CN112778971A - 一种抛光用复合磨粒、研磨液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抛光用复合磨粒，包括由内至外依次组成的内核体、杂化膜层、以及含有硬质磨粒的硬质磨粒层。所述内核体的包括氮化硅颗粒和/或氧化硅颗粒；所述杂化膜层为多孔结构的氧化铝杂化膜；所述硬质磨粒层中硬质磨粒的材料为金刚石、碳化硼、碳化硅、及立方氮化硼中的一种或多种。按质量分数计，所述抛光用复合磨粒包括内核体10‑40份，杂化膜层20‑80份，硬质磨粒层10‑40份。还提供一种包括上述复合磨粒的研磨液，以及该复合磨粒及研磨液的制备方法。抛光用复合磨粒、研磨液及其制备方法，使用该复合磨粒的研磨液研磨时，可以有效提高产品的研磨效率，且同时可以提高产品的表面质量，减小了产品划伤的概率。

Description

一种抛光用复合磨粒、研磨液及其制备方法

技术领域

本发明涉及抛光研磨材料技术领域，特别是涉及一种抛光用复合磨粒、研磨液及其制备方法。

背景技术

化学机械抛光中经常要用到抛光液，而磨粒是化学机械抛光液中的主要成分。目前实际中广泛使用的研磨粒通常在CMP抛光过程中仍存在一些问题，比如抛光速率低而导致的生产效率低，被抛光的物体表面质量差，划痕严重，废品损失造成产品成本增加。且抛光效率和抛光质量往往互相干扰，如果要提高抛光效率，那么就需要提高抛光的速率，也就是增加产品表面的磨削量，这就必然要提高磨粒的硬度，而当磨粒的硬度增加时，表面划伤的概率也随之增加，因此往往二者无法兼顾。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，并提供一种抛光用复合磨粒、研磨液及其制备方法，使用该复合磨粒的研磨液研磨时，可以有效提高产品的研磨效率，且同时可以提高产品的表面质量，减小划伤的概率，复合磨粒各组成部分之间的结合紧密，使用寿命长。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种抛光用复合磨粒，包括由内至外依次设置的内核体、杂化膜层、以及含有硬质磨粒的硬质磨粒层；

所述内核体包括氮化硅颗粒和/或氧化硅颗粒；

所述杂化膜层为多孔结构的氧化铝杂化膜；

所述硬质磨粒层中硬质磨粒的材料为金刚石、碳化硼、碳化硅、及立方氮化硼中的一种或多种；

按质量份数计，所述抛光用复合磨粒包括内核体10-40份，杂化膜层20-80份，硬质磨粒层10-40份。

对上述技术方案的进一步改进是：

所述硬质磨粒的粒径大于内核体中氮化硅颗粒或氧化硅颗粒的粒径。

所述内核体中氮化硅颗粒或氧化硅颗粒的粒径为20-30nm，所述硬质磨粒的粒径为1-30μm。

所述杂化膜层的厚度为5-10μm。

本发明还提供一种用于制备上述抛光用复合磨粒的方法，包括以下步骤：杂化膜层制备：首先在ALD反应室内加入内核体，再以三甲基铝、和乙二醇、和/或缩水甘油为前驱体，采用原子层沉积法在所述内核体的外表面制备铝氧烷杂化膜；将表面包覆有铝氧烷杂化膜的内核体在空气中静置7-10天，使铝氧烷杂化膜在空气中吸湿，发生水解反应，形成多孔结构的氧化铝杂化膜；再将包覆有氧化铝杂化膜的内核体进行退火处理，最终得到包覆有多孔结构杂化膜层的内核体；

S20、硬质磨粒层制备：首先，将铝粉放入酒精中，并分散均匀，得到第一混合物；在所述第一混合物中加入硬质磨粒，混合均匀之后，得到第二混合物；在第二混合物中加入聚乙烯醇，在常温下搅拌4-8h后，得到第三混合物；将所述第三混合物涂覆在步骤S10制得的包覆有多孔结构杂化膜层的内核体的外表面，经常温干燥处理后得到表面包覆有硬质磨粒层的复合磨粒坯料；

S30、烧结步骤：将步骤S20制得的复合磨粒坯料进行烧结，烧结后冷却至室温，得到所述抛光用复合磨粒。

进一步地，步骤S10中所述退火处理的温度为180℃-200℃。

进一步地，步骤S30中所述的烧结其温度范围为1500℃-1700℃。

进一步地，所述步骤S10前还包括以下步骤：

进一步地，在步骤S10前还包括：将内核体进行远程等离子体轰击处理，或将内核体置于pH值为7-8的去离子水溶液中浸泡1-3天，以形成更多的反应点。

还提供一种抛光用研磨液，包括上述的抛光用复合磨粒，且每100质量份的抛光用研磨液中包括30-50质量份的抛光用复合磨粒、10-25质量份的溶剂、0.5-5质量份的pH调节剂、1-3质量份的分散剂、10-20质量份的粘稠剂、其余部分为去离子水；

所述溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、丙三醇、丙酸中的一种或者两种以上组成的共沸溶剂；

所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、磷酸酯、蓖麻油中的至少一种；

所述粘稠剂为PVB；

所述pH调节剂为氨水溶液、或尿素溶液、或氢氧化钠溶液。

还提供一种制备上述抛光用研磨液的方法，包括以下步骤：

将10-25质量份的溶剂分成两份，分别为第一份溶剂和第二份溶剂；

将粘稠剂与第一份溶剂混合均匀，得到第一物质；

将抛光用复合磨粒、分散剂和第二份溶剂混合均匀，得到第二物质；

将第一物质、第二物质、以及去离子水一起搅拌混合均匀，得到第三物质；

在第三物质中加入pH调节剂使得第三物质的pH值为9-10。

根据本发明的技术方案可知，本发明的抛光用复合磨粒由内核体、杂化膜层及硬质磨粒层组成，原子层沉积制备的杂化膜层与内核体具有良好共形性，杂化膜层完整地包裹内核体，且两者之间界面结合强度高。铝粉在烧结过程中熔融并铺展在硬质磨粒以及杂化膜层的孔洞之间，并氧化形成氧化铝，使得硬质磨粒与杂化膜层孔之间结合更加紧密，良好的界面结合可以显著增加该复合磨粒的使用寿命，使单颗复合磨粒的抗压强度、冲击韧性等方面的性能均得到显著提升。杂化膜层经水解所形成的孔洞分布均匀，孔径一致性也高，磨粒填充于孔洞中，分布均匀，有利于提高研磨的效率及研磨质量。

在抛光研磨过程中，复合磨粒的硬质磨粒层首先对产品进行磨削，由于硬质磨粒的硬度高，对产品表面的磨削量大，使得初始研磨时的速率较快，研磨的效率得到有效提高。随着研磨继续进行，表面的硬质磨粒逐渐被磨损，杂化膜的硬度比硬质磨粒的硬度低，可以有效研磨掉硬质磨粒在产品表面形成的划痕。当杂化膜层也被磨损掉后，最内层的内核体的硬度比杂化膜的硬度还要低，且内核体的粒径较小，在磨削产品时，可以与产品的磨削表面有更大的接触面积，可以进一步减少磨痕，使得产品表面光滑。正是复合磨粒的这种层层递进的结构，使其具有良好的抛光性能。

附图说明

图1为本发明实施例抛光用复合磨粒制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1：本实施例的抛光用复合磨粒，包括由内至外依次设置的内核体、杂化膜层、以及含有硬质磨粒的硬质磨粒层。

所述内核体包括氮化硅颗粒和/或氧化硅颗粒，所述抛光用复合磨粒可以是单独的以氮化硅颗粒作为内核体的复合磨粒，或者以氧化硅颗粒为内核体的复合磨粒，还可以是以氮化硅颗粒和氧化硅颗粒共同作为内核体的复合磨粒。

所述杂化膜层为多孔结构的氧化铝杂化膜。

所述硬质磨粒层中硬质磨粒的材料可以为金刚石、碳化硼、碳化硅、及立方氮化硼中的一种或几种。

其中各组成部分的质量份数分别为：内核体10-40份，杂化膜层20-80份，硬质磨粒层10-40份。比如可以是，内核体20份，杂化膜层70份，硬质磨粒层30份；或者内核体30份，杂化膜层50份，硬质磨粒层20份；或者内核体25份，杂化膜层30份，硬质磨粒层25份等等。

内核体中氮化硅颗粒或氧化硅颗粒的粒径为20-30nm，硬质磨粒的粒径为1-30μm，硬质磨粒的粒径大于内核体氮化硅颗粒或氧化硅颗粒的粒径。比如，内核体的粒径为22nm，硬质磨粒层的粒径为10μm；或者，内核体的粒径为25nm，硬质磨粒层的粒径为20μm；或者，内核体的粒径为28nm，硬质磨粒层的粒径为28μm等等。内核体具有更小的粒径更有利于在最后的抛光阶段与产品表面形成更大接触面积，从而使抛光的效果更好，产品抛光表面的色泽更加稳定。

所述杂化膜层的厚度为5-10μm，比如可以为7μm或者9μm等等。

实施例2：本实施例为制备实施例1中的抛光用复合磨粒的方法，包括以下步骤：

S01、生成多反应点：将内核体进行远程等离子体轰击处理，或将内核体置于pH值为7-8的去离子水溶液中浸泡1-3天，以活化内核体的表面，形成更多的反应点，使内核体与杂化膜层间的结合更为紧密。

S10、杂化膜层制备：首先在ALD反应室内加入内核体，再以三甲基铝、和乙二醇、和/或缩水甘油为前驱体，采用原子层沉积法在所述内核体的外表面制备铝氧烷杂化膜；将表面包覆有铝氧烷杂化膜的内核体在空气中静置7-10天，使铝氧烷杂化膜在空气中吸湿，发生水解反应，形成多孔结构的氧化铝杂化膜；再将包覆有氧化铝杂化膜的内核体经180℃-200℃的退火处理，最终得到包覆有多孔结构杂化膜层的内核体。其中，杂化膜层的厚度为5-10μm，杂化膜层多孔结构的孔径为1-50μm。

S20、硬质磨粒层制备：首先，将铝粉放入酒精中，并分散均匀，得到第一混合物；在所述第一混合物中加入硬质磨粒，混合均匀之后，得到第二混合物；在第二混合物中加入聚乙烯醇，在常温下搅拌4-8h后，得到第三混合物；将所述第三混合物涂覆在步骤S10制得的包覆有多孔结构杂化膜层的内核体的外表面，经常温干燥处理后过筛，筛选后，得到表面包覆有硬质磨粒层的复合磨粒坯料。

S30、烧结步骤：将步骤S20制得的复合磨粒坯料于1500℃-1700℃温度范围内进行烧结，烧结时间为3-5h，烧结后冷却至室温后过筛，筛选后，得到所述抛光用复合磨粒。

实施例3：本实施例提供一种包括实施例1的抛光用复合磨粒的研磨液，每100质量份的抛光用研磨液中包括30-50质量份的抛光用复合磨粒、10-25质量份的溶剂、0.5-5质量份的pH调节剂、1-3质量份的分散剂、10-20质量份的粘稠剂、其余部分为去离子水。比如，复合磨粒为40质量份，溶剂为15质量份，pH调节剂为4质量份，分散剂为2份，粘稠剂为15份，去离子水为24质量份；或者，复合磨粒为35质量份，溶剂为20质量份，pH调节剂为2质量份，分散剂为1.5份，粘稠剂为12份，去离子水为29.5质量份；或者，复合磨粒为45质量份，溶剂为18质量份，pH调节剂为1质量份，分散剂为2.5份，粘稠剂为18份，去离子水为15.5质量份。

其中，溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、丙三醇、丙酸中的一种或者几种组成的共沸溶剂。

所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、磷酸酯、蓖麻油中的至少一种。

所述粘稠剂为PVB。

所述pH调节剂为氨水溶液、尿素溶液、及氢氧化钠溶液中的一种，pH调节剂的浓度为5％-15％。

实施例4：本实施例为制备实施例3的抛光用研磨液的方法，包括以下步骤：

将10-25质量份的溶剂按需要分成两份，分别为第一份溶剂和第二份溶剂；

将粘稠剂与第一份溶剂混合均匀，得到第一物质；

将抛光用复合磨粒、分散剂和第二份溶剂混合均匀，得到第二物质；

将第一物质、第二物质、以及去离子水一起搅拌混合均匀，得到第三物质；

在第三物质中加入pH调节剂使得第三物质的pH值为9-10。

为验证本发明的复合磨粒及研磨液的抛光效果，采用常规磨料及本发明的复合磨粒分别对样品进行抛光，以进行对照比较。由于经过研磨抛光之后，样品因为应力不均导致样品发生了变形，通过退火消除应力后，抚平样品。而且在研磨抛光之后由于样品表面的划痕被研磨介质所填充，划伤情况不好判断，在退火过程中研磨介质被烧损，划痕会全部显示出来。使用常规磨料与本发明制备的复合磨粒分别对100个样品进行抛光，并对抛光结果进行记录，抛光结果的判定规则如下：划痕的长度和宽度均小于等于0.1mm，仅通过反光才能看到划痕时，判定为无划痕。划痕的长度和宽度均大于0.1mm，且小于1mm时，判定为轻微划痕。划痕的长度和宽度均大于等于1mm时，判定为严重划痕。样品表面具体的划痕检测结果如表1所示：

表1

磨料	无划痕件数	轻微划痕件数	严重划痕件数
				复合磨粒	46	49	5
常规磨料	13	65	22

由上表可知，采用本发明制备的复合磨粒进行抛光后，大大减少了产品的划痕损伤情况，且无划痕件数量大大增加，产品表面质量得到了有效提高。

本发明的复合磨粒能够适用于对氧化锆产品的抛光，在抛光初始阶段，硬度最高的硬质磨粒层对氧化锆表面进行磨削，此时研磨速率快，产品表面划痕较深；随着抛光的进行，硬质磨粒层逐渐被磨损，硬度次之的杂化膜层继续对产品表面进行磨削，此时，可以有效地磨削掉由硬质磨粒层在产品表面产生的划痕；最后，随着杂化膜层的磨损消失，硬度最小的内核体开始对产品表面进行磨削，由于其硬度小，且粒径小，能够在磨削的过程中与产品表面形成较大的接触面积。正是由于本发明的复合磨粒具有如上的技术特征，使得其抛光性能优异，产品抛光表面的色泽稳定性高。此种结构的复合磨粒还具有结合紧密，耐磨损，使用寿命长等优点。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种抛光用复合磨粒，其特征在于：包括由内至外依次设置的内核体、杂化膜层、以及含有硬质磨粒的硬质磨粒层；

所述内核体包括氮化硅颗粒和/或氧化硅颗粒；

所述杂化膜层为多孔结构的氧化铝杂化膜；

所述硬质磨粒层中硬质磨粒的材料为金刚石、碳化硼、碳化硅、及立方氮化硼中的一种或多种；

按质量分数计，所述抛光用复合磨粒包括内核体10-40份，杂化膜层20-80份，硬质磨粒层10-40份。

2.根据权利要求1所述的抛光用复合磨粒，其特征在于：所述硬质磨粒的粒径大于内核体中氮化硅颗粒或氧化硅颗粒的粒径。

3.根据权利要求2所述的抛光用复合磨粒，其特征在于：所述内核体中氮化硅颗粒或氧化硅颗粒的粒径为20-30nm，所述硬质磨粒的粒径为1-30μm。

4.根据权利要求1所述的抛光用复合磨粒，其特征在于：所述杂化膜层的厚度为5-10μm。

5.一种用于制备权利要求1-4任意一项所述的抛光用复合磨粒的方法，其特征在于包括以下步骤：

S10、杂化膜层制备：首先在ALD反应室内加入内核体，再以三甲基铝、和乙二醇、和/或缩水甘油为前驱体，采用原子层沉积法在所述内核体的外表面制备铝氧烷杂化膜；将表面包覆有铝氧烷杂化膜的内核体在空气中静置7-10天，使铝氧烷杂化膜在空气中吸湿，发生水解反应，形成多孔结构的氧化铝杂化膜；再将包覆有氧化铝杂化膜的内核体进行退火处理，最终得到包覆有多孔结构杂化膜层的内核体；

S20、硬质磨粒层制备：首先，将铝粉放入酒精中，并分散均匀，得到第一混合物；在所述第一混合物中加入硬质磨粒，混合均匀之后，得到第二混合物；在第二混合物中加入聚乙烯醇，在常温下搅拌4-8h后，得到第三混合物；将所述第三混合物涂覆在步骤S10制得的包覆有多孔结构杂化膜层的内核体的外表面，经常温干燥处理后得到表面包覆有硬质磨粒层的复合磨粒坯料；

S30、烧结步骤：将步骤S20制得的复合磨粒坯料进行烧结，烧结后冷却至室温，得到所述抛光用复合磨粒。

6.根据权利要求5所述的抛光用复合磨粒的制备方法，其特征在于：步骤S10中所述退火处理的温度为180℃-200℃。

7.根据权利要求5所述的抛光用复合磨粒的制备方法，其特征在于：步骤S30中所述的烧结其温度范围为1500℃-1700℃。

8.根据权利要求5所述的抛光用复合磨粒的制备方法，其特征在于：所述步骤S10前还包括以下步骤：

将内核体进行远程等离子体轰击处理，或将内核体置于pH值为7-8的去离子水溶液中浸泡1-3天，以形成更多的反应点。

9.一种抛光用研磨液，包括权利要求1-4任意一项所述的抛光用复合磨粒，其特征在于：每100质量份的抛光用研磨液中包括30-50质量份的抛光用复合磨粒、10-25质量份的溶剂、0.5-5质量份的pH调节剂、1-3质量份的分散剂、10-20质量份的粘稠剂、其余部分为去离子水；

所述溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、丙三醇、丙酸中的一种或者两种以上组成的共沸溶剂；

所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、磷酸酯、蓖麻油中的至少一种；

所述粘稠剂为PVB；

所述pH调节剂为氨水溶液、或尿素溶液、或氢氧化钠溶液。

10.一种制备权利要求9所述的抛光用研磨液的方法，其特征在于包括以下步骤：

将10-25质量份的溶剂分成两份，分别为第一份溶剂和第二份溶剂；

将粘稠剂与第一份溶剂混合均匀，得到第一物质；

将抛光用复合磨粒、分散剂和第二份溶剂混合均匀，得到第二物质；

将第一物质、第二物质、以及去离子水一起搅拌混合均匀，得到第三物质；

在第三物质中加入pH调节剂使得第三物质的pH值为9-10。

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