CN115521714B - 一种油性金刚石抛光液、其制备方法及用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种油性金刚石抛光液、其制备方法及用途。本发明油性金刚石抛光液包括重量配比如下的各组分：金刚石磨料0.1‑1份；油性剂70‑90份；润滑剂2‑15份；分散剂0.5‑5份；润湿剂0.1‑2份；螯合剂0.1‑2份。所述金刚石磨料为类多晶、多晶、单晶和聚晶中的两种或多种混合磨料。所述油性剂为烷烃与矿物油的混合物。本发明还公开了油性金刚石抛光液的制备方法，及其在蓝宝石抛光领域的用途。本发明油性金刚石抛光液安全、环保、高效，对蓝宝石衬底无腐蚀。在相同磨料下，本发明油性金刚石抛光液与水性抛光液相比较，具有较高的移除率以及较低的粗糙度。

Description

一种油性金刚石抛光液、其制备方法及用途

技术领域

本发明涉及蓝宝石抛光液技术，尤其涉及一种油性金刚石抛光液、其制备方法及用途。

背景技术

蓝宝石优异的机械性能、稳定的化学性质以及在透光方面的独特的优势，使其被广泛应用于LED产业、军工国防等领域。随着LED产业的不断发展，产品的迭代更新，对蓝宝石衬底表面质量的要求也越来越高，因此对抛光液的各项要求也越来越高。

目前已公开了一些蓝宝石抛光液，例如：

CN104449403A公开了一种蓝宝石衬底材料的复合碱抛光液，其主要组成成分按重量％计，包括重量浓度2-50wt％以及粒径15-150nm的纳米SiO₂水溶胶10-50％、活性剂0.05-1％，螯合剂0.1-1％，pH调节剂0.1-2％，pH调节剂为无机碱和有机碱的混合物构成复合碱。抛光液采用复合碱的形式，无机碱的强碱性可有效提高抛光去除速率，有机碱通过不断释放羟基保障抛光液pH的稳定性，保障循环抛光过程中抛光液的化学作用，解决了抛光速率低、效率低的技术问题。

CN102010669A公开了蓝宝石衬底材料表面高精密加工过程中化学机械抛光(CMP)抛光液的制备方法，其抛光液选用纳米SiO₂磨料，磨料的浓度为30-50wt％，粒径15-100nm，以利于材料的去除及表面平整化。抛光液的pH值9-13，既能满足有效去除，也能保证硅溶胶的稳定性；制备过程中采用密闭系统下负压搅拌制备法，避免了传统的复配、机械搅拌等制备方法带来的有机物、大颗粒、金属离子等的污染。

已有的蓝宝石抛光液多为成分复杂，且含有强酸、强碱或其他强腐蚀性试剂，对操作人员、仪器设备和自然环境均有潜在的危害，不符合现代制造和绿色加工制造理念。此外，目前国产蓝宝石抛光液的市场占有率仍比较低，主要依赖于进口，导致抛光液的价格高昂。因此，研究用于蓝宝石的新型抛光液，仍具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对已有的水性蓝宝石抛光液不同程度的存在成分复杂，含有强酸、强碱或其他强腐蚀性试剂的问题，提出一种油性金刚石抛光液，该抛光液安全、环保、高效，对蓝宝石衬底无腐蚀。在相同磨料下，本发明油性金刚石抛光液与水性抛光液相比较，具有较高的移除率以及较低的粗糙度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种油性金刚石抛光液，包括重量配比如下的各组分：

进一步地，所述金刚石磨料为类多晶、多晶、单晶和聚晶中的两种或多种混合磨料。

进一步地，所述金刚石磨料优选多晶与类多晶混合磨料。

进一步地，所述多晶与类多晶质量比为0.5-4:1。

进一步地，所述多晶与类多晶质量比优选为1-2:1。

进一步地，所述单晶D50为6-10μm。

进一步地，所述聚晶D50为5-20μm。

进一步地，所述多晶D50为6-10μm。

进一步地，所述多晶D50优选为6-8μm。

进一步地，所述类多晶D50为1-5μm。

进一步地，所述类多晶D50优选为3-4μm。

进一步地，所述金刚石磨料为0.3-0.8份。

当金刚石磨料选用大粒径多晶与小粒径类多晶的混合磨料时，在磨料总的质量份不变的条件下，增加小粒径磨料的占比，能增加磨料的总量，小粒径会进入大粒径紧密排列的空隙中，增大与衬底的接触面积，从而达到提高抛光速率的效果，实验表明，在6-10μm的粒度范围内，多晶金刚石的移除率较高，在1-5μm的粒度范围内，类多晶金刚石移除率较高，同时采用多晶金刚石和类多晶金刚石磨料移除率更高。

进一步地，所述油性剂为烷烃与矿物油的混合物。

进一步地，所述烷烃为C12-C16烷烃。

进一步地，所述C12-C16烷烃为正/异构十二烷、正/异构十三烷、正/异构十四烷、正/异构十五烷和正/异构十六烷中的任意一种或多种。

进一步地，所述C12-C16烷烃优选为正构十六烷。

进一步地，所述矿物油为工业级矿物油。

进一步地，所述矿物油优选3-15#白油中的任意一种或多种，如3#白油、5#白油、10#白油和15#白油中的一种或多种。

进一步地，所述矿物油最优选为10#白油。

进一步地，所述烷烃与矿物油质量比为1-4:1。

进一步地，所述烷烃与矿物油优选质量比为1-3:1。

进一步地，所述油性剂为75-85份。

进一步地，所述润滑剂为起到润滑作用的有机物，在本发明的抛光液体系中，优选为有机酸及其衍生物。

进一步地，所述有机酸及其衍生物为C18-C20高分子有机酸及其衍生物。

进一步地，所述C18-C20高分子有机酸及其衍生物为油酸及其衍生物、亚油酸及其衍生物、亚麻酸及其衍生物和芥酸及其衍生物中的任意一种或多种。

进一步地，所述C18-C20高分子有机酸及其衍生物优选油酸及其衍生物。

进一步地，所述润滑剂为5-10份。

进一步地，所述分散剂为非离子型分散剂。

进一步地，所述分散剂优选溶剂型分散剂。

进一步地，所述分散剂更优选长链溶剂型分散剂。

进一步地，所述长链溶剂型分散剂为多己内多酯多元醇-多乙烯亚胺嵌段共聚物、聚丙烯酸酯和聚氨酯中的任意一种或多种。

进一步地，所述长链溶剂型分散剂优选聚丙烯酸酯。

进一步地，所述多己内多酯多元醇-多乙烯亚胺嵌段共聚物分子量为1万-100万。

进一步地，所述聚氨酯分子量为1万-10万。

进一步地，所述聚丙烯酸酯分子量为1万-10万。

进一步地，所述分散剂为1-3份。

采用高分子分散剂以及高分子润湿剂具有较大的空间位阻，能形成较大的空间阻碍，有效阻止金刚石磨料之间的团聚，增加了体系的分散稳定性，从而进一步降低了抛光表面的粗糙度。

进一步地，所述润湿剂为能够明显降低表面张力的表面活性剂，在本发明的抛光液体系中，润湿剂为非离子型表面活性剂。

进一步地，所述非离子型表面活性剂为松香型非离子表面活性剂。

进一步地，所述松香型非离子表面活性剂为松香胺聚氧乙烯醚、氢化松香醇聚氧乙烯醚、松香聚氧乙烯酯、松香甘油缩水乙醇胺和马来松香聚氧乙烯糖酯中的任意一种或多种。

进一步地，所述松香型非离子表面活性剂优选为马来松香聚氧乙烯糖酯。

进一步地，所述松香胺聚氧乙烯醚分子量为1000-2000。

进一步地，所述氢化松香醇聚氧乙烯醚分子量为1000-2000。

进一步地，所述松香聚氧乙烯酯分子量为1000-2000。

进一步地，所述马来松香聚氧乙烯糖酯分子量为2000-5000。

进一步地，所述润湿剂为0.5-1份。

采用的松香型润湿剂，可生物降解，毒性小或无毒，并具有一定的杀菌功效，尤其马来松香聚氧乙烯糖酯的一端为聚氧乙烯链，另一端为蔗糖基的双子表面活性剂，不仅具有较高的表面活性，复配性良好，且具有协同功效，发泡、润湿、增溶方面均优于单链表面活性剂。

进一步地，所述螯合剂为含有两个或连两个以上配位原子的配位体。

进一步地，所述螯合剂为能溶于油的螯合剂。

进一步地，所述能溶于油的螯合剂为亚磷酸二苯一异辛酯、羟基乙叉二膦酸、氨基三亚甲基膦酸和三乙烯二胺中的任意一种或多种。

进一步地，所述可溶于油的螯合剂优选三乙烯二胺。

进一步地，所述螯合剂为0.5-1份。

采用的螯合剂三乙烯二胺在油类溶剂中具有较好的溶解性，使用后，悬浮性以及金刚石磨料的再分散性有明显提高，提升了移除率以及抛光后的表面质量，同时在实际生产应用中减少了堵管问题的发生。

本发明的另一个目的还公开了一种油性金刚石抛光液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照重量配比称取各组份；

步骤2：将油性剂和润滑剂混合后搅拌；

步骤3：将螯合剂加入到上述溶液中搅拌至完全溶解；

步骤4：将分散剂和润湿剂加入到上述溶液中搅拌；

步骤5：将金刚石磨料加入到上述溶液中搅拌，制备得到油性金刚石抛光液。

进一步地，步骤2所述搅拌条件为500-800rpm，25-30℃搅拌5-10min。

进一步地，步骤3所述搅拌条件为500-800rpm，25-30℃搅拌30-60min。

进一步地，步骤4所述搅拌条件为500-800rpm，25-30℃搅拌5-10min。

进一步地，步骤5所述搅拌条件为500-800rpm，25-30℃搅拌30-60min。

本发明的另一个目的还公开了一种油性金刚石抛光液在蓝宝石抛光领域的用途。

本发明的另一个目的还公开了一种采用油性金刚石抛光液抛光蓝宝石的方法，包括如下步骤：

步骤S1：将蓝宝石片(称重精确到小数点后4位)粘在陶瓷盘上，放置到抛光机进行抛光；

步骤S2：抛光完毕后，加热将蓝宝石片取下，用乙醇将蜡清洗干净后，用纯水清洗两次，自然晾干(称重精确到小数点后4位)。

进一步地，步骤S1抛光条件：转速80r/min；压力：30kg；时间：900s；流量：4mL/min。

移除率(MRR)的计算公式如下：

MRR＝Δm/ρtS

其中，Δm为两次称重的差值(g)，ρ为蓝宝石密度(g/cm³)，t为抛光时间(min)，S为蓝宝石片的面积。

本发明油性金刚石抛光液、其制备方法及用途，与现有技术相比较具有以下优点：

1)本发明使用的金刚石磨料为大粒径多晶与小粒径类多晶的混合磨料，当在磨料总的质量份不变的条件下，增加小粒径磨料的占比，能增加磨料的总量，小粒径会进入大粒径紧密排列的空隙中，增大与衬底的接触面积，从而达到提高抛光速率的效果。移除率与金刚石粉的种类，粒径以及加入量有关，在恒定加入量的前提下，分别针对多晶，类多晶，以粒径为自变量，移除率为因变量作图，发现在X(粒径)＝5-6μm处，出现交点，在6-10μm的粒度范围内，多晶金刚石的移除率较高，在1-5μm的粒度范围内，类多晶金刚石移除率较高，同时采用多晶金刚石和类多晶金刚石磨料移除率更高。

2)本发明采用高分子分散剂以及高分子润湿剂，利用其较大的空间位阻，形成较大的空间阻碍，有效阻止金刚石磨料之间的团聚，增加了体系的分散稳定性，从而进一步降低了抛光表面的粗糙度。

3)本发明采用的松香型润湿剂，可生物降解，毒性小或无毒，并具有一定的杀菌功效，尤其马来松香聚氧乙烯糖酯的一端为聚氧乙烯链，另一端为蔗糖基的双子表面活性剂，不仅具有较高的表面活性，复配性良好，且具有协同功效，发泡、润湿、增溶方面均优于单链表面活性剂。

4)常规螯合剂几乎不溶于油，但本发明采用的螯合剂三乙烯二胺在油类溶剂中具有较好的溶解性，使用后，悬浮性以及金刚石磨料的再分散性有明显提高，提升了移除率以及抛光后的表面质量，同时在实际生产应用中减少了堵管问题的发生。

5)本发明抛光液的抛光性能优良，能够取得优异的抛光后表面质量，且无腐蚀。

6)本发明抛光液环保、无污染、且挥发损耗小，对环境和人体无伤害。

因此，本发明油性金刚石抛光液在半导体芯片抛光领域具有非常良好的应用前景和大规模工业化推广潜力。

附图说明

图1为实施例1(左)与对比例1(右)静置24小时后的悬浮状态。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1-12

实施例1-12公开了多种油性金刚石抛光液，其组分及质量份如表1所示，其制备方法如下：

步骤1：按照表1分别称取各个组份；

步骤2：将油性剂、润滑剂在700rpm，25℃搅拌10min；

步骤3：将螯合剂加入上述溶液中在800rpm，25℃搅拌60min，至完全溶解；

步骤4：在上述溶液中分别加入分散剂，润湿剂在500rpm，25℃搅拌10min；

步骤5：在上述溶液中加入金刚石磨料在800rpm，25℃搅拌30min，即完成本发明的抛光液的制备。

表1实施例1-12油性金刚石抛光液的组分及质量份

对比例1-9

对比例1-9公开了多种抛光液，其组分及质量份如表2所示，其制备方法与实施例1相同。

表2对比例1-9抛光液的组分及质量份

实施例1-12和对比例1-9测试结果如表3所示。

表3实施例1-12和对比例1-9测试结果

悬浮性代表了体系停止搅拌后，初次观察到分层的时间；移除率指的是在本发明的蓝宝石抛光方法，每分钟蓝宝石片减少的厚度；表面粗糙度指的是是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度；划伤程度指的是使用显微镜在同样的放大倍数(本发明在放大五倍的条件下进行测试)观察到的划痕数量。从表3中的测试数据可以看出实施例1的移除率最高，达到6.9μm/min，悬浮时间24h，表面粗糙度最低为0.6nm，实施例1-12的表面粗糙度和划伤程度均低于对比例1-9。

从图1中可见静置24小时后对比例1的磨料发生沉降，抛光液分层，而实施例1仍保持均匀分散，说明实施例1的悬浮性比对比例1佳。

其中：

性能1悬浮性测试方法为：

将抛光液放置于室温下避光保存，并分别考察不同储存时间后的分层情况，从而考察了其稳定性能。

性能2移除率的测试方法为：

移除率的测试方法包括如下步骤：

步骤1：将蓝宝石片称重(精确到小数点后4位)后，使用固态或液态蜡粘在陶瓷盘上，冷却至室温后，放置到抛光机进行抛光，测试条件：转速80r/min；压力：30kg；时间：900s；流量：4ml/min；

步骤2：抛光完毕后，加热将蓝宝石片取下，用乙醇将蜡清洗干净后，用纯水清洗两次，自然完全晾干，称重(精确到小数点后4位)；

步骤3：使用以下公式计算移除率：

MRR＝(Δm)/ρtS

Δm为两次称重的差值(g)，ρ为蓝宝石密度(g/cm³)，t为抛光时间(min)，S为蓝宝石片的面积(cm²)。

性能3表面粗糙度的测试方法为：

选取蓝宝石片四周及其中心，共5个点，使用表面粗糙度仪测试，分别测试5个点的粗糙度，每个点各测3次，取粗糙度平均值。

性能4划伤程度的测试方法为：

使用显微镜在同样的放大倍数(本发明在放大五倍的条件下进行测试)观察划痕数量，分别选取蓝宝石片四周及其中心进行观察，最后取平均数。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种油性金刚石抛光液，其特征在于，包括重量配比如下的各组分：

金刚石磨料 0.1-1份；

油性剂 70-90份；

润滑剂 2-15份；

分散剂 0.5-5份；

润湿剂 0.1-2份；

螯合剂 0.1-2份；

所述油性剂为烷烃与矿物油的混合物；

所述分散剂为长链溶剂型分散剂；

所述润湿剂为松香型非离子表面活性剂；所述松香型非离子表面活性剂为松香胺聚氧乙烯醚、氢化松香醇聚氧乙烯醚、松香聚氧乙烯酯、松香甘油缩水乙醇胺和马来松香聚氧乙烯糖酯中的任意一种或多种；

所述螯合剂为亚磷酸二苯一异辛酯、羟基乙叉二膦酸、氨基三亚甲基膦酸和三乙烯二胺中的任意一种或多种；

所述金刚石磨料为多晶与类多晶混合磨料，所述多晶D50为6-10μm，所述类多晶D50为1-5μm。

2.根据权利要求1所述油性金刚石抛光液，其特征在于，所述烷烃为C12-C16烷烃。

3.根据权利要求1所述油性金刚石抛光液，其特征在于，所述润滑剂为有机酸及其衍生物。

4.一种权利要求1-3任意一项所述油性金刚石抛光液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照重量配比称取各组份；

步骤2：将油性剂和润滑剂混合后搅拌；

步骤3：将螯合剂加入到上述溶液中搅拌至完全溶解；

步骤4：将分散剂和润湿剂加入到上述溶液中搅拌；

步骤5：将金刚石磨料加入到上述溶液中搅拌，制备得到油性金刚石抛光液。

5.一种权利要求1-3任意一项所述油性金刚石抛光液在蓝宝石抛光领域的用途。