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       随着计算机技术的快速发展，传统使用的铝合金基板材料因其较高的热膨胀系数和较低的机械强度，已经难以满足现代硬盘技术大容量、小型化、高速度和高可靠性的发展要求。相比之下，微晶玻璃在机械强度和力学性能方面展现出显著优势，能够在高速运转和温度变化的环境中保持稳定的性能，可以取代铝合金成为新一代硬盘基板材料。不过为了进一步提高硬盘的存储密度，磁头与基板之间的飞行高度必须尽可能降低，这就要求基板表面必须抛光到亚纳米级的光滑表面，以避免磁头与基板碰撞。

       微晶玻璃如何抛光？

       微晶玻璃是在熔炼的前体玻璃里加晶核剂进行微晶化处理，而形成的玻璃相和微晶相的多相复合体。相对普通玻璃，微晶玻璃的原子排列是有规律的，晶粒小且结合较为紧密，当受到外力导致裂纹扩展时，裂纹碰到其中的细小晶粒会发生偏转现象，使得裂纹扩展的路径变长，有效分散应力，达到抑制微裂纹扩展的目的。

       不过，也正由于微晶玻璃的特殊微观结构，在其抛光过程中，磨料作用的对象为晶粒和残余玻璃，两种物相结构、化学成分都不相同，且其晶粒尺寸大约在几十纳米到几十微米之间，因此难以加工出亚纳米级光滑表面，而化学机械抛光（CMP）这种目前唯一能提供原子级全局平坦化的抛光技术，成为了其常用的加工方式。

       适合微晶玻璃的CMP抛光液里都有啥？

       化学机械抛光是利用化学反应和机械研磨的协同作用来进行抛光的，其抛光液的成分是多种化学物质的混合物，主要包括磨料、PH调节剂、润滑剂、络合剂和表面活性剂等。其中，磨料主要起到去除硅片表面氧化物和金属残留物的作用，PH调节剂主要起到调节pH值和维持液体稳定性的作用，润滑剂主要起到润滑和减少表面摩擦的作用，表面活性剂和络合剂可以促进抛光中化学反应进行。

       01磨粒
       目前，CMP抛光常用的磨粒有氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化铈(CeO2)和氧化铁(MnO2)等。

       氧化铝莫氏硬度可达9，抛光微晶玻璃时，机械磨削作用比较强，容易在材料表面造成机械损伤易划伤被抛光材料表面。氧化铁则抛光速度慢，而且会产生铁锈色的污染。而若采用氧化硅作为磨粒，其不仅要去除微晶玻璃表面形成的钝化膜，还要用机械作用切断微晶玻璃表面的Si—O—Si键，且硅溶胶易发生凝胶化现象，因此去除效率不佳。而氧化铈有较为适中的硬度，能通过“软抛硬”给微晶玻璃带来很好的抛光效果，同时由于Ce元素具有多种价态且不同价态间易转化，促使璃表面形成水合软化层，提高抛光速率，应用于微晶玻璃抛光有着显著优势。

       另外，在微晶玻璃中，玻璃相可作为黏结剂将晶粒粘结起来，为了保证抛光过程中晶粒不脱落，需要选择粒径远比晶粒小的纳米级磨粒。这种小粒径的磨料对晶粒的冲击力将会较弱，加上摩擦热、水合作用等，就可以获得质量极其高的光滑表面。反之，如果磨料的粒度与晶粒的大小相当，那么磨料对晶粒的冲击力较大，材料去除以晶粒脱落的方式为主，获得的表面质量较差。

       02氧化剂

       化学机械抛光过程中的主要化学作用是氧化反应， 所以氧化剂是影响化学机械抛光的重要参数之一。微晶玻璃的主要成分是Li2O、Al2O3和SiO2等氧化物，理论上氧化剂在微晶玻璃表面不能发生氧化反应。不过，不少研究人员通过实验发现，氧化剂在微晶玻璃化学机械抛光也能发挥一定的作用。

       白林山等采用H2O2、KMnO4、NaClO、(NH4)2S2O8等作为氧化剂制作抛光液抛光微晶玻璃，发现采用了含有氧化剂的抛光液抛光速率和表面粗糙度都得到了一定的提升，其中，H2O2、KMnO4、NaClO等抛光时易在产生的高温下分解，导致氧化能力减弱， 抛光效果，而过硫酸铵是碱性条件下较为理想的氧化剂， 并且其分解温度较高， 能够稳定存在， 在抛光过程中能充分发挥氧化作用， 所以抛光后能得到较光滑的材料表面和较高的材料去除速率。

       03络合剂

       微晶玻璃是亲水性固体材料， 在水溶液中容易发生水合反应生成锂离子，采用络合剂将其络合成稳定的络合物后，可以保障抛光过程中的均匀性和一致性，并防止金属离子重新沉积在抛光表面， 使微晶玻璃表面粗糙度大幅下降，抛光速率提高。

       CMP抛光液中的络合剂通常含有羧基、羟基等基团， 科学家们通过实验发现，羧基和羟基的存在对于材料去除率和表面粗糙度的提升都一定作用，不过含较多羟基的络合剂在微晶玻璃抛光过程中的作用不如含较多羧基的络合剂，抛光后的表面粗糙度会随着络合剂中羧基个数的增多而降低， 并且材料去除速率会随羧基个数增多而升高，因此EDTA等含有较多羟基的络合物在微晶玻璃的CMP抛光液中有较大的应用价值。

       04PH调节剂

       CeO2表面带负电荷，根据双电层理论，带电粒子在溶液中吸附电性相反粒子形成双电层。

       由于氧化铈胶体粒子的等电位点的pH为6.5～7.5之间，当体系的pH大于7.5或小于6.5时，随着碱性或酸性的增加，其双电层滑动面的电位即ZETA电位绝对值都会逐渐增大，此时悬浮物粒子异种电荷主要集中在扩散层中导致粒子间的排斥力越强，越不易沉降，不过由于在强碱性或者强酸条件下，抛光液会对抛光机器产生一定的腐蚀，并且也会使玻璃表面产生桔皮现象，因此，在微晶玻璃的抛光中，可选择pH=7-9的弱碱条件下进行抛光。

除此之外，碱性条件下也有利于CeO2表面吸附大量的OH-与微晶玻璃表面的SiO2反应，提升抛光速率。

       05表面活性剂
       表面活性剂在抛光液中主要影响磨料的分布，其种类主要有阴离子表面活性剂、阳离子活性剂、两性离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂等。

       CeO2粒子表面带负电荷，加入阴离子表面活性剂后，由于同性电荷相互排斥的作用，CeO2粒子在抛光液中的分散性会更好，因此抛光效果比较好。而如果添加阳离子表面活性剂，CeO2粒子可能会吸附阳离子表面活性剂的基团，出现部分沉降现象，造成磨料分散不均匀，抛光过程中磨料不能充分发挥研磨作用，导致材料去除速率降低，表面粗糙度值升高。

       小结

       微晶玻璃是玻璃相和微晶相共同形成的多相复合体，化学成分的差异和高的机械强度使得传统的研磨抛光工艺难以将它加工成亚纳米级的光滑表面。CMP抛光作为目前唯一能提供原子级全局平坦化的抛光技术，能够利用化学反应与机械磨损的协同作用，实现微晶玻璃表面的高效、均匀抛光。在CMP抛光过程中，CMP抛光液中各组分均发挥着重要作用，在应用时应合理搭配并平衡各组分含量，以达到最佳的抛光效果和抛光速率。

        参考文献：

        白林山,王金普,储向峰.添加剂对微晶玻璃化学机械抛光的影响[J].润滑与密封.

        白林山,王金普,储向峰.二氧化铈抛光液化学机械抛光微晶玻璃的机理及优化[J].金刚石与磨料磨具工程.

        王金普,白林山,储向峰.不同磨料对微晶玻璃化学机械抛光的影响[J].纳米技术与精密工程.