CN105885790A - 一种钛元素掺杂氧化硅溶胶的复合磨粒、其抛光液组合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛元素掺杂氧化硅溶胶的复合磨粒、其抛光液组合物及其制备方法。本发明的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒，所述的复合磨粒按照重量百分数由以下成分组成：含钛化合物0.1‑5wt.%；氧化硅溶胶99.9‑95 wt.%。本发明的复合磨粒的物理结构为纳米球形，该磨粒的化学组成上含有钛元素，钛元素可以提高磨粒的化学作用。化学作用可提高磨粒的抛光速率，提高材料的去除速率。采用本发明提供的抛光液对蓝宝石基片、硅片进行抛光，可以有效地降低蓝宝石、硅片表面的粗糙度，提高蓝宝石、硅片表面的去除速率。

Description

一种钛元素掺杂氧化硅溶胶的复合磨粒、其抛光液组合物及 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，特别是一种钛元素掺杂硅溶胶复合磨粒的制备方法以及原材料表面研磨抛光技术领域。

背景技术

蓝宝石材料由于其较高的莫氏硬度和较好的化学稳定性，被广泛的应用于电学、光学等领域。在光电子领域中，发光二极管(LED)具有低工作电压、低功耗、高效率、长寿命、固体化、快响应速度和驱动电路等简单优点，被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。蓝宝石因为其有良好的高温稳定性和力学性能，而作为LED的衬底材料。蓝宝石的表面质量对LED器件性能和质量有着非常重要的影响，目前要求超光滑、无缺陷且粗糙度小于0.2nm。因此蓝宝石最后一道抛光加工的要求很高，成为最重要的制程。

目前，普遍采用化学机械抛光(CMP)技术对蓝宝石器件表面进行精密抛光。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粒通常是氧化硅、氧化铝等传统无机粒子。而氧化硅磨粒对蓝宝石的抛光效果较好，但在CMP抛光过程中主要存在一些问题，如抛光速率低而导致生产效率低，表面质量有待继续提高。因此我们通过改变抛光液中磨粒特性来提高去除率。

专利申请“201110298605.X”，名称为“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”,这个专利为传统的共沉淀-烧结-球磨方式，这种方法虽然引入活性元素提高了抛光液的效率，但是很难保持颗粒的很好的均一性，并且储存、分散性能较差。

发明内容

为了解决现有技术的不足之处，本发明通过水溶液中晶体生长方法制备复合磨粒，制备过程中，磨粒是处于水溶液体系，分散性良好，且是溶胶状态，提高抛光液抛光效率的同时，也使得复合磨粒分散均匀，不易聚沉。

本发明的目的之一在于提供了一种钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒。

本发明的目的之二在于提供含有钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒的抛光液组合物。

本发明的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒，所述的复合磨粒按照重量百分数由以下成分组成：

含钛化合物 0.1-5％

氧化硅溶胶 95-99.9％。

优选地，

所述的复合磨粒按照重量百分数由以下成分组成：

含钛化合物 0.5-1.5％

氧化硅溶胶 98.5-99.5％

所述的含钛化合物为TiO(OH)₂。

本发明的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒的制备方法，包括如下步骤：

1)将水玻璃通过阳离子交换树脂，待流出的液体的pH值在2.5-3.5之间时接收流出的液体，则得到活性硅酸溶液；

2)在100℃及搅拌下，将硫酸钛溶液与步骤1)所得的活性硅酸溶液，加入到晶种氧化硅溶液中，同时滴加氢氧化钠溶液，控制滴加速度，保持氧化硅晶种母液的液面保持基本不变，且控制pH范围在9.0-11.0之间；

3)控制滴加及水分蒸发速度，使母液的液面保持基本不变，直到混合液滴完，关掉加热器，搅拌降温到室温；即得到钛元素掺杂氧化硅溶胶的复合磨粒。

所述的步骤1)中，水玻璃的质量分数为8％；所述的活性硅酸溶液的质量分数为2-3％。

所述的步骤2)中，硫酸钛溶液的质量分数为0.5％；所述的晶种氧化硅溶液的质量分数为10％。

本发明的含有钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒的抛光液组合物，所述的抛光液组合物按照重量百分数由以下成分组成：

钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒 6.03-6.09wt.％，

分散剂六偏磷酸钠 2wt.％，

去离子水 余量，

各组分的质量百分含量之和为100％。

本发明的抛光液组合物的制备方法，包括如下步骤：

1)上述钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒溶液通过350目的滤筛，除去大颗粒；

2)向其中加入分散剂六偏磷酸钠，搅拌均匀；得到抛光液组合物。

本发明的复合磨粒的物理结构为纳米球形，该磨粒的化学组成上含有钛元素，钛元素可以提高磨粒的化学作用。化学作用可提高磨粒的抛光速率，提高材料的去除速率。

采用本发明提供的抛光液对蓝宝石基片、硅片进行抛光，可以有效地降低蓝宝石、硅片表面的粗糙度，提高蓝宝石、硅片表面的去除速率。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例综述于后。

实施例1

本实施例的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒可采用共沉淀法制备。制备过程为：在离子交换法制备硅溶胶的过程中将钛元素通过共沉淀的方法掺杂到氧化硅溶胶颗粒中。具体步骤如下：

1)将质量分数为8.0％水玻璃通过阳离子交换树脂，待流出的液体的pH值在2.5-3.5之间时接收流出的液体，则得到质量分数为2.7％活性硅酸溶液；

2)在100℃及搅拌下，将746克质量分数为0.5％的硫酸钛溶液与步骤1所得的373克质量分数为2.7％活性硅酸溶液，加入到3000克质量分数为10％的晶种氧化硅溶液中，同时滴加质量分数为0.5％的氢氧化钠溶液，控制滴加速度，保持氧化硅晶种母液的液面保持基本不变，且控制pH范围在9.0-11.0之间。

3)反应一直进行，直到钛离子与活性硅酸的混合液滴加完后，反应结束，停止加热，继续搅拌至溶液到室温，然后倒入烧杯中即可得到钛元素掺杂氧化硅溶胶的复合磨粒。

TiO(OH)₂含量计算公式为：

{(偏钛酸TiO(OH)₂摩尔质量×投料硫酸钛的质量)/硫酸钛摩尔质量}/抛光液固含量×100％。

实施例1中TiO(OH)₂含量：(98×746×0.5％/240)/{(3000×10％)(98×746×0.5％/240)}×100％＝0.5％

复合磨粒中含有0.5％w/w的TiO(OH)₂和99.5％w/w的氧化硅溶胶颗粒。

使用时，制成抛光液组合物，抛光液组合物的组成和质量百分比如下：

钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒 6.03wt.％

分散剂六偏磷酸钠 2wt.％

去离子水 余量

各组分的质量百分含量之和为100％。

抛光液组合物的制备方法：

1)上述钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒溶液通过350目的滤筛，除去大颗粒；

2)加入去离子水配制成5升的抛光液，

3)向其中加入100g分散剂六偏磷酸钠，搅拌均匀；得到抛光液组合物。

实施例2

本实施例的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒，制备过程如下：采用1492g质量分数为0.5％的硫酸钛溶液与746g质量分数为2.7％活性硅酸溶液。其他步骤同实施例1。得到钛元素掺杂氧化硅溶胶的复合磨粒。

实施例2中TiO(OH)₂含量：(98×1492×0.5％/240)/{(3000×10％)+(98×1492×0.5％/240)}×100％＝1.0％

复合磨粒中含有1.0％w/w的TiO(OH)₂和99.0％w/w的氧化硅溶胶。

使用时，制成抛光液组合物，抛光液组合物的组成和质量百分比如下：

钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒 6.06wt.％

分散剂六偏磷酸钠 2wt.％

去离子水 余量

各组分的质量百分含量之和为100％。

抛光液组合物的制备方法同实施例1。

实施例3

本实施例的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒，制备过程如下：采用2238g质量分数为0.5％的硫酸钛溶液与1119g质量分数为2.7％活性硅酸溶液。其他步骤同实施例1。得到钛元素掺杂氧化硅溶胶的复合磨粒。

实施例3中TiO(OH)₂含量：(98×2238×0.5％/240)/{(3000×10％)+(98×2238×0.5％/240)}×100％＝1.5％

复合磨粒中含有1.5％w/w的TiO(OH)₂和98.5％w/w的氧化硅溶胶。

使用时，制成抛光液组合物，抛光液组合物的组成和质量百分比如下：

钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒 6.09wt.％

分散剂六偏磷酸钠 2wt.％

去离子水 余量

各组分的质量百分含量之和为100％。

抛光液组合物的制备方法同实施例1。

比较例1

未掺杂的纯的氧化硅溶胶抛光液。即反应过程中不滴加硫酸钛溶液，得到未掺杂铁的纯氧化硅溶胶抛光液。

纯的胶体氧化硅磨粒抛光液的组成和质量百分比如下：

未掺杂铁元素的氧化硅溶胶复合磨粒 6.0wt.％

分散剂六偏磷酸钠 2wt.％

去离子水 92wt.％

实施例4 抛光实验

使用上述抛光液在一定抛光条件下对蓝宝石基片、硅片进行抛光实验，抛光条件如下：

抛光机：UNIPOL-1502单面抛光机

抛光工件：直径为50.8nm的蓝宝石基片、直径为50.8nm的硅片

抛光垫：聚氨酯材料、RODEL生产

抛光压力：蓝宝石抛光为6公斤、硅片抛光为4公斤

下盘转速：60rpm

抛光时间：蓝宝石抛光为3小时、硅片抛光为1小时

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)与微粗糙度(RMS)用AmbiosXI-100表面形貌仪，其分辨力为0.1埃。测试范围为500微米×500微米。基片重量用分析天平称量，抛光前后重量差除以基片表面积及抛光时间为抛光速率。

各实施例抛光液对蓝宝石的抛光效果分别见表1.可见，与比较例1纯氧化硅磨粒抛光液相比，含钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒(实施例1、2、3)对蓝宝石基片进行抛光后，均降低了蓝宝石基片表面的粗糙度(Ra)及微粗糙度(RMS)，并提高了蓝宝石基片表面的去除率。

表1 各种抛光液对蓝宝石基片的抛光效果

	实施例1	实施例2	实施例3	比较例1
					去除率mg/h	8.0	8.8	10.0	5.4
Ra/nm	1.60	1.39	1.23	2.19
					RMS/nm	1.96	1.68	1.53	2.78

各实施例抛光液对硅片的抛光效果分别见表2。可见，与比较例1(纯的氧化硅磨粒抛光液)相比，含钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒(实施例1、2、3)对硅片进行抛光后，均降低了硅片表面的粗糙度(Ra)及微粗糙度(RMS)，并大大提高了去除率。

表2 各种抛光液对硅片的抛光效果

	实施例1	实施例2	实施例3	比较例1
					去除率mg/h	47.6	50.7	70.53	35.1
Ra/nm	19.77	12.52	13.61	24.43
					RMS/nm	24.56	15.62	16.68	29.07

Claims (7)

1.一种钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒，其特征在于，所述的复合磨粒按照重量百分数由以下成分组成：

含钛化合物 0.1-5％

氧化硅溶胶 95-99.9％。

2.根据权利要求1所说的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒，其特征在于，所述的复合磨粒按照重量百分数由以下成分组成：

含钛化合物 0.5-1.5％

氧化硅溶胶 98.5-99.5％

所述的含钛化合物为TiO(OH)₂。

3.如权利要求1或2所述的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将水玻璃通过阳离子交换树脂，待流出的液体的pH值在2.5-3.5之间时接收流出的液体，则得到活性硅酸溶液；

2)在100℃及搅拌下，将硫酸钛溶液与步骤1所得的活性硅酸溶液，加入到晶种氧化硅溶液中，同时滴加氢氧化钠溶液，控制滴加速度，保持氧化硅晶种母液的液面保持基本不变，且控制pH范围在9.0-11.0之间；

3)控制滴加及水分蒸发速度，使母液的液面保持基本不变，直到混合液滴完，关掉加热器，搅拌降温到室温；即得到钛元素掺杂氧化硅溶胶的复合磨粒。

4.根据权利要求3所述的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中，水玻璃的质量分数为8％；所述的活性硅酸溶液的质量分数为2-3％。

5.根据权利要求3所述的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中，硫酸钛溶液的质量分数为0.5％；所述的晶种氧化硅溶液的质量分数为10％。

6.含有如权利要求1-2任意一项所述的钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒的抛光液组合物，其特征在于，所述的抛光液组合物按照重量百分数由以下成分组成：

钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒 6.03-6.09wt.％，

分散剂六偏磷酸钠 2wt.％，

去离子水 余量，

各组分的质量百分含量之和为100％。

7.如权利要求6所述的抛光液组合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)上述钛元素掺杂氧化硅溶胶复合磨粒溶液通过350目的滤筛，除去大颗粒；

2)向其中加入分散剂六偏磷酸钠，搅拌均匀；得到抛光液组合物。