CN104002252A - 超细磨料生物高分子柔性抛光膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超细磨料生物高分子柔性抛光膜及其制备方法，属于生物高分子材料和超精密加工相结合的领域。其特征是抛光膜基材为可降解的生物高分子材料，选用填充剂、持水剂和造孔剂等干燥控制化学添加剂增强抛光膜的机械性能，通过偶联剂表面化学改性的方法实现超细磨料在抛光膜中的均匀分散和有效把持。与传统的化学机械抛光方式相比，不存在游离磨料浪费严重和腐蚀性抛光液对环境的污染问题。相较于商业的抛光膜产品，生物高分子基材具有一定的柔性，能实现对磨粒的容没，不会产生划痕和机械损伤，可达到超精密无损加工。可降解的超细磨料生物高分子柔性抛光膜具有制备工艺简单、抛光效果好、加工效率高、工件易清洗、绿色环保等特点。

Description

超细磨料生物高分子柔性抛光膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种超精密磨抛工具，是含超细磨料的生物高分子柔性抛光膜，具有加工过程无污染、绿色环保可降解的特点。

背景技术

近些年，随着信息技术和光电技术的快速发展，对陶瓷基板、半导体晶圆、光学晶体、装饰及工程石材的加工，都提出了越来越高的要求。尤其是半导体晶片的加工，不仅要求表面超光滑、超平坦，而且不能有残余应力、表面和亚表面损伤。

这类材料的超精密抛光方法主要有游离磨料抛光、固结磨料抛光和特种加工三种方式。游离磨料抛光过程中，磨粒随机分布并且轨迹不可控，形成三维一体运动，加工效率较低。当磨粒尺寸较小时，容易形成团聚体，造成工件表面划伤，影响加工质量。采用的腐蚀性研磨液和游离磨料不仅浪费严重还污染环境。固结磨料抛光用的磨盘刚度大，抛光过程中的修整比较困难繁琐，加工过程中条件控制非常严格，否则易对工件产生硬损伤，且同样存在细粒度磨料团聚的问题。新型的特种加工，虽然能获得较好的表面质量，但是往往对设备要求非常高，且很难实现大平面工件的高效快速加工，无法广泛应用到大规模的工业化生产中。

国内外研究学者也针对上述问题开发了一类半固着的磨抛工具，比如冰盘、树脂抛光片、亲水性抛光膜等，在一定程度上解决细粒度磨料的分散问题。但这类工具的磨料把持能力较低，加工过程中多数处于游离状态，且高分子聚合物很难降解，废弃物后期处理比较麻烦。

发明内容

本发明的目的是针对现有超精密磨抛工具存在的问题，提出一种基于可降解生物高分子材料的超细磨料抛光膜产品。其制备方法简单，膜片的形状和尺寸不受限制，加工过程中只需要水作为抛光液，用于超精密无损加工，具有绿色环保无污染的特点

本发明的技术方案是：

一种超细磨料生物高分子柔性抛光膜，其特征是经过表面改性的超细磨料（0.1-10wt%）、干燥控制化学添加剂（5-15wt%）和生物高分子溶胶（1-10wt%），通过机械搅拌和超声分散的方式均匀混合，将胶体喷涂或刮抹成型，通过物理或化学交联固化，干燥后形成；所述的改性是通过偶联剂对超细磨料进行化学包覆以提高磨料在高分子基材中的分散性和把持力。

物理或化学交联包括：温度变化引起的分子缠结（明胶、琼脂糖）；离子交联作用（海藻酸钠、卡拉胶、海藻酸钠和豆胶复合、卡拉胶和黄原胶复合）；氢键或疏水作用（淀粉、改性纤维素、壳聚糖、葡甘聚糖和果胶）；结晶作用（聚乳酸）。

所述的偶联剂为硅烷偶联剂（例如KH540、KH550、KH580等）、钛酸酯偶联剂（例如KR-TTS、KP-TTS和KR-41B等）、木质素偶联剂（例如溶剂型高沸醇HBS等）的一种或其组合。

所述的超细磨料为金刚石、碳化物（例如碳化硅等）、硼化物（例如氮化硼等）、氧化物（例如氧化铝、氧化硅、氧化铈等）的一种或者几种组合。

超细磨料的粒径在50nm-40μm。可以为50nm、100nm、250nm、500nm、1μm、5μm、10μm等。

所述的干燥控制化学添加剂包括填充剂、持水剂和造孔剂。填充剂和持水性的混合比例范围为，填充剂：持水剂=1～3wt%：3～10wt%，造孔剂的添加浓度范围可根据所制备工具的孔隙率要求进行适当调整，一般可以采用0.1-2%，优选为0.5-1.5%。

填充剂可以为纳米SiO₂、纳米CaCO₃、纳米聚酰亚胺和纳米钙镁粉等中的一种或者几种组合；持水剂可以为蔗糖、乳糖、果糖、丙三醇等中的一种或者几种组合；造孔剂可以为NaHCO₃、NaCl、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠等中的一种或者几种组合。

所述的生物高分子基材可以为淀粉、改性纤维素、壳聚糖、琼脂糖、葡甘聚糖，海藻酸钠、明胶、卡拉胶、黄原胶、果胶、豆胶、聚乳酸等中的一种或者几种组合。

所述的干燥可以采用恒温干燥或红外干燥等干燥方法。

一种超细磨料生物高分子柔性抛光膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）超细磨粒添加到偶联剂的水溶液中改性处理；

（2）处理后的超细磨粒、干燥控制添加剂以及生物高分子溶胶以0.1%～2%：4%～14%：1.5%～5%比例混合均匀；

（3）将混合溶胶通过喷涂或刮抹成型，再物理或化学交联固化，干燥后制成抛光膜。

其中，步骤（1）中，超细磨粒和偶联剂比例范围为质量比100：0.1～10。

本发明的技术效果：

本发明的超细磨料生物高分子柔性抛光膜可以广泛的用于陶瓷基板、半导体晶圆、光学晶体、装饰及工程石材，特别是大尺寸平面的超精密加工。本发明的抛光膜中超细磨料经偶联剂表面改性，有效解决了磨料的团聚问题，且增强了生物高分子基材对无机磨料的把持能力；又由于该抛光膜具有良好的柔韧性，可以实现磨粒的容没，在固结磨料高效加工的同时避免了硬质大颗粒对工件的划伤；本发明的抛光膜中还含有干燥控制化学添加剂，使得抛光膜具有良好的机械性能和储存寿命；所选的生物高分子材料可以被微生物降解，是一种环保型的抛光工具。

具体的实施方式

实施例1

将粒度为500nm的金刚石添加到KH-550硅烷偶联剂的水溶液（偶联剂浓度0.005%，金刚石的添加量1%）中超声30分钟。处理后的金刚石粉（表面处理后，偶联剂水解形成的官能团吸附在金刚石上，过滤得到金刚石粉）、粒径30nm的SiO2、SDS、蔗糖、卡拉胶和淀粉在去离子水中通过机械搅拌混合均匀，它们的质量百分比浓度分别为1%、3%、0.1%、3%、6%、4%。将溶胶通过涂布机均匀的涂布到无纺布表面，喷洒雾化的钠离子溶液形成凝胶。恒温干燥后粘附到背胶上，制成本发明的抛光膜。将抛光膜贴到AUTOPOL-1000S自动研磨抛光机的抛光盘上，研磨盘速度设为120rpm，载样盘速度设为60rpm，抛光压力设为3kg，对原始粗糙度10nm的SiC晶片抛光2h，表面粗糙度达到0.3nm，且晶片表面无划痕和凹坑。

实施例2

在常温下，将粒度为10μm的氧化铝添加到TTS钛酸酯偶联剂（氧化铝和TTS的量分别为2%和0.02%）中超声10分钟。处理后的氧化铝、粒径20nm的CaCO3、NaCl晶粒、丙三醇、壳聚糖和海藻酸钠在去离子水中通过机械搅拌混合均匀，其质量百分比浓度分别为2%、1%、0.2%、3%、3.5%、5%。将溶胶涂覆到圆形喷锡万能板上，浸泡到钙离子溶液中形成凝胶膜。红外干燥后从万能板上轻轻撕下，将膜片光滑面贴到圆形背胶上，就可以制成本发明的抛光膜。将这种抛光膜贴到AUTOPOL-1000S自动研磨抛光机的抛光盘上，研磨盘速度设为90rpm，载样盘速度设为80rpm，抛光压力设为2kg，对原始粗糙度500nm的单晶Si片抛光30min，表面粗糙度达到0.6nm，且晶片表面无划痕和凹坑。

Claims (7)

1.一种超细磨料生物高分子柔性抛光膜，其特征是经过表面改性的超细磨料0.1-10wt%、干燥控制化学添加剂5-15wt%和生物高分子溶胶1-10wt%均匀混合，通过物理或化学交联固化成型，干燥后形成，其中，所述的表面改性是通过偶联剂对超细磨料进行化学包覆以提高磨料在高分子基材中的分散性和把持力。

2.根据权利要求1所述的超细磨料生物高分子柔性抛光膜，其特征是所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、木质素偶联剂的一种或者其组合。

3.根据权利要求1所述的超细磨料生物高分子柔性抛光膜，其特征是所述的超细磨料为金刚石、碳化物、硼化物、氧化物的一种或者几种组合，超细磨料的粒径在5nm-40μm。

4.根据权利要求1所述的超细磨料生物高分子柔性抛光膜，其特征是所述的干燥控制化学添加剂包括填充剂、持水剂和造孔剂，填充剂为纳米SiO₂、纳米CaCO₃、纳米聚酰亚胺和纳米钙镁粉的一种或其组合；持水剂为蔗糖、乳糖、果糖、丙三醇的一种或其组合；造孔剂为NaHCO₃、NaCl、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠的一种或其组合，前两者的混合比例范围为，填充剂：持水剂=1～3wt%：3～10wt%，造孔剂的添加浓度根据工具表面孔隙率的要求进行调整。

5.根据权利要求1所述的超细磨料生物高分子柔性抛光膜，其特征是所述的生物高分子材料为淀粉、改性纤维素、壳聚糖、琼脂糖、葡甘聚糖，海藻酸钠、明胶、卡拉胶、黄原胶、果胶、豆胶、聚乳酸中的一种或其组合。

6.如权利要求1至5任一项所述的超细磨料生物高分子柔性抛光膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）超细磨粒添加到偶联剂的水溶液中改性处理；

（2）处理后的超细磨粒、干燥控制化学添加剂以及生物高分子溶胶以0.1%～10%：5%～15%：1%～10%比例混合均匀；

（3）将混合溶胶通过喷涂或刮抹成型，再物理或化学交联固化，干燥后制成抛光膜。

7.如权利要求6所述的超细磨料生物高分子柔性抛光膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，超细磨粒和偶联剂的比例范围为质量比100：0.1～10。