨料直接關系到拋光效果和加工效率，在具體應用中，往往要依據(jù)工件的硬度、研磨目標（精拋、粗拋等）以及拋光工藝的種類來挑選。硅溶膠拋光液作為當前主流的拋光液之一，其中的SiO₂磨粒具有硬度適中、粒徑小、分散性良好、比表面積大、滲透性優(yōu)異等諸多優(yōu)點，在單晶硅、二氧化硅、藍寶石、各類軟金屬、合金、氧化鋁、氧化鋯陶瓷等材料的精拋中均有廣泛應用。

來源：惠爾特納米科技

硅溶膠拋光液的特點

硅溶膠是納米SiO₂粒子分散在水（或有機溶劑）中形成的膠體分散液。由于SiO₂溶于水后可形成Si—OH鍵，其內(nèi)部可形成Si—O—Si鍵相聯(lián)結而成的立體網(wǎng)狀結構，外部則包裹著帶負電的羥基，可吸附周圍介質(zhì)中的部分反離子組成吸附層，與擴散層即膠體溶液中的剩余反離子共同組成了硅溶膠的雙電層結構，這賦予了硅溶膠拋光液一系列優(yōu)勢：

（1）表面損傷層小：硅溶膠中的SiO₂磨粒表面包覆了一層無色透明膠體，比常規(guī)SiO₂磨粒還要更軟一點。同時二氧化硅膠體的粒徑通常為納米尺度，且形貌為球形，可以降低表面粗糙度和損傷層的深度。

（2）拋光一致性：特殊的雙電層結構使得硅溶膠具有良好的懸浮穩(wěn)定性，可以確保磨料在工件表面的均勻分布，提高拋光一致性。

（3）流動性好：硅溶膠通常具有較高的流動性，不僅有助于排除磨屑，避免材料損傷，還有助于材料拋光后的清洗。

二氧化硅膠團結構

硅溶膠拋光液的應用

憑借上述優(yōu)勢，二氧化硅（SiO₂）拋光液不僅可以拋光單晶硅片，還可以拋光層間電介質(zhì)（ILD）、絕緣體、導體、鑲嵌金屬（W、Al、Cu、Au）、多晶硅和氧化硅通道。此類材料經(jīng)過平面化處理，還廣泛應用于薄膜存儲盤、微電子機械系統(tǒng)（MFMS）、先進陶瓷、磁頭、機械磨料、精密閥門、光學玻璃、金屬材料等表面加工領域。

1、典型應用——單晶硅片

單晶硅片在半導體工業(yè)中被廣泛用于微電子器件的制造，如集成電路、微處理器和傳感器。伴隨著半導體工業(yè)的迅猛發(fā)展，集成電路的集成度越來越高，硅片表面的平整度要求越來越高，已達到納米級水平。同時為了降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，硅片的尺寸也越來越大，因此對拋光的要求也越來越高。傳統(tǒng)的平坦化技術，如選擇淀積、旋轉玻璃法等，僅僅能實現(xiàn)局部平坦化，但對于微小尺寸特征的電子器件，必須進行全局平坦化才能滿足硅片的使用要求。而化學機械拋光是目前為止唯一能夠實現(xiàn)硅片局部和全局平坦化的工藝技術，是目前單晶硅片最典型的拋光方式。

（來源：江陰皓睿光電）

在硅晶片化學機械拋光中普遍使用粒徑50～80nm左右的球形二氧化硅磨料所制成的堿性硅溶膠拋光液，由于粒徑較大，能夠在獲得較高表面質(zhì)量的同時，還能兼顧一定的拋光效率。

2、藍寶石晶體材料

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，藍寶石晶體材料憑借良好的光學、熱學、介電性能和優(yōu)良的力學性能、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性能以及抗輻射性能，成為現(xiàn)代工業(yè)、尤其是微電子及光電產(chǎn)業(yè)極為重要的基礎材料，廣泛應用于半導體外延襯底材料包括氮化鎵襯底、SOI襯底（SOS），光學窗口以及激光基質(zhì)材料等。

藍寶石襯底（來源：青島嘉星晶電）

不過，也正因為穩(wěn)定的化學性質(zhì)和極高的硬度，藍寶石材料的加工難度也超乎尋常！利用硅溶膠拋光液，納米級的二氧化硅表面具有更多數(shù)量的羥基，表面活性好，可以促進其與藍寶石襯底之間的固相反應速率，生成質(zhì)地較軟的反應層——硅酸鋁的二水化合物。同時，二氧化硅的莫氏硬度為7，其硬度高于反應層的硬度且低于基體材料的硬度，因而在拋光過程中既能去除反應層，又不會對基體表面造成新的損傷，是目前藍寶石拋光行業(yè)采用的主流拋光液。

3、計算機硬盤基片

硬盤信息的讀寫由磁頭和盤片之間的高速旋轉運動實現(xiàn)。隨著垂直磁記錄技術在計算機硬盤中的發(fā)展與應用，硬盤存儲密度不斷提高，磁頭飛行高度不斷降低，這就導致表面上任何一個微小的缺陷如點蝕、凹坑和突起等都會導致產(chǎn)品報廢，因此要求磁頭、磁盤的表面粗糙度Ra和波紋度Wa達到亞納米級的精密度。

通常，硬盤基片以鋁鎂合金、玻璃等為基體，表面化學鍍非晶態(tài)Ni-P層，鍍層中Ni、P物理化學性質(zhì)的差異、元素分布特性以及非晶結構的機械強度等,，增加了獲得高度光滑表面的困難程度。采用化學機械拋光，并選用較軟的SiO₂溶膠作為拋光材料，不僅可以同時對基體和鍍層進行全局平坦化，還不容易在磁盤磁頭表面產(chǎn)生隨機劃傷，可以提供最佳的磨削效率和表面光潔度，使硬磁盤、光盤、磁頭得到很好的拋光效果。

4、陶瓷基板拋光

與金屬、金屬基復合材料以及樹脂基片相比，以氧化鋁等陶瓷原料制作的陶瓷基板具有優(yōu)良的導熱性、電絕緣性、氣密性、力學性能和介電性能等優(yōu)點，被廣泛用于集成電路、大功率半導體器件、通訊電子領域、LED 產(chǎn)業(yè)、鋰電池、芯片、航天航空和國防軍工等高科技領域。為了滿足當前電子器件小型化、薄型化的要求，陶瓷基板對尺寸精度和表面質(zhì)量有很高的要求，所以需要對其進行研磨拋光，去除基板表面的附著物、改善平整度、降低表面粗糙度，才得以應用，但由于陶瓷基板的硬度高、脆性大、 容易產(chǎn)生裂紋，表面加工難度也極大。

氧化鋁陶瓷基板（來源：四川六方鈺成）

采用硅溶膠作為拋光液，對氧化鋁陶瓷基板進行CMP拋光，可以促使基板表面發(fā)生化學反應，形成柔性的 Al₂Si₂O₇·2H₂O，軟化基板的同時通過機械研磨將被軟化的表面去除，同時也有效解決機械拋光產(chǎn)生的機械應力大的問題，減少了在基板表面產(chǎn)生微裂紋的可能性，保持了基板的完整性和機械強度。

5、光學玻璃

為了更好地透過和反射光線，減少光損失和像差，光學儀器、鏡頭、棱鏡等精密光學元件對表面的平整度、光潔度和精度要求極高，拋光是獲得光學玻璃鏡片表面品質(zhì)的主要工序, 目的是去除上道磨削工序殘留的瑕疵, 使表面透明光滑, 達到規(guī)定的表面瑕疵等級，并達到表面形狀精度, 使中心厚度尺寸符合規(guī)定要求。

（來源：長春市奧藝科技）

硅溶膠中二氧化硅膠粒為近球形，且其表面包覆了一層無色透明膠體，比常規(guī)SiO₂磨粒更軟一點，因此拋光時，能夠在不損害光學玻璃表面的情況下，溫和地去除磨削痕跡和其他表面瑕疵，不僅可以形成高質(zhì)量的拋光效果，提高光學元件的成像性能，還可以精確控制光學元件的表面形狀精度，確保光學器件的精確性。

參考文獻：

1、周艷,羅桂海,潘國順.拋光液組分對硬盤盤基片超光滑表面拋光的影響[J].納米技術與精密工程,2012,10(02):177-183.DOI:10.13494/j.npe.2012.032.

2、程佳寶,石蕓慧,牛新環(huán),等.CMP拋光液中SiO2磨料分散穩(wěn)定性的研究進展[J].微納電子技術,2024,61(02):31-41.DOI:10.13250/j.cnki.wndz.24020103.

3、孔慧停.硅溶膠的可控制備及其在化學機械拋光中的應用[D].山東大學.

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