新型纳米SiO2 分散体系在蓝宝石化学机械抛光中的性能优化与机理研究

【编辑推荐】针对蓝宝石化学机械抛光(CMP)中纳米SiO2 磨料易团聚导致抛光液稳定性差的问题，湖北工业大学团队通过分子动力学(MD)模拟和实验验证，系统研究了CTAB、LABSA和PEG400三种分散剂对抛光性能的影响。研究发现0.35 wt% LABSA可实现最低表面粗糙度(0.35 nm)，CTAB提升材料去除率(MRR)但易引发划痕，PEG400则显著改善表面清洁度。该研究为高性能蓝宝石抛光液的开发提供了理论依据和技术支撑。

　　

蓝宝石(α-Al₂
O₃
)因其优异的光学和热学性能，已成为LED、激光器等高端器件的核心材料。然而，要实现原子级光滑表面，化学机械抛光(CMP)过程中纳米SiO₂
磨料的团聚问题始终是行业痛点——团聚颗粒不仅降低抛光液稳定性，更会导致表面划痕和亚表面损伤，直接影响器件性能。传统研究多聚焦磨料形貌优化或化学组分调整，对分散剂作用机制的认识仍存在空白。

湖北工业大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地将分子动力学(MD)模拟与实验验证相结合，系统解析了三种典型分散剂（阳离子型CTAB、阴离子型LABSA和非离子型PEG400）对纳米SiO₂
分散体系的作用机制。通过构建包含2.5万原子的模拟体系，采用COMPASSIII力场进行NVT系综模拟，首次从分子层面揭示了不同分散剂的静电势能分布特征。实验方面，团队通过粒径分析、Zeta电位和PDI（多分散指数）评估分散稳定性，结合表面粗糙度仪、白光干涉仪和透射电镜(TEM)全面表征抛光效果。

MD模拟
模拟结果显示：CTAB通过阳离子头基与SiO₂
表面负电荷的静电吸引形成定向排列；LABSA则依靠磺酸基团产生强负电场，通过静电斥力阻止颗粒聚集；PEG400通过醚键氧原子与SiO₂
表面羟基形成氢键网络。这种差异直接导致CTAB体系Zeta电位最高（+35.2 mV），但PDI波动较大（0.21-0.35）。

SiO₂
分散系统相互作用
化学作用路径分析表明，抛光过程中同时存在多重反应：Al₂
O₃
+H₂
O+H⁺
→2AlO(OH)的腐蚀反应，以及SiO₂
+2OH^-
→SiO₃
^2-
+H₂
O的磨料消耗反应。LABSA体系因维持稳定的OH^-
浓度，使这两类反应达到最佳平衡。

抛光性能评估
当CTAB浓度>0.5 wt%时，MRR提升27%但划痕密度增加3倍；0.35 wt% LABSA使表面粗糙度(Sa)降至0.35 nm，归因于其-42.5 mV的高Zeta电位；PEG400虽对MRR影响有限，但使表面接触角降低15°，显著提升亲水性。TEM截面分析证实，LABSA体系处理的样品亚表面损伤层最薄（<2 nm）。

该研究不仅建立了"分散剂类型-界面作用-抛光性能"的定量关系，更创新性地提出"分散剂协同效应"概念——通过复配CTAB与LABSA，可在保证MRR的同时将表面缺陷减少60%。这些发现为开发新一代蓝宝石CMP工艺提供了重要指导，尤其对超精密光学元件加工具有重大应用价值。文末作者指出，未来研究可进一步探索温度/pH耦合条件下分散剂的构效关系，以及开发适用于大尺寸晶圆的梯度浓度抛光方案。