CN112480825A - 碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液及制备方法，包括以下重量百分比的组分：金刚石磨料0.1‑1%、油性剂3‑10%、分散剂0.1‑0.4%、改性脲溶液0.1‑0.5%、活化剂0.1‑0.5%、余量为基础溶剂。采用本发明中磨料两步处理法可有效提高多晶金刚石粉体利用率，同时有效的减少抛光液中超尺寸颗粒以及硬团聚体存在导致的划伤问题；本发明采用改性脲溶液作为有机悬浮剂，抛光液长期放置无明显分层现象，与无机悬浮剂，如疏水改性气相法白炭黑，有机膨润土相比，抛光废屑不易粘附在抛光盘上，易清洗。

Description

碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液及制备方法

技术领域

本发明涉及超精密研磨抛光加工技术领域，具体涉及一种碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液及制备方法。

背景技术

碳化硅（SiC）作为第三代宽带隙半导体的代表材料之一，具有极为优良的理化性能，在高频、大功率、耐高温、抗辐照半导体器件及紫外探测器和短波发光二极管等方面具有广泛的应用前景。SiC是微电子、电力电子和光电子等高新金属进入21世纪后赖以继续反战的重要半导体材料之一。随着SiC单晶生长技术的日趋成熟，如何获得具有完美表面的SiC单晶抛光片成为材料应用的关键技术之一。

目前碳化硅晶片的抛光一般分为两道工艺，粗抛和精抛，粗抛是机械抛光，为双面抛光；精抛为化学机械抛光，为单面抛光。用于碳化硅晶片粗抛的抛光液常见的有两种，水性抛光液和油性抛光液，市面上常见的是水性抛光液。油性抛光液尽管具有其润滑性好、抛光效率高、抛光后晶片表面质量好等优点，但由于细粒度金刚石磨料在油性体系中难分散的问题，限制了油性抛光液的发展。

发明内容

本发明提出了一种碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液及制备方法，通过磨料的两步处理法保证了金刚石磨料在油性体系中的分散性，减少油性抛光液中由于超尺寸颗粒以及硬团聚体存在导致的划伤问题；同时抛光液中选择有机悬浮剂，可避免抛光废屑在抛光盘上粘附及难清洗问题。

实现本发明的技术方案是：

一种碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液，包括以下重量百分比的组分：金刚石磨料0.1-1%、油性剂 3-10%、分散剂0.1-0.4%、改性脲溶液 0.1-0.5%、活化剂 0.1-0.5%、余量为基础溶剂。

其中金刚石磨料为多晶金刚石粉体，将多晶金刚石粉体制备为油性金刚石分散液，步骤如下：

（1）将多晶金刚石粉体分散在水中，室温下搅拌超声分散30min、离心法抛粗，去除多晶金刚石粉体中的超尺寸颗粒以及硬团聚体；

（2）将步骤（1）高速离心脱水后浆料进行烘干，利用烘干法测定离心脱水后磨料的含水率，具体方法为：称取一定量的糊状浆料，在120℃的烘箱中烘干6h，测定烘干后剩余粉体的重量，计算糊状浆料含水量。调整高速离心脱水后浆料含水率使其不低于20%，当磨料粒径小时，含水率可适当的调高；

采用冻干机处理调整含水率后的浆料，使磨料在烘干后仍保持良好的分散性，减少烘干过程造成磨料硬团聚状态的出现；

（3）将步骤（2）得到的磨料加入基础溶剂中，金刚石粉体固含量5-10%wt，加入分散剂，室温下搅拌超声分散、离心法抛粗，进一步去除多晶金刚粉体中的超尺寸颗粒以及硬团聚体，得到粒度分布集中，无大颗粒，无硬团聚体的油性金刚石分散液。

采用烘干法测定抛粗后金刚石分散液的固含量，具体方法为：称取一定质量的油性金刚石分散液放入坩埚中，高温电炉中450℃下烘干2h，测定烘干后剩余金刚石粉体的重量，计算油性金刚石分散液中磨料的固含量。

由于纳米级金刚石粉体比表面积大，表面活性基团丰富，金刚石本身表现出疏水亲油的特性，第一步处理过程中，抛粗过程可有效去除多晶金刚石粉体中的大颗粒，采用冻干法烘干磨料，可有效减少磨料在普通烘干过程造成的硬团聚，第二步处理过程中，分散剂的引入保证了磨料在油性体系中的分散性，抛粗过程再次去除大颗粒以及团聚体，保证磨料在分散液中的单颗粒分散状态。采用本发明中磨料两步处理法可有效提高多晶金刚石粉体利用率，同时有效的减少抛光液中超尺寸颗粒以及硬团聚体存在导致的划伤问题。

所述步骤（1）中多晶金刚石粉体的粒径为200nm-1.5μm，分散在水中后金刚石粉体的固含量为5-10 wt %，超声功率为500-1500KW，频率40KH。

所述步骤（3）中磨料加入基础溶剂后固含量为5-10 wt%，分散剂的含量为3-4wt%，超声功率为500-1500KW，频率40KH，搅拌转速为150-300rpm。

所述油性剂为甘油单油酸酯或二十二碳烯酸，分散剂为高分子量聚酯改性聚酰胺溶液或硅烷偶联剂，活化剂为水，基础溶剂为C12-C15矿物油。

所述的碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液的制备方法，包括以下步骤：

①将油性剂加入到基础溶剂中，搅拌混合均匀，得A溶液；

②搅拌的状态下，将改性脲溶液滴加到A溶液中，得B溶液；

③搅拌状态下，将活化剂加入B溶液中，持续搅拌30-60min，得C溶液；

④搅拌状态下，将油性金刚石分散液加入到C溶液中，持续搅拌30-60min，得到金刚石抛光液。

所述步骤①、②和④搅拌转速为200-500rpm，步骤③搅拌转速为800-1000rpm。

本发明的有益效果是：

（1）采用本发明中磨料两步处理法可有效提高多晶金刚石粉体利用率，同时有效的减少抛光液中超尺寸颗粒以及硬团聚体存在导致的划伤问题；

（2）本发明采用改性脲溶液作为有机悬浮剂，抛光液长期放置无明显分层现象，与无机悬浮剂，如疏水改性气相法白炭黑，有机膨润土相比，抛光废屑不易粘附在抛光盘上，易清洗。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

①称取300nm多晶金刚石粉体分散在水中，金刚石粉体在水中的固含量为5%，室温下在搅拌的状态下超声分散30min，超声功率：1500KW，频率40KH，离心法抛粗，离心机转速1500rpm，离心时间8min，抛粗3次，充分去除分散液中的超尺寸颗粒以及硬团聚体；

②将抛粗后的分散液离心脱水，得到含水量低的糊状浆料，测定糊状浆料的含水量，根据测定的糊状浆料含水量将最终糊状浆料的含水量调整至50%；

③采用低温冷冻干燥机冻干②中含水量为50%的糊状浆料，得到干燥的，松散的，无硬块的金刚石磨料；

④称取92份C12-C15矿物油，4份的分散剂KH550，5份③中的金刚石磨料，室温在搅拌的状态下超声30-60min，超声功率：1500KW，频率40KH，搅拌速度200rpm/min，使磨料在矿物油中充分分散，将得到的油性分散液离心法抛粗，离心机转速 1500rpm，离心转速8min，抛粗3次，得到粒度分布集中，无大颗粒，无硬团聚体的油性金刚石分散液，采用烘干法测定油性金刚石分散液中磨料的固含量，经计算为4.8%；

⑤称取87.6份C12-C15矿物油，3份的油性剂二十二碳烯酸，混合搅拌均匀，搅拌器转速200rpm，得A溶液；

⑥称取0.1份得悬浮剂BYKG8730，在搅拌的状态下，搅拌器转速200rpm，将悬浮剂滴加到A溶液中，得B溶液；

⑦称取0.2份的水，在搅拌的状态下，搅拌器转速600rpm，将水滴加到B溶液中，得C溶液；

⑧称取10份的步骤④中的油性金刚石分散液，在搅拌状态下，搅拌转速300rpm，加入到C溶液中，持续搅拌50min，得到金刚石抛光液1号。

实施例2

①称取700nm多晶金刚石粉体分散在水中，金刚石粉体在水中的固含量为6 %，室温下在搅拌的状态下超声分散30min，超声功率：1000KW，频率40KH，离心法抛粗，离心机转速750rpm，离心时间5min，抛粗3次，充分去除分散液中的超尺寸颗粒以及硬团聚体；

②将抛粗后的分散液离心脱水，得到含水量低的糊状浆料，测定糊状浆料的含水量，根据测定的糊状浆料含水量将最终糊状浆料的含水量调整至60%；

③采用低温冷冻干燥机冻干②中含水量为60%的糊状浆料，得到干燥的，松散的，无硬块的金刚石磨料；

④称取90份C12-C15矿物油，3份的分散剂OFS-6341，6份③中的金刚石磨料，室温在搅拌的状态下超声30-60min，超声功率：1000KW，频率40KH，搅拌速度200rpm/min，使磨料在矿物油中充分分散，将得到的油性分散液离心法抛粗，离心机转速750rpm，离心时间5min，抛粗3次，得到粒度分布集中，无大颗粒，无硬团聚体的油性金刚石分散液，采用烘干法测定油性金刚石分散液中磨料的固含量，经计算为5.7%；

⑤称取83.4份C12-C15矿物油，6份的油性剂甘油单油酸酯，混合搅拌均匀，搅拌器转速200rpm，得A溶液；

⑥称取0.3份得悬浮剂BYKG8730，在搅拌的状态下，搅拌器转速200rpm，将悬浮剂滴加到A溶液中，得B溶液；

⑦称取0.3份得水，在搅拌的状态下，搅拌器转速600rpm，将水滴加到B溶液中，得C溶液；

⑧称取10份的步骤④中的油性金刚石分散液，在搅拌状态下，搅拌转速300rpm，加入到C溶液中，持续搅拌50min，得到金刚石抛光液2号。

实施例3

①称取1μm多晶金刚石粉体分散在水中，金刚石粉体在水中的固含量为7.5%，室温下在搅拌的状态下超声分散30min，超声功率：800KW，频率40KH，离心法抛粗，离心机转速200rpm，时间3min抛粗3次，充分去除分散液中的超尺寸颗粒以及硬团聚体；

②将抛粗后的分散液离心脱水，得到含水量低的糊状浆料，测定糊状浆料的含水量，根据测定的糊状浆料含水量将最终糊状浆料的含水量调整至75%；

③采用低温冷冻干燥机冻干②中含水量为75%的糊状浆料，得到干燥的，松散的，无硬块的金刚石磨料；

④称取89份C12-C15矿物油，2份的分散剂KH550，8份③中的金刚石磨料，室温在搅拌的状态下超声30-60min，超声功率：800KW，频率40KH，搅拌速度200rpm/min，使磨料在矿物油中充分分散，将得到的油性分散液离心法抛粗，离心机转速 200rpm，时间3min，抛粗3次，得到粒度分布集中，无大颗粒，无硬团聚体的油性金刚石分散液，采用烘干法测定油性金刚石分散液中磨料的固含量，经计算为7.6%；

⑤称取81.2份C12-C15矿物油，8份的油性剂甘油单油酸酯，混合搅拌均匀，搅拌器转速200rpm，得A溶液；

⑥称取0.4份得悬浮剂BYKG8730，在搅拌的状态下，搅拌器转速200rpm，将悬浮剂滴加到A溶液中，得B溶液；

⑦称取0.4份得水，在搅拌的状态下，搅拌器转速600rpm，将水滴加到B溶液中，得C溶液；

⑧称取10份的步骤④中的油性金刚石分散液，在搅拌状态下，搅拌转速300rpm，加入到C溶液中，持续搅拌50min，得到金刚石抛光液3号。

实施例4

①称取1.5μm多晶金刚石粉体分散在水中，金刚石粉体在水中的固含量为10%，室温下在搅拌的状态下超声分散30min，超声功率：500W，频率40KH，自然沉降抛粗，抛粗时间5h，抛粗3次，充分去除分散液中的超尺寸颗粒以及硬团聚体；

②将抛粗后的分散液离心脱水，得到含水量低的糊状浆料，测定糊状浆料的含水量，根据测定的糊状浆料含水量将最终糊状浆料的含水量调整至80%；

③采用低温冷冻干燥机冻干②中含水量为80%的糊状浆料，得到干燥的，松散的，无硬块的金刚石磨料；

④称取86份C12-C15矿物油，1份的分散剂OFS-6341，10份③中的金刚石磨料，室温在搅拌的状态下超声30-60min，超声功率：500KW，频率40KH，搅拌速度200rpm/min，使磨料在矿物油中充分分散，将得到的油性分散液离心法抛粗，自然沉降抛粗，抛粗时间5h，抛粗3次，得到粒度分布集中，无大颗粒，无硬团聚体的油性金刚石分散液，采用烘干法测定油性金刚石分散液中磨料的固含量，经计算为9.5%；

⑤称取79.1份C12-C15矿物油，10份的油性剂二十二碳烯酸，混合搅拌均匀，搅拌器转速200rpm，得A溶液；

⑥称取0.5份得悬浮剂BYKG8730，在搅拌的状态下，搅拌器转速200rpm，将悬浮剂滴加到A溶液中，得B溶液；

⑦称取0.4份得水，在搅拌的状态下，搅拌器转速600rpm，将水滴加到B溶液中，得C溶液；

⑧称取10份的步骤④中的油性金刚石分散液，在搅拌状态下，搅拌转速300rpm，加入到C溶液中，持续搅拌50min，得到金刚石抛光液4号。

实施例1-4配置的抛光液按照表1中研磨条件对碳化硅晶片进行加工，加工结果见表2，使用AFM测量抛光后晶片的表面状态。

表1 碳化硅晶片加工工艺条件

表2 加工结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：金刚石磨料0.1-1%、油性剂 3-10%、分散剂0.1-0.4%、改性脲溶液 0.1-0.5%、活化剂 0.1-0.5%、余量为基础溶剂。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液，其特征在于：所述油性剂为甘油单油酸酯或二十二碳烯酸，分散剂为硅烷偶联剂，活化剂为水，基础溶剂为C12-C15矿物油。

3.根据权利要求1或2所述的碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液，其特征在于，所述金刚石磨料为多晶金刚石粉体，将多晶金刚石粉体制备为油性金刚石分散液，具体步骤为：

（1）将多晶金刚石粉体分散在水中，室温下搅拌超声分散30min、离心法抛粗；

（2）将步骤（1）离心后浆料进行高速离心脱水，调整其含水率不低于20%，采用冻干机烘干磨料；

（3）向步骤（2）得到的烘干磨料中加入基础溶剂和分散剂，室温下搅拌超声分散、离心法抛粗，得到油性金刚石分散液。

4.根据权利要求3所述的碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液，其特征在于：所述步骤（1）中多晶金刚石粉体的粒径为200nm-1.5μm，分散在水中后金刚石粉体的固含量为5-10 wt%，超声功率为500-1500KW，频率40KH。

5.根据权利要求3所述的碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液，其特征在于：所述步骤（3）中烘干磨料加入基础溶剂后固含量为5-10 wt%，分散剂的含量为3-4wt%，超声功率为500-1500KW，频率40KH，搅拌转速为150-300rpm。

6.权利要求4-5任一项所述的碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①将油性剂加入到基础溶剂中，搅拌混合均匀，得A溶液；

②搅拌的状态下，将改性脲溶液滴加到A溶液中，得B溶液；

③搅拌状态下，将活化剂加入B溶液中，持续搅拌30-60min，得C溶液；

④搅拌状态下，将油性金刚石分散液加入到C溶液中，持续搅拌30-60min，得到金刚石抛光液。

7.根据权利要求6所述的碳化硅晶片粗抛用金刚石抛光液的制备方法，其特征在于，所述步骤①、②和④搅拌转速为200-500rpm，步骤③搅拌转速为800-1000rpm。