CN108239484B

CN108239484B - 一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液及其制备方法

Info

Publication number: CN108239484B
Application number: CN201611208571.XA
Authority: CN
Inventors: 周群飞; 饶桥兵; 杨水莲
Original assignee: Lens Technology Changsha Co Ltd
Current assignee: Lens Technology Changsha Co Ltd
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: CN108239484A

Abstract

本发明提供一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液，所述抛光液为包括以下组分的水溶液：粒径大小为80～350nm的α‑氧化铝粉末12～26wt％，分散剂0.5～1.2wt％，润滑剂0.04～1.2wt％，络合剂0.05～0.7wt％，防腐剂0.08～0.4wt％和pH值调节剂2.4～5wt％；所述分散剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种，所述润滑剂为聚乙二醇400、聚乙二醇600、甘油中的一种或几种，所述络合剂为葡萄糖酸钠、乳酸钠和柠檬酸钾中的一种或几种，所述防腐剂为苯并三氮唑、硼酸钾和硼酸钠中的一种或几种。本发明所述抛光液加工蓝宝石过程中抛光效率快，润滑效果优良，加工的产品表面质量好，且该抛光液制备方法简单、成本低，有利于工业化推广应用。

Description

一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液及其制备方法

技术领域

本发明涉及蓝宝石抛光技术领域，特别地，涉及一种蓝宝石抛光用的氧化铝抛光液及其制备方法。

背景技术

蓝宝石(Sapphire)，又称白宝石，分子式为Al₂O₃，是一种多功能氧化物晶体，为六方晶体结构，莫氏硬度9级，仅次于金刚石，它具有优良的光学、物理和化学性能。与天然宝石相比，它具有硬度高、熔点高、透光性好、热传导性和电绝缘性优异、力学机械性能好、耐磨损性能好、抗腐蚀性能稳定等特性，因此在光电子、通讯、国防等领域有广泛的应用。

随着科学技术的不断发展，要求蓝宝石工件必须具有很高的表面质量，因此对蓝宝石晶体的表面加工精度和表面完整性要求越来越高。CMP(Chemical MechanicalPolishing，化学机械抛光)技术是目前唯一可以达到全局平坦化的技术，其综合了化学、机械及流体力学等作用的优势。应用CMP技术既可以得到高的抛光速率，又能获得光洁平整的表面。但是，由于蓝宝石晶体硬度高、化学稳定性强且脆性大，机械加工困难，在加工蓝宝石工件过程中普遍存在抛光效率低、晶片表面粗糙度高、辅材损耗过快的问题，限制了蓝宝石行业的大规模工业应用。

在蓝宝石晶体的化学机械抛光过程中，抛光液是决定其抛光质量和效率的关键，其中磨料的种类、粒径的大小及含量对抛光效率及晶片表面粗糙度等有很大影响。目前蓝宝石抛光液所使用的磨料主要有金刚石粉体、二氧化硅溶胶和α-氧化铝(Al₂O₃)。金刚石硬度过高，虽然能保证高的抛光效率，但是晶片表面粗糙度不能符合要求，且金刚石成本较高，目前金刚石抛光液主要应用于蓝宝石的粗抛或研磨。蓝宝石的精密抛光过程使用最广泛的是二氧化硅溶胶抛光液，其加工的蓝宝石晶片表面质量好，且该抛光液悬浮效果好、使用方便、价格便宜，但硅溶胶抛光液的最大缺点为抛光效率低，另外，硅溶胶抛光液在抛光过程中受热易凝胶，且易在蓝宝石晶片表面风干，不利于后续清洗。

α-Al₂O₃是众多氧化铝晶相中最稳定的晶体相，是天然氧化物晶体中硬度最高的物质，硬度仅次于金刚石，远大于硅溶胶颗粒，被广泛应用于许多硬质材料的抛光。α-Al₂O₃与蓝宝石是同一种物质或材料，材料结构中的原子排列模式完全相同，所不同的是多晶体与单晶体的区别，所以，从硬度上讲，α-Al₂O₃纳米粉体与蓝宝石晶体的硬度相当，可用于蓝宝石晶体抛光。蓝宝石晶体抛光一般在碱性条件下进行，α-Al₂O₃在碱性条件下比硅溶胶更加稳定，可承受更高的温度而不变质，以α-Al₂O₃为磨料的抛光液相较硅溶胶能调整更高的pH范围，具有更高的抛光效率，且成本低，利于工业化推广应用。

目前α-Al₂O₃抛光液并没有大规模应用于蓝宝石的抛光上，主要是：1.α-Al₂O₃在制备过程中颗粒容易团聚，且团聚体坚硬紧密，很难有效地在抛光液中分散，从而对蓝宝石晶片造成划伤；2.α-Al₂O₃在抛光液中容易沉降，需在抛光过程持续进行搅拌。选择合适的氧化铝粉体粒径及保证氧化铝在抛光液中的悬浮分散效果关系到氧化铝抛光液在蓝宝石抛光上的推广应用。

专利申请CN104356950A中公开一种蓝宝石晶片抛光液，所述抛光液由以下组分组成：固含量为30～40wt％的硅溶胶20～30wt％；直径为80～200nm氧化铝10～20wt％；有机碱0.1～4wt％；分散剂0.1～3wt％，所述分散剂为六偏磷酸钠、吡啶或聚乙二醇；壬基酚聚氧乙烯基醚0.3～1wt％；余量为去离子水。

上述抛光液中虽然在一定程度上解决了氧化铝抛光液容易团聚和容易沉降的问题，但上述抛光液中却需要使用硅溶胶来帮助氧化铝均匀分散，因而使用该抛光液的抛光速度被大幅拉低。而若直接将该方案中的硅溶胶去除，则氧化铝抛光液容易团聚和容易沉降的问题又将出现。

因此，为在不降低氧化铝抛光液的抛光速度的同时，解决本领域中存在的氧化铝抛光液容易团聚和容易沉降的问题，本领域需要开发一种新的氧化铝基蓝宝石抛光液。

发明内容

本发明目的在于提供一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液，以在不降低抛光速度的情况下解决加工蓝宝石工件过程中普遍存在的抛光效率和良率低、晶片表面粗糙度高、辅材损耗过快的技术问题。

因此，本发明提供一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液，所述抛光液为包括以下组分的水溶液：粒径大小为80～350nm的α-氧化铝粉末12～26wt％，分散剂0.5～1.2wt％，润滑剂0.04～1.2wt％，络合剂0.05～0.7wt％，防腐剂0.08～0.4wt％和pH值调节剂2.4～5wt％；所述分散剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种，所述润滑剂为聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、甘油中的一种或几种，所述络合剂为葡萄糖酸钠、乳酸钠和柠檬酸钾中的一种或几种，所述防腐剂为苯并三氮唑、硼酸钾和硼酸钠中的一种或几种，所述pH值调节剂为乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或几种。

在一种具体的实施方式中，所述α-氧化铝粒径大小为100～300nm。

在一种具体的实施方式中，所述抛光液包括：粒径大小为80～350nm的α-氧化铝粉末12～26wt％，分散剂0.5～1.2wt％，润滑剂0.04～1.2wt％，络合剂0.05～0.7wt％，防腐剂0.08～0.4wt％和pH值调节剂2.4～5wt％，余量为水。

在一种具体的实施方式中，所述pH值调节剂中包含一种或多种有机碱。优选本发明中使用有机碱作为pH调节剂，同时还能充当缓冲剂，使抛光液保持稳定的pH值；氢氧化钠或氢氧化钾作为强碱，能迅速地与晶片发生反应，起到增强化学作用的目的；当抛光液pH值太低时，加工过程中抛光液对晶片的化学作用将减弱，降低抛光效率。

在一种具体的实施方式中，所述抛光液中不含钻石粉和二氧化硅。

本发明还提供一种如上所述的蓝宝石抛光用氧化铝抛光液的制备方法，包括以下步骤：A、将去离子水在400～600rpm之间进行搅拌，分别加入分散剂和润滑剂，搅拌至混合均匀；B、在上述溶液中缓慢加入氧化铝粉末，搅拌至混合均匀；C、继续分别加入络合剂和防腐剂，搅拌至混合均匀；D、加入pH值调节剂，并调节pH值至11～14，搅拌至混合均匀；E、对氧化铝抛光液进行超声分散0.5～2h，即得成品氧化铝抛光液。

在一种具体的实施方式中，步骤A中均以0.5～2.0L/min的速度分别加入分散剂和润滑剂，步骤C中均以0.5～2.0L/min的速度分别加入络合剂和防腐剂，步骤D中以0.5～2.0L/min的速度加入pH值调节剂。

本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液及其制备方法，使用该抛光液加工蓝宝石过程中抛光效率快，润滑效果优良，加工的产品表面质量好，且该抛光液制备方法简单、成本低，有利于工业化推广应用。本发明提供的是一种兼具高抛光效率和低粗糙度的蓝宝石抛光用氧化铝抛光液。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明提供一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液，所述抛光液包括：粒径大小为80～350nm的α-氧化铝粉末12～26wt％，分散剂0.5～1.2wt％，润滑剂0.04～1.2wt％，络合剂0.05～0.7wt％，防腐剂0.08～0.4wt％和pH值调节剂2.4～5wt％，余量为去离子水。

制备抛光液的步骤包括：

A、将去离子水在400～600rpm之间进行搅拌，以0.5～2.0L/min的流速依次加入分散剂和润滑剂，搅拌至混合均匀；

B、在上述溶液中缓慢加入氧化铝粉末，搅拌至混合均匀；

C、继续以0.5～2.0L/min的流速依次加入络合剂和防腐剂，搅拌至混合均匀；

D、继续以0.5～2.0L/min的流速加入pH值调节剂，并调节pH值至11～14，搅拌至混合均匀；

E、对氧化铝抛光液进行超声分散0.5～2h，即得成品氧化铝抛光液。

以下实施例和对比例中采用上述制备方法，其配方中使用的具体物质的质量百分比见表1，余量为去离子水。

实施例1中使用的分散剂为聚乙烯醇，润滑剂为聚乙二醇200和聚乙二醇400，络合剂为葡萄糖酸钠，防腐剂为苯并三氮唑，pH值调节剂为二乙醇胺和四甲基氢氧化铵。

实施例2中使用的分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚，润滑剂为聚乙二醇200，络合剂为乳酸钠，防腐剂为苯并三氮唑，pH值调节剂为三乙醇胺、四甲基氢氧化铵和四乙基氢氧化铵。

实施例3中使用的分散剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，润滑剂为聚乙二醇200和甘油，络合剂为柠檬酸钾，防腐剂为苯并三氮唑，pH值调节剂为四乙基氢氧化铵。

实施例4中使用的分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚和聚乙烯吡咯烷酮，润滑剂为聚乙二醇400和聚乙二醇600，络合剂为乳酸钠，防腐剂为硼酸钠，pH值调节剂为乙醇胺、四甲基氢氧化铵和氢氧化钠。

实施例5中使用的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮，润滑剂为聚乙二醇400和甘油，络合剂为葡萄糖酸钠和柠檬酸钾，防腐剂为硼酸钾，pH值调节剂为二乙醇胺和氢氧化钾。

实施例6中使用的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮和脂肪醇聚氧乙烯醚，润滑剂为聚乙二醇200和聚乙二醇600，络合剂为乳酸钠，防腐剂为苯并三氮唑，pH值调节剂为乙醇胺、三乙醇胺和四乙基氢氧化铵。

实施例7中使用的分散剂为聚乙烯醇和脂肪醇聚氧乙烯醚，润滑剂为聚乙二醇600和甘油，络合剂为乳酸钠，防腐剂为硼酸钠，pH值调节剂为二乙醇胺、三乙醇胺和氢氧化钠。

实施例8中使用的分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚和脂肪醇聚氧乙烯醚，润滑剂为甘油，络合剂为柠檬酸钾，防腐剂为硼酸钾，pH值调节剂为二乙醇胺、四丙基氢氧化铵和氢氧化钾。

实施例9中使用的分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚和聚乙烯醇，润滑剂为聚乙二醇400，络合剂为柠檬酸钾，防腐剂为硼酸钠，pH值调节剂为四甲基氢氧化铵和氢氧化钠。

实施例10中使用的分散剂为聚乙烯醇，润滑剂为聚乙二醇600，络合剂为乳酸钠，防腐剂为苯并三氮唑，pH值调节剂为乙醇胺和氢氧化钾。

实施例11中使用的分散剂为聚乙烯醇，润滑剂为聚乙二醇400，络合剂为葡萄糖酸钠，防腐剂为苯并三氮唑，pH值调节剂为乙醇胺和氢氧化钠。

表1

对比例1中使用的分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚和脂肪醇聚氧乙烯醚，润滑剂为聚乙二醇400，络合剂为葡萄糖酸钠，防腐剂为苯并三氮唑，pH值调节剂为乙醇胺、三乙醇胺、四甲基氢氧化铵和氢氧化钠。

对比例2中使用的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮和脂肪醇聚氧乙烯醚，润滑剂为聚乙二醇600，络合剂为葡萄糖酸钠和乳酸钠，防腐剂为苯并三氮唑，pH值调节剂为二乙醇胺、四甲基氢氧化铵和氢氧化钾。

对比例3中使用的抛光液各组分与实施例1基本相同，但其中并不加入任何的络合剂。

对比例4中使用的抛光液各组分与实施例8基本相同，但其中并不加入任何的分散剂。

对比例5中使用的抛光液各组分与实施例10基本相同，但其中并不加入任何润滑剂。

各实施例和对比例中抛光液中各组分的用量见表1。

表2

	平均表观良率	平均抛光速率(μm/h)	表面粗糙度Ra(nm)
				实施例1	95.0％	16.4	0.456
实施例2	93.3％	15.8	0.441
				实施例3	95.0％	17.3	0.423
实施例4	95.0％	19.8	0.436
				实施例5	96.7％	17.2	0.445
实施例6	93.3％	20.6	0.487
				实施例7	96.7％	21.5	0.431
实施例8	95.0％	15.2	0.418
				实施例9	98.3％	16.0	0.468
实施例10	96.7％	14.6	0.427
				实施例11	90.6％	21.8	0.492
对比例1	75.0％	10.3	0.598
				对比例2	66.7％	24.2	0.625
对比例3	82.4％	15.7	0.583
				对比例4	58.6％	14.8	0.655
对比例5	64.9％	15.1	0.608
				二氧化硅溶胶抛光液1#	96.7％	2.5	0.415
二氧化硅溶胶抛光液2#	95.0％	2.3	0.420

将上述实施例1-11和对比例1-5制备出的蓝宝石氧化铝抛光液进行效果实验，氧化铝抛光液实验过程的抛光条件如下：

抛光机：CJ四头单抛机，被抛光的晶片：蓝宝石晶片，被抛光晶片片数：60pcs，抛光垫：聚氨酯(开槽)，抛光压力：160kg，下盘抛光转速：65rpm，PP(上压盘)抛光转速：57rpm，抛光时间：60min。同时将氧化铝抛光液与现有的二氧化硅溶胶抛光液进行对比，其中二氧化硅溶胶抛光液的抛光时间为240min。

抛光后，对抛光蓝宝石晶片进行超声波清洗、干燥后，检测其表观状态；用厚度仪测量蓝宝石晶片的厚度差来计算抛光速率，对所有60pcs被抛光晶片进行测量，求平均值得到抛光速率；用粗糙度测试仪对60pcs被抛光晶片进行测量，求平均值得到晶片表面粗糙度。上述各个实施例和对比例所得到的实验数据见表2。

由表2中上述实验结果的对比可知，1.本发明抛光液相比于对比例而言，本申请制得的氧化铝抛光液进行蓝宝石晶片抛光时，产品的平均表观良率＞90％，平均抛光速率控制在14～22μm/h之间，表面粗糙度Ra＜0.5nm，不仅完全满足蓝宝石抛光工艺制程中对于抛光速率和表观质量的要求，而且提高了抛光质量；2.本发明抛光液相对现有的二氧化硅溶胶抛光液而言，本申请制得的氧化铝抛光液进行蓝宝石晶片抛光时，产品的平均抛光速率从2～3μm/h提高到了14～22μm/h，表面粗糙度Ra＜0.5nm，完全满足蓝宝石抛光工艺制程中对于抛光速率和表观质量的要求，节省了生产成本。3.专利申请CN104356950A中公开了其使用的硅溶胶和氧化铝混合抛光液对蓝宝石的抛光速度为8.3～11μm/h，这与本发明中14～22μm/h的抛光速度依然存在显著差别。4.从表2的对比例3～5可见，在不使用硅溶胶的氧化铝抛光液中若不加入分散剂、润滑剂和络合剂中的任意一种，该抛光液对蓝宝石抛光的结果都不能达到客户要求。而若抛光液中不加入防腐剂，则抛光液的保质期大幅缩短。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液，其特征在于，所述抛光液为包括以下组分的水溶液：粒径大小为80～350nm的α-氧化铝粉末12～26wt％，分散剂0.5～1.2wt％，润滑剂0.04～1.2wt％，络合剂0.05～0.7wt％，防腐剂0.08～0.4wt％和pH值调节剂2.4～5wt％，所述抛光液中不含钻石粉和二氧化硅；所述分散剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种，所述润滑剂为聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、甘油中的一种或几种，所述络合剂为葡萄糖酸钠、乳酸钠和柠檬酸钾中的一种或几种，所述防腐剂为苯并三氮唑、硼酸钾和硼酸钠中的一种或几种，所述pH值调节剂为乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述α-氧化铝粒径大小为100～300nm。

3.根据权利要求1所述抛光液，其特征在于，所述抛光液包括：粒径大小为80～350nm的α-氧化铝粉末12～26wt％，分散剂0.5～1.2wt％，润滑剂0.04～1.2wt％，络合剂0.05～0.7wt％，防腐剂0.08～0.4wt％和pH值调节剂2.4～5wt％，余量为水。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述抛光液，其特征在于，所述pH值调节剂中包含一种或多种有机碱。

5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的蓝宝石抛光用氧化铝抛光液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将去离子水在400～600rpm之间进行搅拌，分别加入分散剂和润滑剂，搅拌至混合均匀；

B、在上述溶液中缓慢加入α-氧化铝粉末，搅拌至混合均匀；

C、继续分别加入络合剂和防腐剂，搅拌至混合均匀；

D、加入pH值调节剂，并调节pH值至11～14，搅拌至混合均匀；

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，步骤A中均以0.5～2.0L/min的速度分别加入分散剂和润滑剂，步骤C中均以0.5～2.0L/min的速度分别加入络合剂和防腐剂，步骤D中以0.5～2.0L/min的速度加入pH值调节剂。