該如何保證氧化鋁系拋光漿料的穩(wěn)定性？

發(fā)布時(shí)間 | 2020-07-27 16:08 分類 | 粉體加工技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 3207

磨料氧化鋁

導(dǎo)讀：

隨著半導(dǎo)體和集成電路的飛速發(fā)展，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（Chemical Mechanical Polishing，CMP）這種結(jié)合了機(jī)械磨削和化學(xué)腐蝕的組合技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。它可在各種材料上實(shí)現(xiàn)原子級(jí)超光滑表面，是目前被公認(rèn)的唯一一種能實(shí)現(xiàn)全局平面化的技術(shù)。

在決定CMP最終效果的各項(xiàng)因素中，拋光液是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。拋光液主要由磨料、溶劑和添加劑組成，其種類、性質(zhì)、粒徑大小、顆粒分散度及穩(wěn)定性等都會(huì)影響拋光效果。目前市場上使用最為廣泛的幾種磨料是SiO₂ 、CeO₂ 、Al₂O₃。其中，Al₂O₃磨料的硬度與藍(lán)寶石（莫氏硬度為9）接近，在對藍(lán)寶石拋光過程中的材料去除速率較高，因而逐漸成為拋光藍(lán)寶石的熱門磨料之一。

藍(lán)寶石單晶需要經(jīng)過切片、研磨、倒角、拋光后才能得到合格的基片

曾有研究人員做實(shí)驗(yàn)對比poly-diamond、Mono-diamond、a-Al₂O₃三種磨料對藍(lán)寶石的拋光效果，發(fā)現(xiàn)硬度小于藍(lán)寶石的α-Al₂O₃磨料拋光后表面粗糙度最低，材料去除速率最大。不過Al₂O₃磨料對藍(lán)寶石拋光雖然材料去除速率高，但由于Al₂O₃自身性質(zhì)，以其為磨料配制的拋光漿料并不穩(wěn)定易團(tuán)聚，造成藍(lán)寶石表面劃痕嚴(yán)重，平整度降低，因此如何克服氧化鋁系拋光漿料穩(wěn)定性成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。

團(tuán)聚的原因及解決方案

氧化鋁磨料分散于介質(zhì)中，由于納米粒子比表面能高、熱力學(xué)不穩(wěn)定，因此納米氧化鋁磨料在水中受靜電力等作用極易發(fā)生團(tuán)聚，漿料不穩(wěn)定并出現(xiàn)分層現(xiàn)象，破壞拋光漿料的分散性及穩(wěn)定性。團(tuán)聚后的磨料對藍(lán)寶石造成大劃痕，造成拋光質(zhì)量降低，所以氧化鋁拋光漿料的分散穩(wěn)定技術(shù)被廣泛研究。

團(tuán)聚的Al₂O₃磨料

目前提高穩(wěn)定性的方法有對氧化鋁表面進(jìn)用偶聯(lián)劑改性、改變氧化鋁的Zeta電位提高拋光漿料的穩(wěn)定性、制備氧化鋁的復(fù)合磨料。

1.偶聯(lián)劑改性

偶聯(lián)劑是目前應(yīng)用最廣泛的表面改性劑，其中硅烷偶聯(lián)劑最具代表性，對表面有羥基的無機(jī)離子最為有效。硅烷偶聯(lián)劑對納米氧化鋁的表面改性作用明顯，合肥工業(yè)大學(xué)的薛茹君用硅烷偶聯(lián)劑KH570在乙醇溶劑中以草酸溶液為催化劑進(jìn)行水解后對納米氧化鋁進(jìn)行濕法表面修飾改性，修飾后特征峰強(qiáng)度增強(qiáng)表明偶聯(lián)劑與氧化鋁表面發(fā)生了較強(qiáng)的化學(xué)作用。實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果表明，改性納米氧化鋁在有機(jī)相中的分散性和穩(wěn)定性均得到了改善。

硅烷偶聯(lián)劑修飾前后紅外光譜圖

雷紅等采用接枝聚合法制備了Al2O3-g-聚丙烯酰胺復(fù)合粒子和Al2O3-g-聚苯乙烯磺胺復(fù)合粒子，成功地將有機(jī)物接枝到氧化鋁表面，形成氧化鋁為核有機(jī)物為殼的核殼結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，接枝越多的氧化鋁的分散穩(wěn)定性越好。

接枝聚丙烯酰胺前后對比圖

2.改變Zeta電位

改變氧化鋁的Zeta 電位也可明顯提高氧化鋁拋光漿料的分散穩(wěn)定性，陳啟元等研究了不同分散劑對 Al2O3顆粒表面電性能以及漿體分散穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明加入適量的六偏磷酸鈉或聚丙烯酸鈉均使氧化鋁表面特征吸附陰離子使其等電點(diǎn)降低，漿料的穩(wěn)定性提升。孔德玉等將氧化鋁粉體分散于水中和1.125wt%的硅溶膠中檢測穩(wěn)定性，結(jié)果表明分散在硅溶膠中的氧化鋁穩(wěn)定性較分散于水中的Zeta 電位由-18mv降低至-28mv，體系穩(wěn)定性明顯提高。

3.制備復(fù)合磨料

通過對氧化鋁的無機(jī)摻雜，摻雜后的氧化鋁磨料不僅使氧化鋁的粒徑分布變窄，分散性變好，也使得其拋光性能改善。Fisher等研究了用5-25nm不同粒徑的SiO2顆粒包覆在250nm的氧化鋁顆粒表面，結(jié)果表明，改性后的氧化鋁Zeta 電位的絕對值變大，拋光漿料的分散穩(wěn)定性提高。

而當(dāng)以硅溶膠做分散介質(zhì)時(shí)，不僅能對分散于其中的氧化鋁起到穩(wěn)定作用，而且由于體系內(nèi)研磨成分以Al2O3、SiO2共同存在，且SiO2成分能夠與藍(lán)寶石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硬度較低的AlSi2O7，因此可以加速后續(xù)的研磨移除過程，有效地促進(jìn)藍(lán)寶石的材料去除速率并降低藍(lán)寶石的表面粗糙度。