CN115139215A - 一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抛光领域，特别涉及一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，所述一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法含两种辅助增强方式：微纳气泡辅助增强和光催化辅助增强。包括以下步骤：(1)选择合适的光催化剂、电子捕获剂、磨料、酸碱调节剂和分散剂配置抛光液，(2)在抛光液中，引入微纳气泡，制备微纳气泡光催化抛光液，(3)在紫外灯的照射下，利用化学和机械协同作用对待抛光材料进行抛光和表面平坦化。和化学机械抛光相比，该方法采用微纳气泡和光催化双重增强方式，可以提高磨料的分散性，增强抛光液的氧化性，提高晶片表面材料的去除率、表面质量和抛光效率，实现材料高效、超精密、低损伤的抛光。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械抛光方法领域，特别涉及一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法。
技术背景
随着现代工业的不断发展，精密加工和超精密加工在机械、电子、轻工及国防等领域占有越来越重要的地位，化学机械抛光(Chemical mechanical polishing，简称CMP)作为精密加工和超精密加工的一种重要手段，在晶片及光学元件等加工中发挥了极其重要的作用，具有加工效率较低，表面质量较好的特点。科技的发展促使精密加工领域对材料尺寸、表面精度和表面质量的要求不断提高，对CMP技术也提出了更高的要求。因此，各种CMP辅助强化方法被开发和研究，包括超声辅助强化方法，紫外辅助强化法，等离子体辅助强化法以及微纳米气泡辅助强化法等。
单一的辅助强化法可以在一定程度上提高CMP的抛光效率和表面质量，但仍然无法满足超精密加工领域的需求。本发明针对抛光领域存在的抛光液氧化性不强、磨料团聚、去除率低，加工效率低、表面质量差等问题，开发了微纳气泡增强光催化化学机械抛光技术，该技术通过微纳气泡和光催化协同辅助的方式实现材料高效、超精密、低损伤的抛光。
发明内容
为克服以上存在的问题，本发明采用微纳气泡发生装置生成大量微米、纳米级气泡，这些微纳气泡可以提高磨料的分散性、同时具有打碎聚合分子团，形成小分子团活性水的效果，并能够将小部分水分子电离分解，可以在微纳米气泡空间中产生活性氧、氧离子、氢离子和氢氧离子等自由基离子，尤其氢氧自由基有超高的还原电位，具有超强氧化效果。此外，光催化剂发挥催化氧化作用，二者协同作用在被抛光材料表面形成氧化层，通过机械和化学的协同作用去除表层材料，和化学机械抛光相比，具有抛光液氧化性强、磨料分散性好、去除率高，加工效率高、表面质量良好等优点。
本发明开发了一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法。包括以下步骤：(1)选择合适的光催化剂、电子捕获剂、磨料、酸碱调节剂和分散剂配置抛光液，(2)在抛光液中，引入微纳气泡，制备微纳气泡光催化抛光液，(3)在紫外灯的照射下，化学和机械协同作用对待抛光晶片进行抛光和表面平坦化。
其中，所述光催化剂可以但不仅限于P25型二氧化钛、5nm TiO2、ZnO、ZrO2、CeO2，其质量浓度为：0.5g/L-2.5g/L。
其中，所述电子捕获剂可以但不仅限于过氧化氢、高铁酸钾、高锰酸钾，其摩尔浓度：0mol/L-2.0mol/L。
其中，所述磨料可以但不仅限于纳米二氧化硅、纳米二氧化铈、纳米氧化铝、纳米氧化锆、纳米金刚石，质量百分比为0-40％。
其中，所述酸碱调节剂可以但不仅限于氢氧化钠和磷酸。
其中，所述分散剂可以但不仅限于六偏磷酸钠、硅溶胶。
其中，所述微纳气泡类型可以但不仅限于空气、氧气、臭氧，气泡粒径为10-100nm，其进气流量范围为：0～0.1m3/h。
其中，所述紫外灯波长可以但不仅限于365nm、375nm、385nm、395nm、405nm。
其中，所述微纳气泡光催化抛光液是在配置好的光催化抛光液中通入微纳气泡后获得的。
其中，所述抛光方法中工艺参数范围可以但不仅限于抛光压力0.005MPa-0.05MPa，转速20r/min-200r/min，载样盘转速20r/min-100r/min，抛光垫类型为聚氨酯抛光垫、阻尼布抛光垫、合成纤维聚合物抛光垫。
本发明的有益效果：
(1)采用微纳气泡和光催化复合辅助增强的方式，通过机械和化学的协同作用，可以实现材料高效、超精密、低损伤的抛光。
(2)微纳气泡发生装置产生微纳米气泡，可以提高磨料的分散性、同时具有打碎聚合分子团，形成小分子团活性水的效果。
(3)微纳气泡可以将小部分水分子电离分解，在微纳米气泡空间中产生活性氧、氧离子、氢离子和氢氧离子等自由基离子，赋予抛光液超强氧化性能。
(4)微纳气泡共空气、氧气、臭氧三种类型，可以根据实际需求切换微纳气泡的类型。
(5)根据催化剂类型和紫外最大吸收波长的不同，调整紫外光的波段，使催化剂的催化效果达到最优。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例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做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
以0.5g/L P25型二氧化钛为光催化剂，0.3mol/L过氧化氢为电子捕获剂，5％质量百分比纳米二氧化硅为磨料，10wt％硅溶胶为分散剂，氢氧化钠和磷酸为酸碱调节剂调整抛光液pH＝6，采用微纳气泡发生器制备臭氧微纳气泡，设置进气流量为0.1m3/h，通气时长为1h，得到微纳气泡光催化抛光液。以碳化硅晶片为抛光对象，将晶片放入无水乙醇水溶液中超声20min，取出转移至去离子水中超声20min，取出吹干后备用。以微纳气泡光催化抛光液为碳化硅晶片抛光液，紫外吸收波长为365nm，设置抛光工艺参数为：抛光压力0.005MPa，转速20r/min，载样盘转速20r/min，抛光垫类型为聚氨酯抛光垫，对碳化硅晶片进行抛光，可以获得超光滑、低损伤的碳化硅表面，表面粗糙度Ra为0.200nm～0.300nm，材料去除率为1.00μm/h～1.50μm/h。
实施例2
以0.75g/L 5nm TiO2为光催化剂，0.4mol/L过氧化氢为电子捕获剂，10％质量百分比纳米金刚石为磨料，10wt％硅溶胶为分散剂，氢氧化钠和磷酸为酸碱调节剂调整抛光液pH＝4，采用微纳气泡发生器制备臭氧微纳气泡，设置进气流量为0.08m3/h，通气时长为1.5h，得到微纳气泡光催化抛光液。以单晶金刚石为抛光对象，将单晶金刚石放入无水乙醇水溶液中超声30min，取出转移至去离子水中超声30min，取出吹干后备用。以微纳气泡光催化抛光液为单晶金刚石抛光液，紫外吸收波长为365nm，设置抛光工艺参数为：抛光压力0.01MPa，转速50r/min，载样盘转速50r/min，抛光垫类型为合成纤维聚合物抛光垫，对单晶金刚石进行抛光，可以获得超光滑、低损伤的单晶金刚石表面，表面粗糙度Ra为0.200nm～0.300nm，材料去除率为1.00μm/h～1.50μm/h。
Claims (10)
1.一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法包括以下步骤：(1)选择合适的光催化剂、电子捕获剂、磨料、酸碱调节剂和分散剂配置抛光液，(2)在抛光液中，引入微纳气泡，制备微纳气泡光催化抛光液，(3)在紫外灯的照射下，化学和机械协同作用对待抛光晶片进行抛光和表面平坦化。
2.根据权利要求1所述的一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，其特征在于：所述光催化剂可以但不仅限于P25型二氧化钛、5nm TiO2、ZnO、ZrO2、CeO2，其质量浓度为：0.5g/L-2.5g/L。
3.根据权利要求1所述的一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，其特征在于：所述电子捕获剂可以但不仅限于过氧化氢、高铁酸钾、高锰酸钾，其摩尔浓度：0mol/L-2.0mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，其特征在于：所述磨料可以但不仅限于纳米二氧化硅、纳米二氧化铈、纳米氧化铝、纳米氧化锆、纳米金刚石，质量百分比为0-40％。
5.根据权利要求1所述的一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，其特征在于：所述酸碱调节剂可以但不仅限于氢氧化钠和磷酸。
6.根据权利要求1所述的一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，其特征在于：所述分散剂可以但不仅限于六偏磷酸钠、硅溶胶。
7.根据权利要求1所述的一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，其特征在于：所述微纳气泡类型可以但不仅限于空气、氧气、臭氧，气泡粒径为10-100nm，其进气流量范围为：0～0.1m3/h。
8.根据权利要求1所述的一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，其特征在于：所述紫外灯波长可以但不仅限于365nm、375nm、385nm、395nm、405nm。
9.根据权利要求1所述的一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，其特征在于：所述微纳气泡光催化抛光液是在配置好的光催化抛光液中通入微纳气泡后获得的。
10.根据权利要求1所述的一种微纳气泡光催化增强化学机械抛光方法，其特征在于：所述抛光方法中工艺参数范围可以但不仅限于抛光压力0.005MPa-0.05MPa，转速20r/min-200r/min，载样盘转速20r/min-100r/min，抛光垫类型为聚氨酯抛光垫、阻尼布抛光垫、合成纤维聚合物抛光垫。
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