納米金剛石，超精拋光的絕佳材料

在電子化信息技術(shù)及半導(dǎo)體行業(yè)中，要求加工表面粗糙度小，表面性能好。而且，半導(dǎo)體材料也在不斷迭代，這些材料不單加工要求高，材料本身的硬脆特性使得加工難度進(jìn)一步加大。

以碳化硅為例，碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，相比于前兩代半導(dǎo)體材料，其具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射、導(dǎo)熱性能好、禁帶寬、電子擊穿率高的特點(diǎn)，可適應(yīng)高溫、輻射等極端環(huán)境，且使用壽命長(zhǎng)。但碳化硅脆性大、硬度高、表面光滑、具有化學(xué)惰性等特點(diǎn)導(dǎo)致其加工難度大。此外，隨著集成電路行業(yè)的發(fā)展，需要在單一晶圓上承載更多的電路，所以對(duì)晶圓尺寸的要求越來越高，對(duì)晶圓加工工藝的要求隨之提高，這就不得不在研磨拋工藝與材料方面想辦法。

金剛石莫氏硬度為10，是自然界中已知最硬的物質(zhì)。這一“硬核”特性，使金剛石在工業(yè)和科研領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，例如用于制造切割工具、磨料、鉆頭等，也常被用作衡量其他物質(zhì)硬度的標(biāo)準(zhǔn)。

納米金剛石兼具有金剛石和納米顆粒的雙重特性，完全符合超精拋光中磨料的要求，可以拋光出光潔度極高的表面，它無疑是精加工碳化硅、藍(lán)寶石等硬脆晶體材料的最佳選擇。

最怕“團(tuán)聚”

由于比表面積大、比表面能高，納米金剛石處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，顆粒間極易發(fā)生團(tuán)聚，形成大顆粒團(tuán)聚體，并且這種“大顆?！蓖茈y被破壞。

要知道，在金剛石拋光液中，金剛石粒度對(duì)拋光效果的影響很大，粒徑越小，粒度分布越窄，拋光粗糙度越小。粒徑越大，會(huì)造成加工表面粗糙度大?！按箢w?！钡拇嬖谑沟眉{米金剛石喪失了在精密拋光中的納米特性。

因此，要想實(shí)現(xiàn)納米金剛石拋光液中磨料粒徑的可控，首先要對(duì)納米金剛石顆粒間的團(tuán)聚進(jìn)行破壞，實(shí)現(xiàn)納米金剛石的分散。

目前，國(guó)外可以提供100nm以下不同粒度區(qū)間的納米金剛石拋光液。國(guó)內(nèi)對(duì)此類產(chǎn)品的開發(fā)比較晚，只有為數(shù)不多的幾家公司可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)納米金剛石團(tuán)聚的控制，成功開發(fā)出了納米金剛石拋光液的系列產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用還主要以國(guó)外產(chǎn)品為主，且價(jià)格昂貴。因此，開發(fā)此類產(chǎn)品具有非常廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。

米金剛石在溶液中的分散機(jī)理

實(shí)現(xiàn)納米金剛石拋光液中的磨料團(tuán)聚的可控，用以指導(dǎo)最終拋光液產(chǎn)品的系列化制備，最根本的是把握納米金剛石顆粒的分散方法。實(shí)現(xiàn)納米金剛石分散的機(jī)理主要有三種，即靜電位阻、空間位阻、空間－靜電位阻。

靜電位阻主要指雙電層理論。粒子表面由于帶正電荷或負(fù)電荷，其外部由于電性吸引，會(huì)形成一個(gè)負(fù)離子層或正離子層，合成雙電層。顆粒形成靜電位阻如下圖所示：第一層是在表面上專屬吸附的離子；第二層是依靠靜電作用形成的帶相反電荷的擴(kuò)散。由于同種電荷互相排斥，所以顆粒之間會(huì)產(chǎn)生一定的電斥力。且顆粒表面電位越高，斥力會(huì)越強(qiáng)，顆粒間相互團(tuán)聚需要克服的勢(shì)壘就越大，所以表面電位往往是衡量納米顆粒分散穩(wěn)定性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

顆粒形成靜電位阻示意圖

空間位阻是指納米金剛石顆粒之間由于表面活性劑的存在而形成空間阻隔的作用。水介質(zhì)中的表面活性劑在納米金剛石表面吸附如下圖所示。表面活性劑在納米金剛石表面會(huì)形成指向水相的親水基團(tuán)和指向納米金剛石的親油基團(tuán)的定向排列，使納米金剛石表面幾乎不與水相接觸。在空間上，對(duì)納米金剛石之間實(shí)現(xiàn)了一種空間阻隔作用，減少了分子間的相對(duì)作用力。

水介質(zhì)中的表面活性劑在納米金剛石表面吸附示意圖

空間－靜電位阻指空間位阻與靜電位阻的協(xié)同作用，即在空間上對(duì)納米粒子形成一定的空間阻隔作用，同時(shí)粒子之間還存在一定的電斥力。兩者的協(xié)同作用將更有利于納米金剛石粒子在液相中的穩(wěn)定分散。

分散的“招數(shù)”

物理分散法：

（1）機(jī)械分散法

機(jī)械分散法是最簡(jiǎn)單的分散方法，比如研磨分散、膠體磨分散、球磨分散等等，通過最簡(jiǎn)單的物理行為對(duì)納米金剛石團(tuán)聚的大顆粒進(jìn)行破壞，從而進(jìn)行分散。目前在機(jī)械分散時(shí)常常在分散過程中加入表面改性劑，一方面提升分散效果，另一方面防止分散后的金剛石納米粉體產(chǎn)生二次團(tuán)聚。但單獨(dú)依靠機(jī)械分散很難使納米金剛石達(dá)到穩(wěn)定分散，因此機(jī)械分散法常常與其他分散方法聯(lián)用，以達(dá)到較好分散的效果。

（2）超聲波分散法

超聲空化技術(shù)是制備分散納米材料的一種十分有效的技術(shù)。超聲空化利用液體中空化氣泡的形成、生長(zhǎng)和急劇崩潰，來對(duì)顆粒進(jìn)行打散，破壞顆粒的硬團(tuán)聚。使用超聲波分散的好處是在制備過程中，不會(huì)引入其他雜質(zhì)。

金剛石研磨液，來源：圣戈班

化學(xué)分散法：

（1）分散劑分散法

分散劑分散法是通過在分散中添加一些能影響顆粒表面性能的物質(zhì)，從而降低顆粒之間的表面能，改變表面電位、表面活性從而減少粉體團(tuán)聚，增加顆粒之間斥力的一種分散方式。

分散劑分散主要是通過改變粒子表面來對(duì)其進(jìn)行分散的方法，只是改善了分散性，在分散過程中需要施加驅(qū)動(dòng)力，使得粒子分散。因此，分散劑分散常常與機(jī)械分散、超聲分散共同使用，來獲得良好的分散性。

（2）化學(xué)改性分散法

化學(xué)改性分散法通過化學(xué)溶劑處理納米金剛石表面，降低納米金剛石表面電位，從而改善團(tuán)聚現(xiàn)象，是目前對(duì)于納米粉體分散較為常見的一種處理方法?；瘜W(xué)改性法通過對(duì)納米金剛石表面基團(tuán)進(jìn)行改性，增加納米金剛石表面的基團(tuán)，或?qū){米金剛石表面基團(tuán)進(jìn)行修改，以此來改善納米金剛石在介質(zhì)中的電位分布，達(dá)到改善分散性的目的。

與分散劑吸附作用相比，化學(xué)改性則主要是依靠納米金剛石顆粒表面官能團(tuán)的反應(yīng)，來達(dá)到對(duì)顆粒表面官能團(tuán)修正的目的，增加其親水性或親油性。

參考來源：

[1]孟汝浩.納米金剛石拋光液及SiC晶圓超精拋光技術(shù)

[2]靳洪允等.納米金剛石拋光液制備及應(yīng)用

[3]王沛等.納米金剛石拋光液中磨料的可控性團(tuán)聚研究現(xiàn)狀