计算机硬盘基板及其CMP技术分析研究刘长宇，刘玉岭，王娟，牛新环（河北工业大学微电子研究所，天津300130）1引言近年来，计算机技术迅猛发展，个人计算机朝着高性能、小型化方向不断前进。为适应这一趋势，作为计算机数据存储的主要部件硬盘相应朝着大容量、高转速、体积小和安全性高的方向发展，从而对硬盘基片提出更高的要求[1-2]。因为盘片直接关系着硬盘容量的大小，所以提高单片容量即提高盘片的存储密度便成为解决此问题的关键。随着硬盘基片技术的发展，基板制造材料和基板表面平整度成为影响着硬盘存储容量的大小的决定因素。目前，制造硬盘基板的材料主要有：NiP/Al合金、玻璃和微晶玻璃[3]，硬盘大都采用铝合金基板。微晶玻璃作为计算机硬盘的一种新型材料，凭借自身硬度、强度、膨胀系数、表面粗糙度、波纹度等优势将成为硬盘基板发展的趋势。一个平整光滑没有任何表面缺陷的盘基片是磁层储存数据的基础，提高盘基片表面平整度也就提高了存储密度。CMP技术能从加工性能和速度上同时满足盘基片的加工要求，并且在研磨表面上形成光洁平坦表面[4]，它是目前能够实现全局平面化的最佳方法。2硬盘基板发展状况硬盘基片多数采用薄膜复合结构，如图1所示。基板在基片的最底层，其上依次是磁性层、含碳材料的保护层以及润滑层，基板的材质及表面状态直接影响其他层的工艺效果。2.1铝镁合金基板铝镁合金退火后硬度仅为0.9GPa，不能满足高频率读写和高转速力学冲击的要求，所以经常在铝镁合金基板表面沉积一薄层NiP（镍与磷重量比约为90：10），使其表面硬度提高到5～6GPa[5]。但NiP层也带来一系列问题，A1合金基板和NiP层因热膨胀系数不同易扭曲变形；NiP在高温时发生的非晶相到晶相的转变，会破坏材料结构；最严重的问题是NiP层球团结构表面的凹凸不平导致磁性层不光滑、不平整，从而无法降低磁头的飞行高度，故NiP/A1基板盘片很难用于20nm以下的飞行高度[6]。2.2玻璃基板与铝镁合金相比，玻璃具有良好的刚性，而且表面均匀，在抛光过程中不存在塑性形变，所以可得到光滑、平整的磁性层表面。但玻璃是一种脆性材料，当盘片高速旋转时，由于玻璃表面存在裂纹，受力时容易开裂。通过离子交换技术，玻璃表面可形成一个压应力层，提高了玻璃强度，阻止了玻璃开裂。但化学增强玻璃含有碱金属离子，在应力作用下会发生碱离子的迁移，使盘片的力学性能与表面性能恶化，成膜能力差[7]。同时增强层的存在给化学增强后的玻璃薄化带来了新问题[6]。2.3微晶玻璃基板与铝基板相比，微晶玻璃在硬度、强度、膨胀系数、比重、表面粗糙度、平直度等指标上均具有明显优势。微晶玻璃基板具有耐冲击、不变形、表面光滑、不吸水、不易划伤、机械强度高等优点，使用微晶玻璃盘片，可以大幅度增加信息记录密度，提高信息存储量。目前，主要有三种常见的微晶玻璃基板：Li2O-MgO-SiO2系微晶玻璃基板、Na2O-CaO-SiO2系微晶玻璃基板和MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃基板[8]。从表1中可以看出[3]，微晶玻璃基板均具有较高的弹性模量、较低的热膨胀系数、足够高的硬度和抗折强度，并且某些性能和NiP/Al合金基板较为接近,通过对三种基板性能的综合分析和硬盘存储容量能力的考虑，微晶玻璃基板必将凭借自身诸多方面的优点取代NiP/Al基板，成为硬盘基板发展的首选。3硬盘基板的CMP技术为了减小硬盘驱动器的最小记录面积、提高硬盘容量，要求磁头与磁盘磁介质之间的距离进一步减小，所以对磁盘表面质量的要求也越来越高。当磁盘基片表面粗糙度、波纹度较大或存在其他表面缺陷时，常常引起磁头、磁盘的损坏现象，从而导致硬盘无法正常工作或读写数据的丢失。所以，在完成制造硬盘基片之前，需对硬盘基板进行化学机械抛光，使基板表面粗糙度、波纹度达到最低，同时还必须去除划痕、塌边等表面缺陷。化学机械抛光是利用掺有极小研磨颗粒的化学溶液来改变晶片表面的化学键，并加以机械式研磨，以获得晶片表面平坦化的一种化学与机械相结合的技术，此技术集摩擦学、流体力学、化学为一体[9-12]，可防止单一的机械研磨中硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕、避免磨料颗粒引起的隆起及划痕，从而获得完美表面[13-14]。目前，大多...