计算机硬磁盘CMP中抛光工艺参数对去除率的影响
马俊杰1,潘国顺1，雒建斌1,雷红1，屠锡富2, 方亮2，袁国兴2，肖宏清3
(1.清华大学 摩擦学国家重点实验室，北京100084;2.深圳开发磁记录有限公司 工程部，深圳518035；3．总装备部 特种工程技术安装总队，北京100085）
摘 要：对于计算机硬磁盘的生产，为了最大限度地提高盘片生产量，降低生产成本，要求化学机械抛光（chemical
mechanical polishing，简称CMP）中在保证优质表面质量情况下，实现最大去除量（Material Removal，简称MR）和去除率（Material Removal Rate，简称MRR）。本文讨论了硬盘片的化学机械抛光过程中的外加压力、转速和抛光时间对去除率的影响。实验采用含多种添加剂的纳米二氧化硅（SiO2）胶体作为研磨液在双面抛光机上对镍磷敷镀铝镁合金基片进行精抛光。结果表明，不降低表面质量，MRR随着压力的增加而增大到一个最大值,随后随着压力继续增加而减小；增加抛光机下盘的转速将使MRR变大到一定值后再下降；增加抛光时间将使MR增大，而MRR变化是非线性的。
关键词：硬磁盘；化学机械抛光（CMP）；纳米二氧化硅（SiO2）胶体;去除率（MRR）
中图分类号：TQ587.22
Influence of process parameters on material
removal rate of hard disk in chemical mechanical
polishing
MA Junjie1,PAN Guoshun1，LUO Jianbin1,LEI Hong1,TU
xifu2,FANG Liang2,YUAN
Guoxing2，XIAO Hongqing3
(
Abstract: for production of computer hard disk, in order to aggrandize the efficacious production
of hard disk to a maximum for sake to cut down the cost，it requires to realize the maximum of material removal(MR)and material removal rate(MRR) under condition to keep excellent surface finish quality in chemical
mechanical polishing（CMP） of
hard disk.This paper discuss the influence of the pressure, rotate speed and polishing time on MRR.The experiment adopt a slurry of nano-SiO2
colloid containing a variety of additives to polish the Mg-Al disk which two
surfaces plated by a coat of Ni-P on two-side polishing machine.As
results, MRR increase with the rise of pressure to a maximum and then fall;it is the same with low plate
speed;adding to polishing time will raise MR but MRR’s variation is nonlinear.
Key words: hard disk;chemical mechanical polishing（CMP）;nano-SiO2 colloid; material removal rate（MRR）
随着计算机硬盘尺寸缩小（尺寸由80年代的350 mm到现在的25 mm）、存储量迅速增大（单片存储量由1.89 GB到了75 GB，并逐步向1000 GB发展）和存储密度（由1991年的10 b/cm2到现在的2400 Mb/cm2）以每年60%的速度增长[1]，对硬磁盘片的表面平整度(Ra、
Wa、flatness和Duboff、Valley)要求越来越高：Ra<0.08
nm;Wa<0.10 nm;Duboff<55 nm;Valley<22 nm.而传统的平面化技术如基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃SOG、附压 CVD、等离子体增强CVD、偏压溅射和属于结构的溅射后回腐蚀、热回流、淀积—腐蚀—淀积等局部平
*国家自然科学基金资助项目（90206022）杰出青年基金资助项目（50025515）
面化技术不能满足全局平面化要求[2]。CMP使各种精密和超精密元器件的全局超精平面化加工从可能变成现实[3,4]，硬盘盘片的加工就应用了CMP技术。CMP技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术，它借助纳米颗粒的研磨作用以及抛光液的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面[5,6]。CMP中影响抛光盘片表面质量参数的因素有很多，包括抛光液、抛光垫和抛光工艺参数，以及来料和抛光机本身的性能等。
随着计算机硬磁盘应用的增多，需求越来越大，为了在单位时间内生产出更多的符合质量要求的盘片，必须控制抛光工艺参数以达到最优化的去除率且不降低表面质量。
鉴于此，本文仅仅在实验的基础上探索了抛光工艺参数对去除率的影响，即抛光压力、抛光机下盘（简称下盘）转速和抛光时间对去除率MRR的影响。
1
制备与实验
抛光对象：是以95 mm为直径，厚度为1.27 mm的镍磷敷镀铝镁合金基片。先将铝镁合金基片经过含有微纳米Al2O3超细粉的研磨液中进行研磨，磨完后清洗，再放到含有Ni2SO4和Na2PO3的溶液中进行电化学镀，基片的两面就镀上一层镍磷（Ni-P）单质薄膜层。清洗后放到以含有多种添加剂的纳米二氧化硅（SiO2）胶体作为抛光液的抛光机中，并选择适当的抛光垫和抛光工艺参数进行超精抛光。
抛光机 如图1（a）所示为名称为SPEEDFAM-16B-4M/3M的双面抛光机，它有四个或三个马达带动有四个转速：中心齿轮转速（Sun Gear Speed）、外齿轮转速（Ring Gear Speed）、上盘转速（Upper Plate Speed）和下盘转速（Lower Plate Speed）。
（a）抛光机 （b）SiO2 SEM 图
(a) 表面
（b）剖面
图1 双面抛光机和抛光液
图2 抛光垫SEM图
盘片定位纤维齿轮片的作用是在抛光过程中限定盘片的相对位置，它与中心齿轮和外齿轮同时啮合，盘片就放在其上的五个通孔中。在实验过程中，上盘速度与下盘速度之比始终为1/3，即上盘转速随着下盘转速的确定而确定。盘片定位齿轮片（Carrier）运动速度包括：Carrier围绕齿轮中心的公转、Carrier的转动和 Carrier相对于Carrier中心的相对自转。由于盘片是在Carrier的盘片孔中，忽略盘片在盘片孔中无规则的运动，可以将盘片的运动看作Carrier上某一点的运动，因此，盘片的运动规律同Carrier是一样的；考虑到盘片两面的去除量变化，要计算盘片分别相对于上盘和下盘的速度。
抛光液是含有氧化剂、润滑剂、分散剂和PH值调节剂的纳米SiO2胶体。其SiO2颗粒的微滚动效应对盘片表面起机械磨损作用，氧化剂对盘片表面起化学腐蚀作用。如图1(b)所示。抛光垫是一种表面有很多毛囊孔的塑料纤维结构，它可吸附抛光液，使抛光液与盘片充分接触，它有一定弹性，可压缩，如图2。去除量的测量是用XRF1020厚度测试系统（Helimut Fischer Gmeh+Co，德国）。
实验：在同一台抛光机上，用同一种抛光液和抛光垫，根据实验设置不同的抛光工艺参数对盘片进行抛光，抛完后清洗，并用XRF1020厚度测试系统检测抛光前后镍厚值，两者之差即为抛光去除量，单位为纳米（nm）；将去除量除以抛光时间就得到抛光去除率，单位为纳米/分钟（nm/min）。
2
结果与分析
2．1
外加压力对去除率的影响
在抛光液、抛光垫和其它抛光工艺参数相同条件下，改变压力得压力与MRR关系曲线如图3所示.
图3
压力与MRR关系曲线图
在其它条件不变的条件下，抛光机各个速度一定，抛光时间相同，增加压力可以增加对盘片表面的去除能力[7~11]。盘片的抛光过程相当于金属表面超精磨削的加工过程，在外加压力的作用下，抛光垫和抛光液（包括固体颗粒和化学成分）与盘片之间产生的机械作用和化学作用使盘片表面在这个总体接触应力（包括碰撞效应）作用下吸收一定能量后发生塑性变形而脱落，产生的磨屑被流动的抛光液带走。随着压力的增大，盘片表面的化学腐蚀作用增强，抛光垫对盘片表面的磨削和抛光颗粒对盘片表面的碰撞加强，即机械作用也增强，盘片表面所受总体接触应力增大，从而表面吸收变形能增大引起塑变而脱落部分增多，切削去除量增加，去除率增大。
当压力增大到一定值之后再增加时，抛光垫会变得越来越密实，其所含有的抛光液减少，并且抛光垫与抛光件之间的间隙减小也导致进入抛光区的抛光液体量减少，化学腐蚀和碰撞作用减弱，从而引起去除量降低，去除率随之降低。
2．2 下盘转速对去除率的影响
图4 下盘转速与MRR的关系
下盘转速的变化将引起盘片与上盘或下盘相对速度的变化，Carrier自转引起相对速度变化频率的变化，而下盘转速引起相对速度变化幅值的变化，从而引起盘片抛光去除率同向变化[7~11]。在下盘转速不大时，在压力一定的条件下，它对盘片表面去除能力的影响是均匀的，随着转速的增加，意味着盘片被抛光的次数增加，抛光垫和抛光液（包括固体颗粒和化学成分）与盘片之间产生的机械作用和化学作用增强，总体接触应力增大，从而去除量增多，去除率增大；另一方面，当下盘速度增大时，引起盘片相对于上/下盘的相对速度变化幅值的变化更大更快，表面的去除率增大也更快。
当下盘转速增大到一特定速度后再继续增大时，由于相对转动速度增大，形成的抛光垫与盘片之间抛光液体膜厚增加，因此，抛光垫与被抛件的接触率就会大幅度降低，引起抛光垫与盘片表面机械接触作用降低，于是，抛光率会下降，去除量降低，去除率减小。在一定速度增加范围内，存在一个下盘转速最优值使去除率最大。
2．3 抛光时间对去除率的影响
图5 抛光时间对MR和MRR的影响关系曲线
在压力和相对转速一定的情况下，盘片抛光去除量随着抛光时间的增加而增大，而去除率在一定时间范围内随着抛光时间的增加而下降。在盘片抛光过程中，盘片表面粗糙度和表面波纹度随着抛光时间的增加而逐渐减小，其表面粗糙峰也逐渐减少。在抛光前段时间内，由于盘片来料本身的镍-磷膜比较厚，且盘片比较厚，表面粗糙峰多，抛光去除的多是盘片表面粗糙峰，从而去除量大，去除率也大。随着抛光时间的增加，盘片表面去除量的增大，其表面粗糙度减小，粗糙峰也减少，去除越来越慢，从而引起去除率慢慢变小，去除量增加也比较缓慢。抛到一定时间后再继续抛，由于抛光液与盘片接触的时间长，化学腐蚀作用随着时间的延长而更充分，有助于去除率的上升，并达到一个最大值，此时去除量上升比较快。抛光时间再延长，由于盘片表面粗糙度已很小，它与抛光垫间的机械作用因“钝化”而减小，从而去除率反而减小。
3 结
论
在计算机硬磁盘片化学机械抛光过程中，盘片表面的去除量和去除率与抛光工艺参数有密切的关系，在正常抛光工艺参数范围内，由于抛光垫的可压缩性和抛光液的压变性及剪变性，去除率随着抛光工艺参数的变化而变化。不降低表面质量，在正常加工压力的一定变化范围内,盘片表面抛光去除率随着压力的增加而增大到一个最大值（大约80g/cm2左右）,随后随着压力继续增加而减小；在一定压力范围内，增加抛光机下盘的转速将使抛光去除率变大到一定值后再下降；增加抛光时间将使去除量增大，而抛光去除率变化是非线性的。总之，抛光工艺参数设定为下列情况：压力为80g/cm2，下盘转速在30rpm，抛光时间保持在8min，能得到比较理想的盘片表面抛光去除率。
参考文献（References）
[1] Menon
A K. Critical requirements for 100Gb/in2 head media interface.
Proceedings of the symposium on interface tribology
towards 100Gb/in2[J].Orlando,
[2] 雷红,雒建斌,马俊杰.化学机械抛光（CMP）技术的发展、应用及存在问题[J].润滑与密封,2002,4：63-65.
LEI Hong,LUO
Jianbin,MA Junjie.The
development、application and problem on
chemical
mechanical polishing(CMP)[J].Lubrication Engineering,2002,4:63-65.
[3]
technology,1994,37(5):26-31.
[4]
Jairath R, Farkas J, Huang
C K, et al. Chemical-Mechanical Polishing: Process manufacturability[J].
[5]
[6] Malik
F, Hasan M. Manufacturability of the CMP process[J].
Thin Solid Films, 1995, 270: 612-615.
[7] Preston.Experimental Model:
[8] Liu C, Dai B, Tseng W,et.al.Modeling of the wear mechanism during CMP[J].J.Electrochem.Soc,1996,143(2):716-721
[9] Zhao et.al.Analytical
Model Considering Wafer-Pad Contact Area:Zhao’s
Equation[J].Applied Physics,1999.
[10]
[11] Luo Q,et.al,Modification of the
Solid Films,1998,335:160-167.