CN114456716A - 一种抛光蓝宝石用氧化铝抛光液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛光蓝宝石用的氧化铝抛光液及其制备方法，每百份的重量份组分如下：氧化铝5‑15份，分散剂0.2‑0.5份，无机离子添加剂1‑5份，pH调节剂5‑10份，氧化剂1‑5份，聚氨酯增稠剂0.1‑0.5份，水余量。采用上述原料制得悬浮分散性高，润湿性好，并且抛光时具有高的研磨抛光速度和抛光精度的蓝宝石抛光液。本发明适用于蓝宝石表面抛光加工并且制备工艺简单。

Description

一种抛光蓝宝石用氧化铝抛光液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于蓝宝石表面抛光加工的氧化铝浆料及其制备方法，属于蓝宝石抛光领域。

背景技术

近些年，发光二极管(LED)在电子领域的应用越来越广泛，特别是高分辨显示器，芯片制造等高端领域需求正在逐步增大。其中，LED中最重要的材料就GaN,80％氮化镓的制备中选用的衬底是蓝宝石晶片，蓝宝石的表面光洁度直接影响了GaN的质量，所以对蓝宝石的表面加工提出了更高的要求。蓝宝石又称刚玉，主要成分是Al₂O₃,其中含有少量的铁(Fe),钛(Ti)元素所以呈现淡蓝色。蓝宝石有着优异的光电性能，机械性能，化学性质稳定，在光电行业有着广泛的应用，特别作为GaN生长的衬底。蓝宝石的表面加工最常用的方法是化学机械抛光法(CMP)，其中，抛光所用抛光粉主要以SiO₂为主，纳米级SiO₂配制成一定浓度的硅溶胶作为CMP中的抛光液进行使用，可得到表面光洁度较高的蓝宝石晶片，但是硅溶胶作为蓝宝石的抛光液的抛光速度十分缓慢，这导致了蓝宝石的加工时间成本大大增加，产量减少，限制了蓝宝石的广泛应用。氧化铝抛光液作为抛光蓝宝石的抛光液使用，氧化铝抛光液的抛光速度是SiO₂的3～4倍，这将会大大提高蓝宝石的加工速度，节约成本。但Al₂O₃作为蓝宝石的抛光液也存在着不足之处，由于Al₂O₃的粒度一般较大甚至达到微米级，所以在抛光中会对蓝宝石的表面造成划伤，导致抛光精度低。同时Al₂O₃的粒度较大，所以在水溶液容易形成沉淀，不能长时间稳定在溶液中，不利于工业生产中的应用。

现有技术中公开了部分抛光液，如CN108239484A“一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液及其制备方法”公布了一种蓝宝石抛光液，它包含：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。

上述抛光液虽然一定程度上解决抛光效率和良率低，表面粗糙度高的问题，但上述抛光液配方复杂，使用了有毒有害的危险化学品，同时固含量较高，抛光液流动性较差，对粉体使用量较大，造成成本增加。

CN110577800 A“一种蓝宝石抛光剂及其制备方法”公布了一种蓝宝石抛光液，它包括以下质量份组分：硅80-120份、α-氧化铝34-44份、三氧化二铝22-35份、二氧化钛22-34份、氧化锆16-21份、磷酸氢二钠14-18份、壳聚糖14-19份、三氯化铁12-16份、二硼化钛8-14份、炭黑5-9份、分散剂3-5份、去离子水120-150份。

上述抛光液中磨料粒子种类过多，制备过程复杂，在工业中配置麻烦。同时添加了一定的铁离子等，使得浆料的稳定性大大降低，在抛光中产生凹痕，并且抛光速率、抛光效果等评价指标也相对模糊。

CN110591565 A“一种蓝宝石抛光用氧化铝抛光液及其制备方法”中公开了一种蓝宝石抛光液，它包括pH调节剂和以下重量份数的组分：球磨α-氧化铝4.9～15份、分散剂0.005～0.6份、润滑剂1～3份、有机溶剂3～10份、聚脲类增稠剂0.1～1份和水69～87.5份；所述蓝宝石抛光用氧化铝抛光液的pH值为11～14。

上述抛光液一定程度上解决了Al₂O₃抛光液悬浮性差，抛光精度不高的问题，提高了抛光液的润湿性。但是上述专利的Al₂O₃抛光液磨料是经过球磨得到，球磨中难以稳定控制粒子的粒度与分散性，同时球磨后的粒子具有极大的表面能，当配制成抛光液时非常容易形成团聚体。

发明内容

本发明目的在于制备一种抛光蓝宝石用的氧化铝抛光液，在保持氧化铝抛光液较高的抛光效率的同时提高氧化铝抛光液的精度，其中氧化铝浆料中粒度分布均匀，粒子分散良好，能够加工得到表面质量较高的蓝宝石。

本发明通过以下技术方案实现：

一种抛光蓝宝石用的氧化铝抛光液，其特征在于，所述的氧化铝抛光液，主要由片状α-氧化铝、分散剂、无机离子添加剂、氧化剂、pH调节剂、聚氨酯增稠剂和水复配而成；每百份的重量组分如下：

α-氧化铝5-15份，

分散剂0.2-0.5份，

无机离子添加剂1-5份，

氧化剂1-5份，

pH调节剂5-10份，

聚氨酯增稠剂0.1-0.5份，

余量为水；

所述的α-氧化铝，为片状α-氧化铝；α-氧化铝平均粒径D50为0.6-1.2μm。

所述的分散剂，分散剂为三聚磷酸钠(Na₅P₃O₁₀)、六偏磷酸钠((NaPO₃)₆)或聚丙烯酸钠(PAAS)的一种或几种，优选的分散剂为(NaPO₃)₆或PAAS中的一种或两种；

所述的无机离子添加剂，为ZnSO₄或Zn(NO₃)₂中的一种或两种；

所述的pH调节剂，为四甲基氢氧化铵(TMAH)、Na₂CO₃、KOH或NaOH中的一种或两种的组合，优选为KOH或TMAH中的一种或两种的组合；

所述的氧化剂，为H₂O₂或Na₂S₄O₈中的一种；

所述的增稠剂，为陶氏聚氨酯增稠剂RM-8W。

本发明还提供了一种制备上述抛光蓝宝石用氧化铝抛光液的方法，包括如下步骤：＝

(1)分散剂的分散：

按照所述组分将分散剂加入至水中，搅拌分散0.5-1h,得到溶液A；

(2)无机离子添加剂的分散：

按照所述组分将润滑剂加入到溶液A中，搅拌分散0.5-1h,得到溶液B；

(3)氧化铝的分散

按照所述组分将氧化铝加入到溶液B中，搅拌分散0.5-2h，得到浆液C；

(4)氧化剂的分散

按照所述组分将氧化剂加入到浆液C中，搅拌0.5-1h,得到浆液D；

(5)pH调节与增稠

按照所述组分在搅拌状态下将pH调节剂加入到浆液D中，将pH值调节至9-12；加入聚氨酯增稠剂，最终得到抛光液。

有益效果

本发明人在研究过程中发现，蓝宝石的表面抛光中，Al₂O₃的形貌、粒度对蓝宝石的抛光的有着重要的影响，同时抛光液的粘度、悬浮性、分散性、板结等也对蓝宝石抛光液的性质有着一定的影响。

与现有技术相比，(1)本抛光液添加了聚氨酯增稠剂提高了抛光液的稳定性与分散性，具有对蓝宝石与抛光垫润湿性好，流变性好粘度适中等优点。(2)采用的片状α-氧化铝对蓝宝石表面机械研磨作用较为温和。(3)加入的无机离子添加剂对蓝宝石表面抛光起到一定的保护作用，解决了氧化铝抛光精度差表面有划痕的问题。本发明的蓝宝石抛光用氧化铝抛光液具有去除率高，抛光后蓝宝石表面平整度好的优点。

附图说明

图1为片状氧化铝的SEM图

图2为珊瑚状氧化铝的SEM图

图3为无定形氧化铝的SEM图

具体实施方式

实施例1

制备方法：本实施例中采用的氧化铝是D50为0.6μm的片状α-Al₂O₃,以下是每百份的重量组成：氧化铝10份，分散剂0.2份，无机离子添加剂3份，氧化剂1份，pH调节至11，水余量，聚氨酯增稠剂0.2份；其中分散剂为(NaPO₃)₆，无机离子添加剂为ZnSO₄,pH，调节剂为KOH，氧化剂为H₂O₂。

按照所述组分，将分散剂加入至水中，搅拌分散1h,进行充分的溶解，加入润滑剂，搅拌分散1h,得到均相溶液，然后将氧化铝加入到溶液中，搅拌分散2h，得到氧化铝浆液，加入适量氧化剂，充分搅拌，在搅拌状态下将pH调节剂加入到浆液中，调节pH值，最后加入聚氨酯增稠剂，得到抛光液。

测试方法：抛光中参数设置如下：红色聚氨酯抛光垫(无开槽)，转速60r/min，压力400g/cm²，抛光液流速1L/min。在抛光中，每抛光1h将蓝宝石清洗干燥，采用METTLERTOLEDO电子天平称量质量变化来计算抛光速率，抛光结束后，对蓝宝石进行超声波清洗、干燥后，采用原子力显微镜对表面平整度进行观察测试，得到表面粗糙度Ra。

实施例2-6

制备方法与测试方法与实施例1相同，具体成分如下表所示。

对比例1

制备方法：将分散剂加入至水中，搅拌分散1h,进行充分的溶解，加入润滑剂，搅拌分散1h,得到均相溶液，然后将氧化铝加入到溶液中，搅拌分散2h，得到氧化铝浆液，加入适量氧化剂，充分搅拌，在搅拌状态下将pH调节剂加入到浆液中，调节pH值，最后加入聚氨酯增稠剂，得到抛光液。

本实施例中采用的氧化铝是D50为0.6μm的片状α-Al₂O₃,以下是每百份的重量组成：氧化铝10份，分散剂0.2份，氧化剂1份，pH调节至11，聚氨酯增稠剂0.1份，无机离子添加剂3份，水余量；其中分散剂为(NaPO₃)₆，无机离子添加剂为ZnSO₄,pH，调节剂为KOH，氧化剂为H₂O₂。

对比例2

本实施例中采用的氧化铝是D50为0.8μm的无定形α-Al₂O₃,以下是每百份的重量组成：无定形α-Al₂O₃12份，分散剂0.4份，无机离子添加剂3份，氧化剂3份，pH调节至10，聚氨酯增稠剂0.2份，水余量；其中分散剂为PAAS与(NaPO₃)₆，无机离子添加剂为ZnSO₄,pH，调节剂为KOH，氧化剂为H₂O₂。

对比例3

本实施例中采用的氧化铝是D50为1.0μm的珊瑚状α-Al₂O₃,以下是每百份的重量组成：珊瑚状α-Al₂O₃8份，分散剂0.4份，无机离子添加剂2份，氧化剂5份，pH调节至9，聚氨酯增稠剂0.4份，水余量；其中分散剂为PAAS，无机离子添加剂为Zn(NO₃)₂，pH调节剂为TMAH，氧化剂为Na₂S₄O₈。

对比例4

本实施例中采用的氧化铝是D50为1.8μm的片状α-Al₂O₃,以下是每百份的重量组成：氧化铝10份，分散剂0.2份，无机离子添加剂3份，氧化剂1份，pH调节至11，聚氨酯增稠剂0.1份，水余量；其中分散剂为(NaPO₃)₆，无机离子添加剂为ZnSO₄,pH，调节剂为KOH，氧化剂为H₂O₂。

采用上述实施例中条件进行抛光测试。

结果如下表所示

通过实例1～6可以看出，本发明中的氧化铝抛光液分散效果好，抛光速率高，表面平整无划痕满足蓝宝石抛光要求，通过对比例1可以看出无机离子添加剂对粉体的抛光精度有着重要影响，通过对比例2～3可以看出，本发明中的片状氧化铝相对其它形貌的氧化铝抛光速率快，抛光后的表面平整度更高，通过对比例4可以看出，若选用更大粒径的氧化铝容易划伤蓝宝石表面。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述技术内容作为启示加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作出的简单修改，等同变化与改型，仍属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种抛光蓝宝石用的氧化铝抛光液，其特征在于，所述的氧化铝抛光液，主要由α-氧化铝、分散剂、无机离子添加剂、氧化剂、pH调节剂、聚氨酯增稠剂和水复配而成；每百份的重量组分如下：

α-氧化铝5-15份，

分散剂0.2-0.5份，

无机离子添加剂1-5份，

氧化剂1-5份，

pH调节剂5-10份，

聚氨酯增稠剂0.1-0.5份，

余量为水；

所述的α-氧化铝，为片状α-氧化铝；

所述的分散剂，分散剂为三聚磷酸钠Na₅P₃O₁₀、六偏磷酸钠(NaPO₃)₆或聚丙烯酸钠PAAS中的一种或几种；

所述的无机离子添加剂为ZnSO₄或Zn(NO₃)₂中的一种或两种；

所述的pH调节剂为四甲基氢氧化铵TMAH、Na₂CO₃、KOH或NaOH中的一种或两种的组合；

所述的氧化剂，为H₂O₂或Na₂S₄O₈中的一种；

所述的增稠剂，为陶氏聚氨酯增稠剂RM-8W。

2.如权利要求1所述的氧化铝抛光液，其特征在于，所述的α-氧化铝平均粒径D50为0.6-1.2μm。

3.如权利要求1所述的氧化铝抛光液，其特征在于，所述的分散剂为选自(NaPO₃)₆或PAAS中的一种或两种。

4.如权利要求1所述的氧化铝抛光液，其特征在于，所述的pH调节剂，为选自KOH或四甲基氢氧化铵TMAH中的一种或两种的组合。

5.一种如权利要求1所述的抛光蓝宝石用的氧化铝抛光液的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)分散剂的分散：

按照所述组分将分散剂加入至水中，搅拌分散0.5-1h,得到溶液A；

(2)无机离子添加剂的分散：

按照所述组分将润滑剂加入到溶液A中，搅拌分散0.5-1h,得到溶液B；

(3)氧化铝的分散

按照所述组分将氧化铝加入到溶液B中，搅拌分散0.5-2h，得到浆液C；

(4)氧化剂的分散

按照所述组分将氧化剂加入到浆液C中，搅拌0.5-1h,得到浆液D；

(5)pH调节与增稠

按照所述组分在搅拌状态下将pH调节剂加入到浆液D中，将pH值调节至9-12；加入聚氨酯增稠剂，最终得到抛光液。

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