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纳米金刚石，超精抛光的绝佳材料

在电子化信息技术及半导体行业中，要求加工表面粗糙度小，表面性能好。而且，半导体材料也在不断迭代，这些材料不单加工要求高，材料本身的硬脆特性使得加工难度进一步加大。

以碳化硅为例，碳化硅属于第三代半导体材料，相比于前两代半导体材料，其具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射、导热性能好、禁带宽、电子击穿率高的特点，可适应高温、辐射等极端环境，且使用寿命长。但碳化硅脆性大、硬度高、表面光滑、具有化学惰性等特点导致其加工难度大。此外，随着集成电路行业的发展，需要在单一晶圆上承载更多的电路，所以对晶圆尺寸的要求越来越高，对晶圆加工工艺的要求随之提高，这就不得不在研磨抛工艺与材料方面想办法。

金刚石莫氏硬度为10，是自然界中已知最硬的物质。这一“硬核”特性，使金刚石在工业和科研领域具有重要应用，例如用于制造切割工具、磨料、钻头等，也常被用作衡量其他物质硬度的标准。

纳米金刚石兼具有金刚石和纳米颗粒的双重特性，完全符合超精抛光中磨料的要求，可以抛光出光洁度极高的表面，它无疑是精加工碳化硅、蓝宝石等硬脆晶体材料的最佳选择。

最怕“团聚”

由于比表面积大、比表面能高，纳米金刚石处于热力学不稳定状态，颗粒间极易发生团聚，形成大颗粒团聚体，并且这种“大颗粒”往往很难被破坏。

要知道，在金刚石抛光液中，金刚石粒度对抛光效果的影响很大，粒径越小，粒度分布越窄，抛光粗糙度越小。粒径越大，会造成加工表面粗糙度大。“大颗粒”的存在使得纳米金刚石丧失了在精密抛光中的纳米特性。

因此，要想实现纳米金刚石抛光液中磨料粒径的可控，首先要对纳米金刚石颗粒间的团聚进行破坏，实现纳米金刚石的分散。

目前，国外可以提供100nm以下不同粒度区间的纳米金刚石抛光液。国内对此类产品的开发比较晚，只有为数不多的几家公司可以很好地实现对纳米金刚石团聚的控制，成功开发出了纳米金刚石抛光液的系列产品。国内市场应用还主要以国外产品为主，且价格昂贵。因此，开发此类产品具有非常广阔的应用前景和实际意义。

纳米金刚石在溶液中的分散机理

实现纳米金刚石抛光液中的磨料团聚的可控，用以指导最终抛光液产品的系列化制备，最根本的是把握纳米金刚石颗粒的分散方法。实现纳米金刚石分散的机理主要有三种，即静电位阻、空间位阻、空间－静电位阻。

静电位阻主要指双电层理论。粒子表面由于带正电荷或负电荷，其外部由于电性吸引，会形成一个负离子层或正离子层，合成双电层。颗粒形成静电位阻如下图所示：第一层是在表面上专属吸附的离子；第二层是依靠静电作用形成的带相反电荷的扩散。由于同种电荷互相排斥，所以颗粒之间会产生一定的电斥力。且颗粒表面电位越高，斥力会越强，颗粒间相互团聚需要克服的势垒就越大，所以表面电位往往是衡量纳米颗粒分散稳定性能的一个重要指标。

颗粒形成静电位阻示意图

空间位阻是指纳米金刚石颗粒之间由于表面活性剂的存在而形成空间阻隔的作用。水介质中的表面活性剂在纳米金刚石表面吸附如下图所示。表面活性剂在纳米金刚石表面会形成指向水相的亲水基团和指向纳米金刚石的亲油基团的定向排列，使纳米金刚石表面几乎不与水相接触。在空间上，对纳米金刚石之间实现了一种空间阻隔作用，减少了分子间的相对作用力。

水介质中的表面活性剂在纳米金刚石表面吸附示意图

空间－静电位阻指空间位阻与静电位阻的协同作用，即在空间上对纳米粒子形成一定的空间阻隔作用，同时粒子之间还存在一定的电斥力。两者的协同作用将更有利于纳米金刚石粒子在液相中的稳定分散。

分散的“招数”

物理分散法

（1）机械分散法

机械分散法是最简单的分散方法，比如研磨分散、胶体磨分散、球磨分散等等，通过最简单的物理行为对纳米金刚石团聚的大颗粒进行破坏，从而进行分散。目前在机械分散时常常在分散过程中加入表面改性剂，一方面提升分散效果，另一方面防止分散后的金刚石纳米粉体产生二次团聚。但单独依靠机械分散很难使纳米金刚石达到稳定分散，因此机械分散法常常与其他分散方法联用，以达到较好分散的效果。

（2）超声波分散法

超声空化技术是制备分散纳米材料的一种十分有效的技术。超声空化利用液体中空化气泡的形成、生长和急剧崩溃，来对颗粒进行打散，破坏颗粒的硬团聚。使用超声波分散的好处是在制备过程中，不会引入其他杂质。

金刚石研磨液，来源：圣戈班

化学分散法

（1）分散剂分散法

分散剂分散法是通过在分散中添加一些能影响颗粒表面性能的物质，从而降低颗粒之间的表面能，改变表面电位、表面活性从而减少粉体团聚，增加颗粒之间斥力的一种分散方式。

分散剂分散主要是通过改变粒子表面来对其进行分散的方法，只是改善了分散性，在分散过程中需要施加驱动力，使得粒子分散。因此，分散剂分散常常与机械分散、超声分散共同使用，来获得良好的分散性。

（2）化学改性分散法

化学改性分散法通过化学溶剂处理纳米金刚石表面，降低纳米金刚石表面电位，从而改善团聚现象，是目前对于纳米粉体分散较为常见的一种处理方法。化学改性法通过对纳米金刚石表面基团进行改性，增加纳米金刚石表面的基团，或对纳米金刚石表面基团进行修改，以此来改善纳米金刚石在介质中的电位分布，达到改善分散性的目的。

与分散剂吸附作用相比，化学改性则主要是依靠纳米金刚石颗粒表面官能团的反应，来达到对颗粒表面官能团修正的目的，增加其亲水性或亲油性。

参考来源：

[1]孟汝浩.纳米金刚石抛光液及SiC晶圆超精抛光技术

[2]靳洪允等.纳米金刚石抛光液制备及应用

[3]王沛等.纳米金刚石抛光液中磨料的可控性团聚研究现状

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