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0  引  言

近年来，计算机技术突飞猛进，作为计算机数据存储的主要部件硬盘，向大容量、高转速、小体积和高安全性的方向发展。要使单片容量增加，就对硬盘基板抛光后的表面状况提出了很高的要求。现有提高硬盘基板表面状况的CMP技术是主流技术。抛光后硬盘基板表面粗糙度下降至0.1 nm以下，波纹度小于0.2 nm，在很大程度上提高了单片硬盘的存储容量。

制造硬盘基板的材料主要有NiP／Al合金、玻璃和微晶玻璃。目前多用NiP／Al合金制作硬盘基板；微晶玻璃因其独特的优势，虽具有很大的发展优势，但应用并不广泛。

以NiP／Al合金为材料的硬盘基板化学机械抛光中，造成划痕多、表面粗糙度大、表面波纹度大和平整度低的原因很多，主要包括抛光液、抛光垫和工艺参数等。本文主要对抛光液的一些参数如何影响抛光后的表面状态进行了系统研究。

1  碱性抛光液抛光机理

一般认为化学机械抛光过程是化学过程、机械过程和流体力学综合作用的结果。本实验中制备的SiO2碱性抛光液主要包括SiO2磨料、氧化剂、螯合剂、表面活性剂和pH调节剂。其中起机械作用的主要是SiO2磨料，起化学作用的主要是氧化剂。

分析碱性抛光液的抛光机理如下：首先，NiP硬盘表面被氧化，在表面形成一层氧化膜，使其表面变软；然后SiO2磨料将此氧化层磨去，表面凸起的部分被磨去，而凹下去的部分被生成的Ni(OH)2保护没有及时磨去，从而实现了表面平坦化。抛光液中加入螯合剂和活性剂，有助于化学反应物及时排出抛光工件表面，减少划伤，提高了表面粗糙度，得到较好表面状态。目前抛光机理还不够完善，需要进一步地研究。

2  抛光实验

2.1  抛光设备

实验采用的抛光机是兰州瑞德集团的双面超精密抛光机(图1)，用来实现硬盘基板的双面超精密抛光。

被加工工件为95 mm／mil镍磷敷镀的铝合金计算机硬盘基片。抛光垫是台湾生产的一种精抛光垫，其表面是具有多层多孔结构的高分子材料，其表面显微镜照片如图2所示。

2.2抛光后检测设备

计算机硬盘在自制的SiO2抛光液中抛光后，用超声清洗，清洗干净后干燥待检测。抛光后表面划伤、腐蚀坑等缺陷用日本奥林巴斯(OLYM-PUS)金相显微镜来检测，使用原子力显微镜测量抛光后的表面形貌，其精度可达0.1 nm。

抛光后计算机硬盘基片的表面状况Rrms、Wa、Ra用ZYGO公司的表面粗糙度仪来检测。其中Ra为平均表面粗糙度，表示较精细、较小空间波长范围的表面特征；Wa是平均波纹度，代表较长空间波长范围的表面特征；Rrms表示观察面均值粗糙度。检测范围选择0.1 mm×0.1 mm。

2.3抛光液

在抛光过程中，抛光液是决定硬盘基片抛光质量的重要因素之一。按磨料来说，现在市场上主要是以SiO2和Al2O3为磨料的抛光液；按抛光液的酸碱度来说，现在市场上主要有碱性和酸性抛光液。

酸性抛光液具有速率较高、表面平整度好的优点，但其具有很强的腐蚀性，对设备和环境的要求较高，同时容易腐蚀硬盘基板，不容易达到亚nm级的表面粗糙度。碱性抛光液速率较低，但是腐蚀性小，抛光后易清洗，表面状况较好，同时NiP在碱性环境下，能形成可溶性的盐，可提高凸凹选择比，这样就容易达到好的表面状态。

本实验采用的是河北工业大学微电子所研制的硬盘专用碱性抛光液，其主要成分是SiO2磨料、无金属离子氧化剂、有机碱、去离子水、FA／O活性剂和螯合剂。其pH值为9～12，腐蚀性较小，磨料粒径可以调节(15～100 nm)，浓度可以调节，一般比较高，硬度比较小，可以减小表面的损伤，分散性能好。加入有机碱来调节抛光液的pH值，可以实现动态平衡的功能，这样在抛光中pH值保持一致，保证其化学活性。加入FA／O活性剂和螯合剂后，使得在抛光过程中表面张力小、质量传输一致性好，使胶体颗粒分散性好，能在抛光过程中有效控制表面粗糙度和波纹度，使基板表面状况更加完善。

3实验结果和讨论

3.1  浓度对表面状况的影响

抛光速率与抛光液的浓度成正比关系，随着浓度的增加，速率变大，但变化程度趋于平缓。通过实验发现，随着浓度的增加，硬盘基板表面的波纹度和粗糙度逐渐降低，当浓度升到20%时，变化趋于平缓。检测后的趋势图如图3所示。

造成这样的原因有：首先，浓度的增加使得单位时间内去除量增加，从而使表面比较粗糙的部分很快去掉，可以使表面粗糙度迅速降低，平整度变好。而低浓度的抛光液速率较慢不能快速去除粗糙度较大的层，参加机械作用的磨料小，压入表面的深度较大易造成划伤。第二，浓度的增加使得与硬盘基板表面接触的颗粒变多，参加机械作用的磨料颗粒变多，从而使磨料压入基板表面的深度降低，可以减小划伤和降低表面粗糙度，同时浓度增大，颗粒密度加大，参加磨削的颗粒变多，颗粒会反复多次且精密地作用在基板表面，这样表面粗糙度会降低。


3.2去除量与表面状态的关系

随着抛光去除量的增加，表面粗糙度和去除量(d)的关系如图4所示。从图中看出Ra在抛光开始时迅速降低，随着抛光去除量增加，Ra逐渐降低但是趋势渐缓。


由图4可以看出，Ra值在抛光初期阶段迅速减小，主要是在抛光初期，刚镀好的基板表面的粗糙度比较大，表面凸凹不平整，高低差距较大，抛光速率较大，所以表面粗糙度下降较快。随着去除厚度的增加，表面开始变得比较平整和致密，抛光速率降低，Ra值减小的趋势渐缓；去除厚度为12μm以上时，Ra值的改善不再显著。随着抛光时间的延长，曲线的走势渐缓，表明通过延长抛光时间获得平整度较高基片的效率逐渐降低，CMP抛光逐渐失去对表面形貌的改善作用。因此精抛光时为了提高效率，时间不应该太长。

3.3表面活性剂对表面状况的影响

活性剂实验表明，表面活性剂对表面状况有很大的影响，在没加活性剂和加活性剂后的检测结果如表1所示。


通过实验发现加入表面活性剂后，表面活性剂能降低表面张力，加快质量传递，能使SiO2颗粒均匀分布在硬盘基片表面，在抛光加工中，颗粒和硬盘基板表面有效、均匀地接触。同时表面活性剂的加入能加快质量传递过程，活性剂的加入一般都要与溶液中胶体颗粒形成物理吸附，使SiO2颗粒分散性能提高，不易团聚，从而使SiO2颗粒的粒径均匀。对纳米磨料粒子分散作用好，不会出现很大的颗粒导致划伤，所以降低了表面粗糙度，同时活性剂吸附在胶体表面使硬度降低，减小划伤，接近了超精表面。

李庆忠等人研究得出，适量的活性剂组分加入到抛光液中，分散剂或者其本身的基团能与颗粒表面的基团形成化学键，才能起到提高静电排斥作用和空间位阻作用，而胺基和羟基这两种基团均能够与SiO2胶粒表面的羟基作用，形成化学键，使得分散剂稳定地吸附在颗粒表面。活性剂是一种多胺基聚合物，多胺基和磨料胶粒的羟基构成化学键吸引，大分子结构使吸附层较厚，Zeta电位增加，颗粒间的空间排斥能变大，空间位阻作用增强，所以活性剂能够提高抛光液的均匀分散能力，使磨料粒子团聚减弱，能够得到较好的表面抛光质量，其多胺基的极性吸附和化学键作用提高了抛光液的胶体表面Zeta电位，同时较大的分子链有效地提高了磨料粒子间的空间排斥力，使得抛光液纳米磨料分散性好，是抛光表面粗糙度降低的主要原因。

3.4其他缺陷

在计算机基板抛光中，还存在其他的缺陷，主要的有划伤、蚀坑和塌边现象。这些缺陷将影响到计算机单位面积的存储容量。去除这些缺陷对计算机硬盘基板加工非常重要，对于划伤来说，必须采用合适的磨料和精抛光布、特制的抛光液再配合一定的工艺参数来实现。由于酸性抛光液的腐蚀性比较大，容易造成基板的腐蚀坑，本实验采取碱性抛光液，以SiO2为磨料，腐蚀性较小，在抛光过程中几乎没有发现腐蚀坑。在该抛光液中加入FA／O活性剂和螯合剂后，使得在抛光过程中表面张力小，质量传输一致性较好，能在抛光过程中有效控制表面粗糙度和波纹度，同时有效地降低塌边现象，提高基板的利用率，使得基板表面状况更加完善。

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。研磨剂起着机械磨削作用，氧化剂起化学作用，这两种作用的平衡是CMP平整过程的关键，力求调整这两种作用使其达到一个平衡，实现较好的表面粗糙度。

4  结  语

硬盘基板抛光是化学作用、机械作用和摩擦学共同作用的结果，硬盘基板抛光中表面状况对硬盘的存储密度影响较大。利用河北工业大学微电子所生产的碱性抛光液，研究分析了硬盘基板抛光中的一些影响因素和这些因素对抛光硬盘基板粗糙度的影响规律。在分析这些抛光规律基础上，用碱性抛光液有效地去除了划伤、腐蚀坑，降低了塌边现象、表面平整度和波纹度。