CN102408871B - 含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒、抛光液组合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒、抛光液组合物及其制备方法。该复合磨粒为：a.由氧化硅与含有抛光活性元素的氧化物形成的复合氧化硅磨粒；b.由氧化铝与与含有抛光活性元素的氧化物形成的复合氧化铝磨粒。该复合磨粒为纳米级孔道结构，可降低磨料硬度，减小无机致密磨粒对基片的过度碰撞，以降低抛光损伤；该磨粒的化学组成上含有铁或铜、铈、镍、钛、银等抛光活性元素，可提高磨粒的化学作用，同时磨粒的多孔结构可吸附储存抛光液成分，提高磨粒的化学活性。化学作用的提高可提高磨粒的抛光速度，这样设计的磨粒可同时达到“高速率、高精度”抛光的目的。采用本发明提供的抛光液对电子器件如硬盘基片进行抛光，可以有效降低存储器硬盘基片表面的粗糙度，并具有高的抛光速度。

Description

含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒、抛光液组合物及其制备方法

技术领域

  本发明涉及一种抛光磨粒、抛光液组合物及其制备方法，特别是一种含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒、抛光液组合物及其制备方法。

背景技术

当今，随着先进电子制造技术的迅猛发展，向机械制造极限提出了严峻的挑战，对加工精度和表面质量的要求越来越高。以计算机硬盘为例，计算机磁头的飞行高度已降低到3 nm左右, 并有进一步下降的趋势。如果硬盘表面粗糙度过大,在高速旋转的过程中，磁头就会与磁盘表面发生碰撞,损坏磁头或存储器硬盘表面上的磁介质,从而导致磁盘设备发生故障或读写信息的错误。另一方面,当存储器硬盘表面上存在微缺陷如划痕时也会发生磁头碰撞。因此，在形成磁介质之前,必须对磁盘基片进行抛光,使基片的表面粗糙度降至最小，同时还必须完全去除微凸起、细小凹坑、划痕、抛光条痕等表面缺陷。

目前，普遍采用化学机械抛光（CMP）技术对器件表面进行精密抛光。研磨剂（磨粒）是化学机械抛光液中的主要成分，目前实际中广泛采用的研磨剂一般为氧化硅、氧化铝等传统无机粒子。由于无机颗粒结构致密、硬度大，这样含有这些致密的无机颗粒研磨剂的抛光液易引起表面抛光损伤，具体表现为抛光后表面粗糙度较大、划痕等表面缺陷较多。降低磨粒的硬度（如有研究及报道的无机磨粒/高分子型核-壳磨粒）虽然可改善抛光损伤，但降低了抛光速度，这是因为这些磨粒为惰性磨粒，不具有化学活性，硬度降低后，机械作用降低，导致抛光速度与抛光质量不可兼得。

发明内容

本发明的目的之一在于提供了一种含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒。

本发明的目的之二在于提供采用该复合磨粒的抛光液组合物。

本发明的目的之三在于提供该复合磨粒的制备方法 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒，其特征在于该复合磨粒为：

a. 由氧化硅与含有抛光活性元素的氧化物形成的复合氧化硅磨粒，其中所述的抛光活性元素与氧化硅的摩尔比为1～20：100；所述的抛光活性元素为：铈、锆、铜、镍、钛、银或铁；

b. 由氧化铝与与含有抛光活性元素的氧化物形成的复合氧化铝磨粒，其中所述的抛光活性元素与氧化铝的摩尔比为1～20：100；所述的抛光活性元素为：铈、锆、铜、镍、钛、银或铁。

上述的多孔纳米复合磨粒的粒径可以为：2-50纳米。

上述的复合氧化硅磨粒的制备方法可以为：将聚醚P123模板剂溶解于pH值为1.5的盐酸溶液中，然后加入正硅酸甲酯和抛光活性元素的可溶性盐，其中P123模板剂的质量为正硅酸甲酯质量的45～55%，在35℃～40℃下充分搅拌混合后，于95℃～105 ℃老化20～30小时，然后过滤、洗涤、干燥，最后在500～600 ℃煅烧5～7小时，即得到多孔纳米复合氧化硅磨粒。

上述的复合氧化铝磨粒的制备方法可以为：将聚醚P123模板剂溶解于无水乙醇中，加入异丙醇铝和抛光活性元素可溶性盐，其中P123模板剂的质量为异丙醇铝质量的45～55%，室温下搅拌混合均匀，然后于55℃～65℃陈化40～50小时；将得到的固体于350℃～450℃，保温3～5小时，再升到850℃～950℃，冷却得到氧化铝复合磨粒。

一种抛光液组合物，包含上述的多孔纳米复合磨粒，其特征在于所述的抛光液的组成及质量百分含量为：

多孔纳米复合磨粒                          1-20%

分散剂六偏磷酸钠                          0.2-3%

双氧水氧化剂                              0.2-6%，

表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚              0.01-1%，

水                                        余量；

以上各组成的质量百分含量之和为100%。

一种制备上述的抛光液组合物的方法，其特征在于该方法的具体步骤可以为：将多孔纳米复合磨粒配制成的水溶液，随后再加入的六偏磷酸钠，搅拌均匀后，超声分散，再进行球磨分散，过滤除去大颗粒，再加入氧化剂双氧水，表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚，搅拌均匀即得到含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒。。

本发明的复合磨粒的物理结构为纳米级孔道结构，多孔结构可降低磨料硬度，减小无机致密磨粒对基片的过度碰撞，以降低抛光损伤；该磨粒的化学组成上含有铁或铜、铈、镍、钛、、银等抛光活性元素，这些元素可提高磨粒的化学作用，同时磨粒的多孔结构可吸附储存抛光液成分，提高磨粒的化学活性。化学作用的提高可提高磨粒的抛光速度，这样设计的磨粒可同时达到“高速率、高精度”抛光的目的。

采用本发明提供的抛光液对电子器件如硬盘基片进行抛光，可以有效降低存储器硬盘基片表面的粗糙度，并具有高的抛光速度。

具体实施方式

下面用一些实例对本发明的实施方案作进一步说明，但本发明不受这些具体实施例的限制。

本发明的含纳米氧化硅的复合磨料可采用水热法制备。制备过程为，先将一定量聚醚P123模板剂溶解于pH值为1.5的盐酸溶液中，然后将含有一定量TMOS（正硅酸甲酯）和Fe（NO₃）₃的溶液滴加到P123模板剂溶液中，混合液在40 ℃下强烈搅拌20小时，之后转入到水热釜中，于100 ℃老化24小时，然后过滤、洗涤、干燥，最后将所得粉末在控温炉中，在550 ℃保温6小时，煅烧去除模板剂，即得到含有抛光活性元素铁的多孔纳米氧化硅-氧化铁复合磨料。同样制备方法，将硝酸铁换为硝酸铈、硝酸锆、硝酸铜、硝酸镍和硝酸钛其它含有抛光活性元素铈的多孔纳米复合磨料。

本发明的多孔纳米氧化铝-氧化铜复合磨料可采用溶胶-凝胶法制备。制备过程为，将一定量聚醚P123模板剂溶解于无水乙醇中，，加入一定量的异丙醇铝及硝酸铜，室温下搅拌5 h，然后于60 ℃陈化48 h。将得到的固体，于控温炉中加热到400 ℃，保温4 h，再升到900℃，停止加热，冷却得到含有抛光活性元素铜的多孔纳米氧化铝-氧化铜复合磨料。同样制备方法，将硝酸铜换为、硝酸铁、硝酸铈、硝酸锆、硝酸镍和硝酸钛，则得到其它多孔纳米复合磨料。

实施例 1：在去离子水中加入一定量的多孔纳米氧化硅-氧化铈粉体，配制成 3%的水溶液；多孔氧化硅的孔直径为8.7纳米，铈的含量为10%（摩尔比）；随后再加入0.5 ％的六偏磷酸钠分散剂，用搅拌机搅拌均匀，然后进行超声分散，再进行球磨分散，制得多孔纳米氧化硅分散液，并用过滤器除去大颗粒。抛光前，加入双氧水氧化剂3%，十二烷基聚氧乙烯醚表面活性剂0.3%，搅匀即得到多孔纳米氧化硅-氧化铈抛光液。

实施例 2 ：同实施例1的组成和步骤，只是采用的为多孔纳米氧化硅-氧化铁粉体，其孔径为8.2纳米，铁的含量为10%（摩尔比）。

实施例 3 ：同实施例1的组成和步骤，只是采用的多孔氧化铝-氧化铜粉体，其孔径为5.5纳米，，铜的含量为10%（摩尔比）。

实施例 4 ：同实施例1的组成和步骤，只是采用的多孔氧化铝-氧化铈粉体，其孔径为5.6纳米，铈的含量为10%（摩尔比）。

比较例 1 ：同实施例1的组成和步骤，只是采用的磨料为相应的实心氧化硅颗粒。

比较例 2 ：同实施例1的组成和步骤，只是采用的磨料为相应的实心氧化铝颗粒。

抛光试验：使用上述各抛光液在一定抛光条件下对计算机硬盘基片进行抛光试验。抛光条件如下：

抛光机： UNIPOL-1502单面抛光机

工件： 95mm/50mil 计算机硬盘基片

抛光垫：聚氨酯材料、 RODEL 生产

抛光压力： 4公斤

下盘转速 60rpm 

抛光时间：30 分钟

抛光后，接着洗涤和干燥基片，然后测量基片的表面形貌特征。表面平均粗糙度（ Ra ）用Ambios XI-100 表面形貌仪测试，其分辨力为 0.1埃。测试范围为93.5微米×93.5微米。基片重量用分析天平称量，抛光前后重量差除以抛光时间为抛光速率。

各实施例抛光液的抛光效果分别见表1。可见，与比较例1(实心氧化硅)相比，含有抛光活性元素的多孔纳米氧化硅-氧化铈（实施例1）、多孔氧化硅-氧化铁（实施例2）对硬盘基片进行抛光后，均降低了存储器硬盘基片表面的粗糙度，并大大提高了抛光速度。与比较例2（实心氧化铝）相比，含有抛光活性元素的多孔纳米氧化铝-氧化铜（实施例3）、多孔氧化铝-氧化铈（实施例4）对硬盘基片进行抛光后，也降低了存储器硬盘基片表面的粗糙度，并大大提高了抛光速度。并且在从形貌仪测试时，表面形貌图可以发现，实施例1～实施例4，与相应的实心磨粒（比较例1、比较例2）相比，多孔复合磨粒抛光后的表面也表现出较少的抛光划痕等微观缺陷。

表 1 各实施例抛光液对计算机硬盘基片的抛光效果

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	比较例1	比较例1
							抛光速率，mg/min	0.30	0.39	5.1	5.5	0.19	3.5
Ra，nm	16.9	13.5	17.3	16.0	19.9	20.5

Claims (6)

1.一种含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒，其特征在于该复合磨粒为：

a. 由氧化硅与含有抛光活性元素的氧化物形成的复合氧化硅磨粒，其中所述的抛光活性元素与氧化硅的摩尔比为1～20：100；所述的抛光活性元素为：铈、锆、铜、镍、钛、银或铁；

b. 由氧化铝与与含有抛光活性元素的氧化物形成的复合氧化铝磨粒，其中所述的抛光活性元素与氧化铝的摩尔比为1～20：100；所述的抛光活性元素为：铈、锆、铜、镍、钛、银或铁。

2.根据权利要求1所述的含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒，其特征在于所述的多孔纳米复合磨粒的粒径为：2-50纳米。

3.根据权利要求1或2所述的含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒，其特征在于所述的复合氧化硅磨粒的制备方法为：将聚醚P123模板剂溶解于pH值为1.5的盐酸溶液中，然后加入正硅酸甲酯和抛光活性元素的可溶性盐，其中P123模板剂的质量为正硅酸甲酯质量的45～55%，在35℃～40℃下充分搅拌混合后，于95℃～105 ℃老化20～30小时，然后过滤、洗涤、干燥，最后在500～600 ℃煅烧5～7小时，即得到多孔纳米复合氧化硅磨粒。

4.根据权利要求1或2所述的含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒，其特征在于所述的复合氧化铝磨粒的制备方法为：将聚醚P123模板剂溶解于无水乙醇中，加入异丙醇铝和抛光活性元素可溶性盐，其中P123模板剂的质量为异丙醇铝质量的45～55%，室温下搅拌混合均匀，然后于55℃～65℃陈化40～50小时；将得到的固体于350℃～450℃，保温3～5小时，再升到850℃～950℃，冷却得到氧化铝复合磨粒。

5.一种抛光液组合物，包含根据权利要求1或2所述的多孔纳米复合磨粒，其特征在于所述的抛光液的组成及质量百分含量为：

多孔纳米复合磨粒                          1-20%

分散剂六偏磷酸钠                          0.2-3%

双氧水氧化剂                              0.2-6%，

表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚              0.01-1%，

水                                        余量；

以上各组成的质量百分含量之和为100%。

6.一种制备根据权利要求5所述的抛光液组合物的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：将多孔纳米复合磨粒配制成的水溶液，随后再加入的六偏磷酸钠，搅拌均匀后，超声分散，再进行球磨分散，过滤除去大颗粒，再加入氧化剂双氧水，表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚，搅拌均匀即得到含抛光活性元素的多孔纳米复合磨粒。