CN116023861A - 一种抛光用纳米团粒氧化铝及其制备方法和应用 - Google Patents

一种抛光用纳米团粒氧化铝及其制备方法和应用 Download PDF

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黄晓伟
袁黎光
钱金龙
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Abstract

本发明属于纳米磨料制备技术领域,一种抛光用纳米团粒氧化铝及其制备方法和应用,包括如下步骤:(1)将纳米氧化铝、减水剂、陶瓷结合剂和聚醚醚酮分散于水中,经超声搅拌混合均匀,得到混合料浆,再经喷雾造粒,制得复合磨料胚体;(2)将复合磨料胚体与氯化钠混合均匀,再进行高温烧结;(3)步骤(2)烧结后的混合物经水洗、干燥,制得纳米团粒氧化铝。本发明用纳米团粒氧化铝作为磨料,通过小粒径喷雾造粒合成大颗粒,相较于传统α‑氧化铝,在保持高硬度,高切削力的同时,原晶粒径小,形貌为球形,能够同时保证更好的粗糙度。

Description

一种抛光用纳米团粒氧化铝及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米磨料制备技术领域,涉及一种纳米团粒氧化铝制备方法和抛光应用。
背景技术
碳化硅(SiC)是成为制作高温、高频和大功率电力电子器件的理想半导体材料,是第三代半导体的主要代表之一,相比于传统的硅基产品,其制成的器件能为电力电子产品的升级提供核心保障,比如新能源车、充电桩、光伏发电等领域。随着半导体工业的飞速发展,电子器件尺寸越来越小,对晶圆表面要求也越来越高,要求晶片表面粗糙度达到纳米级。
传统的平坦化技术,仅可实现局部平坦化,而化学机械抛光技术(CMP)不仅可以实现全局平坦化,而且在加工性能和速度上均优于传统的平坦化技术。对于碳化硅晶片的CMP,抛光液是非常重要的耗材。现有技术中,因碳化硅晶片硬度较高,传统的抛光液,加工效率很低,生产成本提高,抛光表面容易出现划痕等问题。
目前由于α-氧化铝硬度较高而被广泛应用于研磨抛光耗材中,但应用于碳化硅抛光液中的较少,且无限定形貌,大多为不规则形貌。这就导致在抛光碳化硅时,大粒径时虽然去除率较高,但容易造成划痕,导致粗糙度较大;小粒径时粗糙度较小,但去除率也较低。而纳米团粒氧化铝是由小粒径纳米氧化铝团聚形成大颗粒氧化铝,在保证高去除率的同时,又能保持较低的粗糙度。然而目前关于纳米团粒氧化铝应用于碳化硅抛光液的报道还较少。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种纳米团粒氧化铝及其制备方法和抛光应用。
本发明的技术方案如下:
一种抛光用纳米团粒氧化铝的制备方法,包括如下步骤:
(1)将纳米氧化铝、减水剂、陶瓷结合剂和聚醚醚酮分散于水中,经超声搅拌混合均匀,得到混合料浆,再经喷雾造粒,制得复合磨料胚体;
(2)将复合磨料胚体与氯化钠混合均匀,再进行高温烧结;
(3)步骤(2)烧结后的混合物经水洗、干燥,制得纳米团粒氧化铝。
优选地,步骤(1)所述喷雾造粒采用喷雾干燥机的转速为30000±20000rpm,喷雾造粒的温度为300±100℃,时间6±3h。
优选地,步骤(2)所述复合磨料胚体与氯化钠的质量比为1:1-5:1;所述高温烧结温度为250-500℃,时间为1-5h。
优选地,步骤(2)所述复合磨料胚体与氯化钠的质量比为3:1;所述高温烧结温度为350℃,时间为3h。
优选地,按质量份计,步骤(1)混合料浆的配比为:纳米氧化铝微粉10-30%、聚醚醚酮10-30%、减水剂1-10%、陶瓷结合剂10-30%、水20-60%;所述减水剂为木质素磺酸钠,所述陶瓷结合剂为低温熔融玻璃粉。其中,氧化铝增多时,减水剂减少;陶瓷结合剂和聚醚醚酮量可调控团粒粒径。
优选地,步骤(1)混合料浆的配比为:纳米氧化铝微粉15-25%、聚醚醚酮15-25%、减水剂2-5%、陶瓷结合剂15-25%、水30-50%;所述纳米氧化铝的纯度≥99.9%,纳米氧化铝粒径为10-200nm,聚醚醚酮的粒径为10-200nm。
优选地,步骤(1)超声功率为800-1500W,时间为30±20min;步骤(3)干燥温度为120±30℃;干燥时间为5±3h。
一种纳米团粒氧化铝抛光液,以重量百分比计,包括如下组分:
纳米团粒氧化铝1-10%、表面活性剂0.05%-5%、氧化剂0.2-5%、酸性调节剂0.02%-2%、络合剂0.05%-5%,余量为水性介质;所述纳米团粒氧化铝的粒度为0.5-5um。
上述抛光液的制备方法,包括如下步骤:
(1)将表面活性剂、络合剂、氧化剂加入到水中,搅拌均匀并溶解,制成预混液;
(2)将酸性调节剂和团粒氧化铝粉加入水中搅拌均匀;边搅拌边将步骤(1)的预混液倒入上述混合液中,最后再将pH值调节至2-4,即得纳米团粒氧化铝抛光液。
所述表面活性剂是十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸酸、烷基酚聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基氯化铵中的一种或多种。
所述氧化剂是高锰酸钾、高铁酸钾、重铬酸钾、过硫酸钠、过氧化氢、铬酐、硝酸铁中的一种或多种。
所述酸性调节剂是柠檬酸、甲酸、乙酸、乙二酸、硝酸、盐酸、硫酸、甘氨酸、磷酸中的一种或多种。
所述络合剂是柠檬酸三铵、乙二胺四乙酸及其盐类、羟基乙叉二膦酸及其盐类、抗坏血酸、乙二酸中的一种或多种。
所述的纳米团粒氧化铝抛光液应用于碳化硅晶圆片抛光。
本发明的原理:通过喷雾造粒制备纳米团粒氧化铝,在抛光过程中,团粒氧化铝由于是球形,不容易造成划痕,且抛光过程会剥落原有小粒径的纳米氧化铝进行粗糙度修复,本身大颗粒起到物理切削作用,所以在保证较高去除率的同时,还能有较好的粗糙度。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明在氧化铝复合磨料胚体中添加了氯化钠,氯化钠具有耐高温作用,同时又不与氧化铝复合磨料胚体发生化学反应,在复合磨料胚体烧结增加强度时起到分隔的作用,避免了复合磨料胚体在烧结过程中颗粒与颗粒之间的粘结。
(2)本发明用纳米团粒氧化铝作为磨料,通过小粒径喷雾造粒合成大颗粒,相较于传统α-氧化铝,在保持高硬度,高切削力的同时,原晶粒径小,形貌为球形,能够同时保证更好的粗糙度。
(3)本发明通过强氧化剂破坏碳化硅之间的化学键,使得碳化硅表面更容易氧化形成疏松氧化层,被氧化铝磨削剥落,从而提高了去除率。
附图说明
图1为实施例1中纳米团粒氧化铝的SEM形貌图。
图2为实施例2中纳米团粒氧化铝的SEM形貌的局部放大图。
图3为实施例2中纳米团粒氧化铝的SEM形貌图。
图4为实施例1中抛光后碳化硅晶圆片表面粗糙度AFM图,粗糙度为0.1143nm。
图5为对比例1中普通α-纳米氧化铝的SEM形貌图。
图6为实施例5中纳米团粒氧化铝的SEM形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述,但本发明的实施方式不限于此,对于未特别注明的工艺参数,可参照常规技术进行。
本次实验所采用的纳米氧化铝为宣城晶瑞新材料有限公司的VK-AL03;普通α-纳米氧化铝为大连国贸代理的C500;陶瓷结合剂为佛山晶谷材料科技有限公司的低温熔融玻璃粉;其他试剂均为西陇市售产品。
实施例1
纳米团粒氧化铝的制备:
①将250g10nm纳米氧化铝、20g木质素磺酸钠、200g低温熔融玻璃粉和200g10nm聚醚醚酮分散于330g水中,经超声30min搅拌混合均匀,制得混合料浆;
②将步骤①制得的混合料浆,通过喷雾干燥机进行喷雾造粒,温度300℃,转速30000转,时间6h,制得复合磨料胚体;
③将步骤②制得的复合磨料胚体与氯化钠按质量比3:1混合均匀,再置于马弗炉中350℃干燥3h,制得复合磨料与氯化钠混合物;
④将步骤③制得的复合磨料与氯化钠混合物置于水中,氯化钠溶解于水中,再将复合磨料漂洗、120℃烘干5h,制得混合粒度的复合磨料;
⑤将步骤④制得的混合粒度的复合磨料用筛网进行筛分,得到粒径2-3um纳米团粒氧化铝。
纳米团粒氧化铝抛光液的制备:
(1)分别将5g十六烷基三甲基氯化铵、5g乙二酸、50g高锰酸钾加入到440g水中,搅拌均匀并溶解,制成预混液;
(2)将5g硝酸和100g纳米团粒氧化铝加入395g水中搅拌均匀;
(3)边搅拌边将步骤(1)的预混液倒入步骤(2)的混合液中,最后再将pH值调节到3即得用于碳化硅晶圆片的抛光液。
实施例2
纳米团粒氧化铝的制备:
①将200g20nm纳米氧化铝、30g木质素磺酸钠、150g低温熔融玻璃粉和200g20nm聚醚醚酮分散于420g水中,经超声30min搅拌混合均匀,制得混合料浆;
②将步骤①制得的混合料浆,通过喷雾干燥机进行喷雾造粒,温度300℃,转速30000转,时间6h,制得复合磨料胚体;
③将步骤②制得的复合磨料胚体与氯化钠按质量比3:1混合均匀,再置于马弗炉中350℃干燥3h,制得复合磨料与氯化钠混合物;
④将步骤③制得的复合磨料与氯化钠混合物置于水中,氯化钠溶解于水中,再将复合磨料漂洗、120℃烘干5h,制得混合粒度的复合磨料;
⑤将步骤④制得的混合粒度的复合磨料用筛网进行筛分,得到粒径3-4um纳米团粒氧化铝。
纳米团粒氧化铝抛光液的制备:
(1)分别将10g十二烷基苯磺酸、10g抗坏血酸酸、40g过氧化氢和5g硝酸铁加入到435g水中,搅拌均匀并溶解,制成预混液;
(2)将10g硝酸和90g纳米团粒氧化铝加入400g水中搅拌均匀;
(3)边搅拌边将步骤(1)的预混液倒入步骤(2)的混合液中,最后再将pH值调节到3即得用于碳化硅晶圆片的抛光液。
实施例3
纳米团粒氧化铝的制备:
①将150g 10nm纳米氧化铝、50g木质素磺酸钠、150g低温熔融玻璃粉和200g聚醚醚酮分散于450g水中,经超声30min搅拌混合均匀,制得混合料浆;
②将步骤①制得的混合料浆,通过喷雾干燥机进行喷雾造粒,温度300℃,转速30000转,时间6h,制得复合磨料胚体;
③将步骤②制得的复合磨料胚体与氯化钠按质量比3:1混合均匀,再置于马弗炉中350℃干燥3h,制得复合磨料与氯化钠混合物;
④将步骤③制得的复合磨料与氯化钠混合物置于水中,氯化钠溶解于水中,再将复合磨料漂洗、120℃烘干5h,制得混合粒度的复合磨料;
⑤将步骤④制得的混合粒度的复合磨料用筛网进行筛分,得到粒径0.5-1um纳米团粒氧化铝。
纳米团粒氧化铝抛光液的制备:
(1)分别将1g十二烷基硫酸钠、9g柠檬酸三铵、10g高铁酸钾以加入到480g水中,搅拌均匀并溶解,制成预混液;
(2)将20g磷酸和80g纳米团粒氧化铝加入400g水中搅拌均匀;
(3)边搅拌边将步骤(1)的预混液倒入步骤(2)的混合液中,最后再将pH值调节到2即得用于碳化硅晶圆片的抛光液。
实施例4
纳米团粒氧化铝的制备:
①将180g 20nm纳米氧化铝、50g木质素磺酸钠、180g低温熔融玻璃粉和180g聚醚醚酮分散于410g水中,经超声30min搅拌混合均匀,制得混合料浆;
②将步骤①制得的混合料浆,通过喷雾干燥机进行喷雾造粒,温度300℃,转速30000转,时间6h,制得复合磨料胚体;
③将步骤②制得的复合磨料胚体与氯化钠按质量比3:1混合均匀,再置于马弗炉中350℃干燥3h,制得复合磨料与氯化钠混合物;
④将步骤③制得的复合磨料与氯化钠混合物置于水中,氯化钠溶解于水中,再将复合磨料漂洗、120℃烘干5h,制得混合粒度的复合磨料;
⑤将步骤④制得的混合粒度的复合磨料用筛网进行筛分,得到粒径1-2um纳米团粒氧化铝。
纳米团粒氧化铝抛光液的制备:
(1)分别将1g十六烷基三甲基氯化铵、1g乙二酸、8g高锰酸钾加入到490g水中,搅拌均匀并溶解,制成预混液;
(2)将5g盐酸和75g纳米团粒氧化铝加入420g水中搅拌均匀;
(3)边搅拌边将步骤(1)的预混液倒入步骤(2)的混合液中,最后再将pH值调节到4即得用于碳化硅晶圆片的抛光液。
实施例5
纳米团粒氧化铝的制备:
①将250g 50nm纳米氧化铝、20g木质素磺酸钠、200g低温熔融玻璃粉和200g聚醚醚酮分散于330g水中,经超声30min搅拌混合均匀,制得混合料浆;
②将步骤①制得的混合料浆,通过喷雾干燥机进行喷雾造粒,温度300℃,转速30000转,时间6h,制得复合磨料胚体;
③将步骤②制得的复合磨料胚体与氯化钠按质量比3:1混合均匀,再置于马弗炉中350℃干燥3h,制得复合磨料与氯化钠混合物;
④将步骤③制得的复合磨料与氯化钠混合物置于水中,氯化钠溶解于水中,再将复合磨料漂洗、120℃烘干5h,制得混合粒度的复合磨料;
⑤将步骤④制得的混合粒度的复合磨料用筛网进行筛分,得到粒径4-5um纳米团粒氧化铝。
纳米团粒氧化铝抛光液的制备:
(1)分别将3g烷基酚聚氧乙烯醚、2g乙二胺四乙酸四钠、35g重铬酸钾加入到460g水中,搅拌均匀并溶解,制成预混液;
(2)将10g硫酸和70g纳米团粒氧化铝加入420g水中搅拌均匀;
(3)边搅拌边将步骤(1)的预混液倒入步骤(2)的混合液中,最后再将pH值调节到3即得用于碳化硅晶圆片的抛光液。
对比例1
本发明与实施例1的不同之处在于:(使用普通α-纳米氧化铝)
(1)分别将5g十六烷基三甲基氯化铵、5g乙二酸、50g高锰酸钾以加入到440g水中,搅拌均匀并溶解,制成预混液;
(2)将5g硝酸和100g普通α-纳米氧化铝加入395g水中搅拌均匀;
(3)边搅拌边将步骤(1)的预混液倒入步骤(2)的混合液中,最后再将pH值调节到3即得用于碳化硅晶圆片的抛光液。
对比例2
本发明与实施例1的不同之处在于:(未使用氧化剂)
①将250g纳米氧化铝、20g木质素磺酸钠、200g陶瓷结合剂和200g聚醚醚酮分散于330g水中,经超声30min搅拌混合均匀,制得混合料浆;
②将步骤①制得的混合料浆,通过喷雾干燥机进行喷雾造粒,温度300℃,转速30000转,时间6h,制得复合磨料胚体;
③将步骤②制得的复合磨料胚体与氯化钠按质量比3:1混合均匀,再置于马弗炉中350℃干燥3h,制得复合磨料与氯化钠混合物;
④将步骤③制得的复合磨料与氯化钠混合物置于水中,氯化钠溶解于水中,再将复合磨料漂洗、120℃烘干5h,制得混合粒度的复合磨料;
⑤将步骤④制得的混合粒度的复合磨料用筛网进行筛分,制得2-3um纳米团粒氧化铝。
纳米团粒氧化铝抛光液的制备:
(1)分别将5g十六烷基三甲基氯化铵、5g乙二酸以加入到490g水中,搅拌均匀并溶解,制成预混液;
(2)将5g硝酸和100g纳米团粒氧化铝加入395g水中搅拌均匀;
(3)边搅拌边将步骤(1)的预混液倒入步骤(2)的混合液中,最后再将pH值调节到3即得用于碳化硅晶圆片的抛光液。
将以上实施例及对比例配制成抛光液,对碳化硅晶圆片进行抛光,抛光条件相同,抛光参数如下:使用创技36DAW抛光机,杜邦SUBA800抛光垫,向下压力4psi,转盘转速/抛光头转速=93/108rpm,抛光时间600s,化学机械抛浆料流速100mL/min。
表1
序号 去除率(nm/min) 粗糙度(nm) 划痕
实施例1 178 0.1143
实施例2 137 0.1525
实施例3 103 0.0612
实施例4 106 0.0725
实施例5 194 0.1798
对比例1 71 0.5624 少量
对比例2 64 0.2487
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抛光用纳米团粒氧化铝的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将纳米氧化铝、减水剂、陶瓷结合剂和聚醚醚酮分散于水中,经超声搅拌混合均匀,得到混合料浆,再经喷雾造粒,制得复合磨料胚体;
(2)将复合磨料胚体与氯化钠混合均匀,再进行高温烧结;
(3)步骤(2)烧结后的混合物经水洗、干燥,制得纳米团粒氧化铝。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述喷雾造粒采用喷雾干燥机的转速为30000±20000rpm,喷雾造粒的温度为300±100℃,时间6±3h。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述复合磨料胚体与氯化钠的质量比为1:1-5:1;所述高温烧结温度为250-500℃,时间为1-5h。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,按质量份计,步骤(1)混合料浆的配比为:纳米氧化铝微粉10-30%、聚醚醚酮10-30%、减水剂1-10%、陶瓷结合剂10-30%、水20-60%;所述减水剂为木质素磺酸钠,所述陶瓷结合剂为低温熔融玻璃粉。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)混合料浆的配比为:纳米氧化铝微粉15-25%、聚醚醚酮15-25%、减水剂2-5%、陶瓷结合剂15-25%、水30-50%;纳米氧化铝粒径为10-200nm,聚醚醚酮的粒径为10-200nm;
步骤(2)所述复合磨料胚体与氯化钠的质量比为3:1;所述高温烧结温度为350℃,时间为3h。
6.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)超声功率为800-1500W,时间为30±20min;步骤(3)干燥温度为120±30℃;干燥时间为5±3h。
7.权利要求1~6任意一项所述方法制得的纳米团粒氧化铝。
8.一种纳米团粒氧化铝抛光液,其特征在于,以重量百分比计,包括如下组分:
权利要求7的纳米团粒氧化铝1-10%、表面活性剂0.05%-5%、氧化剂0.2-5%、酸性调节剂0.02%-2%、络合剂0.05%-5%,余量为水性介质;所述纳米团粒氧化铝的粒度为0.5-5um。
9.根据权利要求8所述的纳米团粒氧化铝抛光液,其特征在于,抛光液的制备方法包括如下步骤:
(1)将表面活性剂、络合剂、氧化剂加入到水中,搅拌均匀并溶解,制成预混液;
(2)将酸性调节剂和团粒氧化铝粉加入水中搅拌均匀;边搅拌边将步骤(1)的预混液倒入上述混合液中,最后再将pH值调节至2-4,即得纳米团粒氧化铝抛光液;
所述表面活性剂是十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸酸及其钠盐、烷基酚聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基氯化铵中的一种或多种;
所述氧化剂是高锰酸钾、高铁酸钾、重铬酸钾、过硫酸钠、过氧化氢、铬酐、硝酸铁中的一种或多种;
所述酸性调节剂是柠檬酸、甲酸、乙酸、乙二酸、硝酸、盐酸、硫酸、甘氨酸、磷酸中的一种或多种;
所述络合剂是柠檬酸三铵、乙二胺四乙酸及其盐类、羟基乙叉二膦酸及其盐类、抗坏血酸、乙二酸中的一种或多种。
10.权利要求7或8或9所述的纳米团粒氧化铝抛光液应用于碳化硅晶圆片抛光。
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