CN115710486A

CN115710486A - 用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料及其制备方法

Info

Publication number: CN115710486A
Application number: CN202211295247.1A
Authority: CN
Inventors: 陈佳鹏; 郝晓东; 彭亚男; 林杰; 何安捷; 吴霖
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2023-02-24

Abstract

本发明涉及电化学抛光的技术领域，公开了一种用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料，其特征在于：包括硬质微粉和压电陶瓷粉末按照质量百分比构成的聚合磨料，所述聚合磨料的粒度在5～150μm之间。还公开了一种用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料的制备方法。

Description

用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料及其制备方法

技术领域

本发明属于电化学抛光的技术领域，具体涉及一种用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料及其制备方法。

背景技术

硅、碳化硅、氮化镓、金刚石等高硬脆半导体。具有良好的机械性能，稳定的物理化学性能和优异的光学性能，在机械、光学、信息、航空航天和武器装备等军用和民用领域具有广泛应用，特别是集成电路芯片的衬底。作为唯一能够实现半导体基片全局平坦化的方法化学机械抛光过程需要用到磨料作为工具。但是，由于高硬脆半导体具有硬度高、脆性大、耐腐蚀的特点，磨料磨损严重，化学机械抛光效率极低，或者为提高效率而牺牲了表面质量，难以满足产业化需求。

目前，增强磨料的加工性能主要采用两种方式：1)磨粒包覆提高耐磨性，如一种磨粒/氧化镍核壳结构的复合磨粒及其制备方法和应用(ZL201210209689.X)、一种磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒及其制备方法和应用(ZL201210210174.1)、带涂层磨料制品及制备带涂层磨料制品的方法(CN202080085085.1)；2)磨粒成团提高自锐性，如一种具有高微破碎特性的超硬聚集体磨料及其制备方法(ZL201911335624.8)、一种超硬脆工件的研磨抛光方法(ZL201610857938.4)、松散磨料团粒及使用其研磨工件的方法(CN202180012880.2)、粘结磨料制品和制造方法(CN202180010661.0)、金属粘结磨料制品及制备金属粘结磨料制品的方法(ZL 201880014168.4)、一种长寿命树脂结合剂磨料及其制备方法(ZL201811388108.7)；这些方法使得化学机械抛光效率得到提升，但是针对高硬脆半导体材料去除率增幅不明显，且表面质量较差，划伤严重。

发明内容

本发明提供一种用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料及其制备方法，解决了采用传统方法增强磨料加工性能，对硬脆半导体材料去除率增幅不明显，且表面质量较差，划伤严重等技术问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料，包括硬质微粉和压电陶瓷粉末按照质量百分比构成的聚合磨料，所述聚合磨料的粒度在5～150μm之间。本发明所提出的聚合磨料利用化学机械抛光过程中的机械能，促使其内部的受压电陶瓷自行放出自由电子，并且由于硬质微粉和压电陶瓷合成一体，磨粒刃口尖端放电催化增强磨粒与高硬脆半导体表面界面活性，聚合磨粒与高硬脆半导体表面摩擦作用同时诱导电催化和氧化反应，力-热-电-化学反应多能场复合并集中于聚合磨料和高硬脆半导体表面接触区，将能大大提高材料去除效率。

进一步，所述硬质微粉的粒度设置在0.5～10μm之间，其含量为聚合磨料总质量的25～75％，所述压电陶瓷粉末的粒度设置在0.5～10μm之间，其含量为聚合磨料总质量的25～75％。

进一步，所述硬质微粉设置为金刚石、立方氮化硼、氧化铝、碳化硅、二氧化硅中的一种或多种。

进一步，所述压电陶瓷粉末设置为铌酸锂LiNbO₃、钽酸锂LiTaO₃、钛酸铋钠、钛酸钡、硅酸钙、锆钛酸铅镧PLZT中的一种或多种。

一种基于上文所述的用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照设定的质量百分比将硬质微粉和压电陶瓷粉末进行混合，在混合好的粉末中加入粘合剂，采用热压法制成胚体，

(2)所述热压胚体经过干燥、除胶、烧结、破碎、分级得到聚合磨料。

进一步，所述粘结剂设置为聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩醛胶体中的一种或多种，其含量为混合粉末总质量的1～6％。

本发明有益的技术效果如下：

本发明的聚合磨料适用于硅、碳化硅、氮化镓、金刚石等高硬脆半导体化学机械抛光，无需外部设备，不用改变现有抛光设备和工艺条件，具有生产效率高，加工稳定性好，损伤小、成品率高、成本低等特点。

相比以上改性磨料仅通过增强磨粒耐磨性或者自锐性以提高加工效率，本发明利用化学机械抛光过程中的机械能，促使聚合磨料中压电陶瓷材料在应力的作用下产生电流或自由电子，其处于价带的电子就会被激发跃迁到导带上，形成自由电子，同时在价带上产生带正电的空穴，带正电的空穴可以和吸附在聚合磨料表面的OH-和H₂O₂进行氧化，生成具有强氧化性的羟基自由基·OH；同时，光生电子也能够与O₂发生反应生成氧自由基·O₂-等活性自由基，这样活性自由基在摩擦热加持下对氧化硅、碳化硅、氮化镓、金刚石等高硬脆半导体进行抛光，其化学机械抛光效率提高，同时不引起明显加工损伤。

附图说明

图1为本发明的自放电磨料的制备方法的流程示意图；

图2为本发明的高硬脆半导体表面游离磨料抛光原理和工艺示意图；

图3为本发明的高硬脆半导体表面固结磨料抛光原理和工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料，包括硬质微粉和压电陶瓷粉末，按照质量百分比称取，经过混料、成型、制粒工序，得到粒度在5～150μm之间的聚合磨料。具体如下：

所有实施例均在单面抛光机上开展，具体抛光工艺：抛光压力25kPa，抛光盘和单晶碳化硅片的转速为80r/min，抛光液流速60ml/min，抛光时间50min。

实施例1

先按照质量百分比40:60称取硬质微粉和压电陶瓷粉末并采用湿法球磨混料，其中硬质微粉包括质量百分比50:50的氧化铝和碳化硅微粉，粒度均为5～10μm，压电陶瓷粉末包括铌酸锂陶瓷粉末，其粒度为0.1～0.3μm；

然后加入以上混合粉体总质量的1％聚乙烯醇胶体，经过热压成型、干燥、除胶、烧结、破碎、分级得到聚合磨料，其粒度为28～40μm；

最后，将制备好的聚合磨料与酚醛树脂按质量百分比40:60搅拌混合，经过发泡后倒入模具经过热压成型，得到固结磨料抛光垫；制备好的抛光垫粘贴在抛光机的抛光盘上，按照图2中的抛光工艺参数对单晶碳基片进行抛光，经检验材料去除率MRR为1.2～1.3μm/min，表面粗糙度Sa由220-250nm降为0.3～0.5nm，表面光滑无明显划痕。

实施例2

按照质量百分比30:70称取硬质微粉和硬质压电陶瓷粉末进行混料，加入以上混合粉体总质量的6％聚乙酸乙烯酯，其中硬质微粉包括质量百分比为的金刚石微粉和二氧化硅微粉，其粒度均为5～7μm，硬质压电陶瓷粉末包括质量百分比为50:50的铌酸锂和钽酸锂陶瓷粉末，其粒度均为1～2μm；

然后经过热压成型、干燥、除胶、烧结、破碎、分级得到聚合磨料，其粒度为40～70μm；

最后，将制备好的聚合磨料与高分子基体(有机硅树脂和聚丙烯酰胺，质量百分比25:75)按质量百分比50:50搅拌混合，经过发泡后倒入模具经过凝胶-聚胶成型，得到半固结磨料抛光垫；制备好的抛光垫粘贴在抛光机的抛光盘上，按照图2中的抛光工艺参数对单晶碳化硅基片进行抛光，经检验材料去除率MRR为0.7～0.9μm/min，表面粗糙度Sa由220-250nm降为0.6～1.5nm，表面光滑无明显划痕。

实施例3

先按照质量百分比75:25称取硬质微粉和压电陶瓷粉末并采用干粉混合法进行混料，加入占粉体总质量的2％聚乙烯醇缩醛胶体，其中硬质微粉包括质量百分比60:40的金刚石微粉和立方氮化硼微粉，并且金刚石粒度为5～10μm，立方氮化硼粒度为3～5μm，压电陶瓷粉末包括质量百分比50:50的钛酸铋钠和钛酸钡陶瓷粉末，其粒度均为0.5～1.5μm；

然后经过热压成型、干燥、除胶、烧结、破碎、分级得到聚合磨料，其粒度为70～150μm；

最后，在制备好的聚合磨料中加入树脂中，经过发泡后倒入模具经过热压成型，得到固结磨料抛光垫；制备好的抛光垫粘贴在抛光机的抛光盘上，按照图1中的抛光工艺参数对氮化镓基片进行抛光，经检验材料去除率MRR为2.5～3.0μm/min，表面粗糙度Sa由220-250nm降为0.8～1.2nm，表面光滑无明显划痕。

实施例4

先按照质量百分比50:50称取硬质微粉和和硬质压电陶瓷粉末并采用干粉混合法进行混料，加入以上粉体总质量的4％聚乙烯醇和聚乙酸乙烯酯胶体(质量百分比60:40)，其中，硬质微粉包括质量百分比50:50的金刚石微粉和二氧化硅微粉，粒度均5～7μm，硬质压电陶瓷粉末包括质量百分比70:30的钛酸钡和硅酸钙陶瓷粉末，粒度分别为0.5～1.5μm和1～3μm；

然后经过热压成型、干燥、除胶、烧结、破碎、分级得到聚合磨料，其粒度5～20μm；

最后，再制备好的聚合磨料加入pH＝4的双氧水溶液中，得到化学机械抛光液；制备好的抛光液经过磁力搅拌器不断搅拌后流入单晶金刚石基片和聚氨酯抛光垫间隙中，按照图3中的抛光工艺参数对单晶金刚石基片进行抛光，经检验材料去除率MRR为0.8～1.0μm/min，表面粗糙度Sa由220-250nm降为1.2～1.5nm，表面光滑无明显划痕。

实施例1-4中制备聚合磨料中的干燥、除胶和烧结如下：

干燥：将加有胶黏剂的混合物在80℃～150℃范围内烘干；

除胶：除去颗粒中的胶黏剂，除胶温度在400～550℃范围内调节，时间为30～120min；

烧结：将除胶后的颗粒经高温烧结形成可进行固化或压制成形的金刚石聚集体，烧结温度600～900℃，时间为30～120min。

可以看出，相比压电陶瓷粉末的放电作用，磨粒的机械作用对高硬脆半导体材料的去除影响更大，主要体现在硬质微粉粒度，这是由于放电作用的根本是电解高硬脆半导体材料，提高了硬质微粉切入材料的深度，但是微粉粒度决定了切深的上限。通过实例1和实例2对比，确定固结磨料垫相比半固结磨料垫的加工性能更优；通过实例1和实例3对比，确定不同种类硬质微粉的混合体和不同种类压电陶瓷粉末的混合体更有利于提高材料去除效率；通过实例1和实例4对比，确定固结磨料抛光方式优于游离磨料抛光方式。此外，聚合磨粒的粒度增大有利于提高材料去除效率，但比较有限。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料，其特征在于：包括硬质微粉和压电陶瓷粉末按照质量百分比构成的聚合磨料，所述聚合磨料的粒度在5～150μm之间。

2.根据权利要求1所述的用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料，其特征在于：所述硬质微粉的粒度设置在0.5～10μm之间，其含量为聚合磨料总质量的25～75％，所述压电陶瓷粉末的粒度设置在0.5～10μm之间，其含量为聚合磨料总质量的25～75％。

3.根据权利要求2所述的用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料，其特征在于：所述硬质微粉设置为金刚石、立方氮化硼、氧化铝、碳化硅、二氧化硅中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料，其特征在于：所述压电陶瓷粉末设置为铌酸锂LiNbO₃、钽酸锂LiTaO₃、钛酸铋钠BNT、钛酸钡BaTiO₃、硅酸钙CaSiO₃、锆钛酸铅镧PLZT中的一种或多种。

5.一种基于权利要求1所述的用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的用于电催化辅助化学机械抛光的自放电磨料，其特征在于：所述粘结剂设置为聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩醛胶体中的一种或多种，其含量为混合粉末总质量的1～6％。