CN102190962A - 抛光组合物及利用该组合物的抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抛光组合物，其至少包含磨粒和水，并且用于对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的被抛光物体进行抛光。所述磨粒具有满足关系X×Y≤0的ζ电位，其中X[mV]代表在抛光组合物中所测量的磨粒的ζ电位，Y[mV]代表在利用抛光组合物进行抛光期间所测量的被抛光物体的ζ电位。所述磨粒优选为氧化铝、氧化硅、氧化锆、金刚石、或者碳化硅。被抛光物优选为蓝宝石、氮化镓、碳化硅、砷化镓、砷化铟、或者磷化铟。

Description

抛光组合物及利用该组合物的抛光方法
技术领域
本发明涉及一种抛光组合物，该组合物用于对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的被抛光物体进行抛光。
背景技术
光学器件的基板材料和电源器件的基板材料例如是指陶瓷，该陶瓷具有氧化物(如蓝宝石)、氮化物(如氮化镓)、和碳化物(如碳化硅)。化合物半导体材料例如是指砷化镓、砷化铟、或磷化铟。
因为由这些材料所构成的基板或薄膜通常对化学作用(如氧化、络合和浸蚀)可保持稳定，所以利用抛光来处理基板或薄膜是不容易的。因此，该处理通常是利用硬质材料进行磨削或切割而完成。然而，无法通过磨削或切割来制造高度光滑的表面。
用于制造高度光滑表面的已知方法有：利用包含相对较高浓度的胶体二氧化硅的抛光组合物对蓝宝石基板进行抛光(例如，参考日本专利公开2008-44078号)、以及利用具有特定pH值的包含胶体二氧化硅的抛光组合物对碳化硅基板进行抛光(例如，参考日本专利公开2005-117027号)。然而，与这些方法有关的问题是制造高度光滑表面需要大量时间，因为这些方法不能提供足够的抛光速率(磨除率)。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于以较高的抛光速率对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的被抛光物体进行抛光的抛光组合物，本发明的另一个目的是提供一种利用该组合物进行抛光的方法。
为了达到上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种至少包含磨粒和水的抛光组合物，其中磨粒具有满足关系X×Y≤0的ζ电位，其中X[mV]代表在抛光组合物中所测量的磨粒的ζ电位，Y[mV]代表在利用抛光组合物进行抛光期间所测量的被抛光物体的ζ电位。表达式X×Y具有优选不低于-5,000的值。
根据本发明的第二方面，提供一种至少包含磨粒和水的抛光组合物，其中磨粒所具有的ζ电位值可以使磨粒在利用抛光组合物进行抛光期间不被被抛光物体静电排斥。
根据本发明第一或第二方面的抛光组合物中所包含的磨粒，优选地是由氧化铝、氧化硅、氧化锆、金刚石、或碳化硅构成。利用根据本发明第一或第二方面的抛光组合物进行抛光的被抛光物体，优选地是由蓝宝石、氮化镓、碳化硅、砷化镓、砷化铟、或磷化铟构成。根据本发明第一或第二方面的抛光组合物，可进一步包含pH调节剂或者吸收到被抛光物体上的物质。可以对根据本发明第一或第二方面的抛光组合物中所包含的磨粒进行表面改性。
根据本发明的第三方面，提供一种利用根据本发明第一或第二方面的抛光组合物对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的物体进行抛光的方法。
从通过实例来说明本发明原理的以下描述中，本发明的其它方面和优势将变得显而易见。
具体实施方式
现在，将在下面对本发明的一个具体实施方式进行描述。
本具体实施方式的抛光组合物至少包含磨粒和水。该抛光组合物是用于对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的被抛光物体进行抛光，更具体地，用于对由陶瓷或者化合物半导体材料(如砷化镓、砷化铟、或磷化铟)所构成的基板或薄膜进行抛光，所述陶瓷具有氧化物(如蓝宝石)、氮化物(如氮化镓)、和碳化物(如碳化硅)。抛光组合物优选地用于由对化学作用(如氧化、络合、和浸蚀)保持稳定的材料所构成的被抛光物体进行抛光，尤其是在对由蓝宝石、氮化镓、或碳化硅所构成的基板进行抛光。
所述抛光组合物中所包含的磨粒例如可以是氧化铝、氧化硅、氧化锆、金刚石、或碳化硅，但不局限于其中。氧化铝和氧化硅具有以下优势：容易通过利用所述抛光组合物进行抛光制造出缺陷很少的高度光滑表面。
所述抛光组合物包含优选不小于0.01质量％、更优选不小于0.1质量％的磨粒。所包含磨粒的量越多，利用所述抛光组合物抛光被抛光物体的速率变得越高。
所述抛光组合物包含优选不多于50质量％、更优选不多于40质量％的磨粒。所包含磨粒的量越少，制造所述抛光组合物的成本会变得越低。此外，利用所述抛光组合物进行抛光更易制造划痕很少的抛光面。
所述抛光组合物包含具有优选不小于5纳米、更优选不小于10纳米的平均一次颗径的磨粒。磨粒的平均一次颗径越大，利用所述抛光组合物的被抛光物体的抛光速率会变得越高。
抛光组合物包含的磨粒具有优选不大于20微米、更优选不大于10微米的平均一次颗径。磨粒的平均一次颗径越小，可以越容易地利用所述抛光组合物制造具有更少缺陷和低程度粗糙度的表面。例如，从用BET(Brunauer-Emmett-Teller)法所测量的磨粒的比表面积计算出平均一次颗径。例如，利用Micromeritics Instrument Corporation公司制造的“Flow SorbII 2300”测量磨粒的比表面积。
为了用所述抛光组合物以较高的抛光速率对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的物体进行抛光，重要的是在进行抛光期间所述抛光组合物中的磨粒不被被抛光物体静电排斥。由于这个原因，供使用的磨粒应具有满足关系X×Y≤0的ζ电位，其中X[mV]代表在所述抛光组合物中所测量的磨粒的ζ电位，Y[mV]代表利用所述抛光组合物进行抛光时所测量的被抛光物体的ζ电位。当不满足关系X×Y≤0时，亦即当满足关系X×Y＞0时，在抛光期间抛光组合物中所包含的磨粒会被被抛光物体静电排斥，从而难以利用磨粒对被抛光物体进行机械抛光。因此，难以用所述抛光组合物以较高的抛光速率对被抛光物体进行抛光。表达式X×Y具有优选不高于-20的值，以将用所述抛光组合物抛光被抛光物体的速率增加到尤其适合于实际应用的水平。
表达式X×Y具有优选不低于-5,000、更优选不低于-2,000的值。表达式X×Y的值越高，越容易通过清洗将粘附到被抛光物体抛光面上的磨粒除去。
在所述抛光组合物中所测量的磨粒的ζ电位值和利用所述抛光组合物进行抛光期间所测量的被抛光物体的ζ电位值，例如，受所述抛光组合物的pH值的影响。因此，可通过将一个或多种pH调节剂加入到抛光组合物中来满足关系X×Y≤0，优选满足关系X×Y≤-20。供使用的pH调节剂可以是酸或碱。
或者，在将吸附性物质加入到抛光组合物中的情况下，被抛光物体的ζ电位值随被吸附到被抛光物体表面上的吸附性物质变化。因此，可以通过将这种吸附性物质加入到抛光组合物中来满足关系X×Y≤0，优选满足关系X×Y≤-20。优选地，根据被抛光物体的类型来适当选择供使用的吸附性物质，吸附性物质可以是例如阴离子、阳离子、非离子或两性的表面活性剂，有机物，或者金属离子。
或者，为了满足关系X×Y≤0，优选满足关系X×Y≤-20，可以通过利用掺杂改性或者有机官能团改性对磨粒表面进行改性来调整磨粒的ζ电位。
可以使用例如由OtsukaElectronicsCo.，Ltd.公司制造的“ELS-Z”利用电泳光散射法、或者使用由Dispersion Technology Inc.制造的“DT-1200”以电声波谱法，来测量磨粒和被抛光物体的ζ电位值。被抛光物体ζ电位的测量可以被由与被抛光物体相同材料所组成的细颗粒的ζ电位的测量所替代。或者，将被抛光物体浸没于含有具有已知ζ电位值的细颗粒的液体中，再将被抛光物体从液体中取出，并用流动水清洗大约10秒，然后可以用例如扫描电子显微镜观察被抛光物体的表面。在此情况下，在液体中所测量的被抛光物体的ζ电位值的符号是正号还是负号，可以根据清洗后粘附到被抛光物体表面上的细颗粒的量而获知。
本具体实施方式提供以下优点。
在本具体实施方式的抛光组合物中，供使用的磨粒具有满足关系X×Y≤0的ζ电位，其中X[mV]代表在抛光组合物中所测量的磨粒的ζ电位，Y[mV]代表在利用所述抛光组合物进行抛光期间所测量的被抛光物体体的ζ电位。因此，抛光组合物中所包含磨粒所具有的ζ电位值，可以使其在利用抛光组合物进行抛光期间不被被抛光物体静电排斥。因为在抛光期间抛光组合物中所包含的磨粒不被被抛光物体静电排斥，所以可有效率地利用磨粒来执行被抛光物体的机械抛光。因此，可以利用所述抛光组合物，以较高的抛光速率对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的被抛光物体进行抛光。
可按如下方式对本具体实施方式进行修改。
本具体实施方式的抛光组合物可以包含两种或更多种磨粒。在此情况下，部分磨粒需要有在抛光期间不被被抛光物体静电排斥的ζ电位值。然而，为了获得更高的抛光速率，优选全部磨粒具有在抛光期间不被被抛光物体静电排斥的ζ电位值。
视需要，本具体实施方式的抛光组合物可进一步包含已知的添加剂，如防腐剂。
本具体实施方式的抛光组合物可以通过用水稀释抛光组合物的浓缩液而制备。
下面将对本发明的实例和比较例进行描述。
[实例1和2以及比较例1]
实例1和2以及比较例1的抛光组合物是通过以下方法制备：用水稀释包含具有80纳米平均一次颗径的胶体二氧化硅的胶体二氧化硅溶胶，并视需要加入pH调节剂。实例1和2以及比较例1的各抛光组合物包含20质量％的胶体二氧化硅。将盐酸或氢氧化钾适当地用作pH调节剂。利用实例1和2以及比较例1的各抛光组合物，在表1中所示条件下对蓝宝石基板的表面(c-面(<0001>))进行抛光。所有被使用的蓝宝石基板均属于相同类型，具有52毫米(约2英寸)的直径。
将抛光组合物的pH值、在抛光组合物中所测量的胶体二氧化硅的ζ电位值、以及在利用所述抛光组合物进行抛光期间所测量的蓝宝石基板的ζ电位值示于表2。在利用所述抛光组合物进行抛光之前和之后，测量蓝宝石基板的重量，根据抛光前和抛光后的重量差异来计算抛光速率。将计算出的抛光速率示于表2的“抛光速率”列。
表1
Figure BSA00000454385600051
表2
Figure BSA00000454385600061
如表2中所示，当利用实例1或实例2的抛光组合物对蓝宝石基板进行抛光时，胶体二氧化硅ζ电位与蓝宝石基板ζ电位的乘积具有不大于零的值。相反，当利用比较例1的抛光组合物对蓝宝石基板进行抛光时，该乘积具有大于零的值。因而，与利用比较例1的抛光组合物相比，利用实例1或实例2的抛光组合物获得了较高的抛光速率。
[实例3以及比较例2]
实例3以及比较例2的抛光组合物是通过以下方法制备：用水稀释包含具有80纳米平均一次颗径的胶体二氧化硅的胶体二氧化硅溶胶，并视需要加入pH调节剂。实例3以及比较例2的各抛光组合物包含20质量％的胶体二氧化硅。将盐酸或氢氧化钾适当地用作pH调节剂。利用实例3以及比较例2的各抛光组合物，在表3所示条件下对氮化镓基板的表面(Ga面)进行抛光。所有被使用的氮化镓基板是属于相同类型，具有10毫米的的面积。
抛光组合物的pH值、在各抛光组合物中所测量的胶体二氧化硅ζ电位的符号、以及利用各抛光组合物进行抛光期间所测量的氮化镓基板ζ电位的符号示于表4。在利用所述抛光组合物进行抛光之前或之后，测量氮化镓基板的重量，根据抛光前与抛光后的重量差异来计算抛光速率。将计算出的抛光速率示于表4的“抛光速率”列。
表3
Figure BSA00000454385600071
表4
Figure BSA00000454385600072
如表4中所示，当利用实例3的抛光组合物对氮化镓基板进行抛光时，胶体二氧化硅ζ电位与氮化镓基板ζ电位的乘积具有负号。相反，当利用比较例2的抛光组合物对氮化镓基板进行抛光时，该乘积具有正号。因此，与利用比较例2的抛光组合物相比，利用实例3的抛光组合物获得了较高的抛光速率。
[实例4和5以及比较例3和4]
实例4和5以及比较例3和4的抛光组合物是通过以下方法制备：用水稀释包含具有35纳米平均一次颗径的胶体二氧化硅的胶体二氧化硅溶胶，并视需要加入pH调节剂。实例4和5以及比较例3和4的各抛光组合物包含5质量％的胶体二氧化硅。将醋酸或氢氧化钾适当地用作pH调节剂。利用实例4和5以及比较例3和4的各抛光组合物，在表5中所示条件下对砷化铟基板的表面((100)面)进行抛光。所有被使用的砷化铟基板均属于相同类型，具有52毫米(大约2英寸)的直径。
抛光组合物的pH值、在各抛光组合物中所测量的胶体二氧化硅ζ电位的符号、以及在利用各抛光组合物进行抛光期间所测量的砷化铟基板ζ电位的符号示于表6。在利用抛光组合物进行抛光之前和之后，测量砷化铟基板的重量，根据抛光前与抛光后的重量差异来计算抛光速率。将计算出的抛光速率示于表6的“抛光速率”的列。
表5
Figure BSA00000454385600081
表6
Figure BSA00000454385600091
如表6中所示，当利用实例4或5的抛光组合物对砷化铟基板进行抛光时，胶体二氧化硅ζ电位与砷化铟基板ζ电位的乘积具有负号。相反，当利用比较例3或比较例4的抛光组合物对砷化铟基板进行抛光时，该乘积具有正号。因而，与利用比较例3或比较例4的抛光组合物相比，利用实例4或5的抛光组合物具有较高的抛光速率。

Claims (14)

1.一种用于对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的被抛光物体进行抛光的抛光组合物，其特征在于：至少包含磨粒和水，其中所述磨粒具有满足关系X×Y≤0的ζ电位，其中X[mV]代表在所述抛光组合物中所测量的所述磨粒的ζ电位，Y[mV]代表在利用所述抛光组合物进行抛光期间所测量的所述被抛光物体的ζ电位。
2.根据权利1所述的抛光组合物，其中所述表达式X×Y具有不低于-5,000的值。
3.一种用于对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的被抛光物体进行抛光的抛光组合物，其特征在于：至少包含磨粒和水，其中所述磨粒具有在利用所述抛光组合物进行抛光期间不被所述被抛光物体静电排斥的ζ电位。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的抛光组合物，其中所述磨粒由氧化铝、氧化硅、氧化锆、金刚石、或者碳化硅构成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的抛光组合物，其中所述被抛光物体由蓝宝石、氮化镓、碳化硅、砷化镓、砷化铟、或者磷化铟构成。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的抛光组合物，进一步包括pH值调节剂。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的抛光组合物，进一步包括吸附到所述被抛光物体上的物质。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的抛光组合物，其中所述磨粒是经表面改性的。
9.一种对由光学器件的基板材料、电源器件的基板材料、或者化合物半导体材料所构成的物体进行抛光的方法，所述方法的特征在于，包括：
制备根据权利要求1至3中任一项所述的抛光组合物；以及
使用所述抛光组合物对所述物体进行抛光。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述磨粒由氧化铝、氧化硅、氧化锆、金刚石、或者碳化硅构成。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述物体由蓝宝石、氮化镓、碳化硅、砷化镓、砷化铟、或者磷化铟构成。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：在所述使用之前，将pH值调节剂加入到所述抛光组合物中。
13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：在使用所述抛光组合物之前，将可吸附到所述物体上的物质加入到所述抛光组合物中。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述抛光组合物的制备包括对所述磨粒进行表面改性。
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