CN1654585A - 核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物及其制备方法，属表面抛光加工技术领域。本发明的抛光液，包含研磨剂、氧化剂和水，其特征在于该抛光液组合物中所采用的研磨剂为核/壳型纳米复合粒子研磨剂，即以传统的研磨剂如超细氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化铈、氧化钛、氧化铁、金刚石、或氮化硅中的任一种为内核，以亲水性高分子链段化合物或含有极性有机官能团化合物为外壳的研磨剂。本发明的抛光液适用于存储器硬盘基片或铝磁盘的化学机械抛光，其优点是可以降低表面的粗糙度(Ra)、波纹度(Wa)，并有效减轻抛光加工对硬盘基片表面的机械损伤，从而显著消除划痕、凹坑等表面微观缺陷。

Description

核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物及其制备方法，该抛光液为化学机械抛光液，主要用于存储器硬盘基片的抛光加工工艺过程中，属表面抛光加工技术领域。

背景技术

近年来，随着存储器硬盘容量及存储器密度的快速上升，计算机磁头的飞行高度已降低到10纳米左右，预计下一代将降低到7-8纳米。随着磁头与磁盘间运行如此接近，对磁盘表面质量的要求也越来越高。如果硬盘表面粗糙度、波纹度过大，在高速运转的过程中，磁头就会与磁盘表面发生碰撞，损坏磁头或存储器硬盘表面上的磁介质，从而导致磁盘设备发生故障或读写信息的错误。另一方面，当存储器硬盘表面上存在数微米的微凸起时，也会发生磁头碰撞。此外，当硬盘表面存在凹坑时，就不能完整地写入信息，导致信息读出失败，就会发生错误。因此在形成磁介质之前，必须对磁盘基片进行抛光，使基片表面的粗糙度和波纹度降至最小，同时还必须完全去除微凸起、细小凹坑、划痕、抛光条痕等表面缺陷。

目前，普遍采用化学机械抛光技术对硬盘基片表面进行抛光，研磨剂是化学机械抛光液中的主要成分，目前使用的研磨剂均选自固体无机粒子如氧化铝、氧化锆、金刚石、氧化硅、氧化铈、氧化钛、氧化铁、氮化硅等，在硬盘基片抛光过程中，存在以下问题：首先是粒子的分散稳定性问题，由于粒子的粒径小，表面活性大，粒子间相互作用力强，已分散好的纳米粒子在存放过程中，会不可避免地发生不同程度的聚集，生成大粒子，进而发生沉淀，导致抛光液失效，同时大粒子的存在是抛光划痕产生的根源之一；另一方面，研磨粒子如纳米金刚石、三氧化二铝、氧化锆、氮化硅等，硬度均较大，抛光过程中对表面的损伤较严重，不仅造成表面粗糙度较大，还易出现抛光划痕、凹坑等表面缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种含有核/壳型纳米复合粒子研磨剂的抛光液组合物及其制备方法。本发明的另一目的是提供一种特用作为存储器硬盘基片抛光的抛光液组合物。

本发明的一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物，它包含研磨剂、氧化剂和水，其特征在于该抛光液组合物中所采用的研磨剂为核/壳型纳米复合粒子研磨剂，其内核为无机纳米粒子，外核为亲水性高分子链段化合物；无机纳米粒子为氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化铈、氧化钛、氧化铁、金刚石、或氮化硅中的任一种；外壳为含有亲水性高分子链段或含有极性有机官能团化合物，如聚氧乙烯、聚乙二醇、聚羧酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸或聚胺中的任一种；无机纳米粒子的含量为2-10％，其粒径为300-3000nm；氧化剂为硫酸、硝酸、双氧水、重铬酸或硝酸铁中的任一种，优选为双氧水，其用量为0.5-6％；水可采用纯净水、去离子水或蒸馏水中的任一种，优选为去离子水；上述物质组合成抛光液。

上述的抛光液的PH值为1-5，可用硫酸、硝酸或有机酸中的任一种作为酸性调节剂。

上述的抛光液组合物在特需情况下还可加入功能性助剂，如表面活性剂或分散剂，表面活性剂可用非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或阴离子表面活性剂中的任一种；分散剂可用聚丙烯酸、聚胺、聚羧酸、聚酯、或他们的衍生物，或六偏磷酸钠无机分散剂中的任一种。

上述的一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺程序：在机械搅拌条件下，先将事先准备好的核/壳型纳米磨粒加入到水中分散稀释，再进一步采用超声分散或球磨分散方式进行分散；在分散好的核/壳型纳米磨粒分散液中加入氧化剂，充分搅拌均匀后，适量加入PH调节剂至抛光液需要的PH值范围；根据需要还可添加表面活性剂或分散剂功能性助剂；表面活性剂或分散剂则需要在进行分散前先加入到分散介质水中；最终制成所需的一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物。

上述核/壳型纳米复合磨粒可以采用常规的纳米粒子表面改性和乳液聚合的方法得到。表面改性方法包括物理涂覆、化学涂覆。化学涂覆是利用表面改性剂如硅烷、钛酸酯、铝酸酯等偶联剂，高级脂肪酸、有机铵、水溶性高分子等中的官能团与无机粒子表面发生化学反应。具体来说，本发明中上述的纳米金刚石粒子表面含有大量的含氧功能团，纳米氧化物如氧化铝、二氧化硅等粒子表面含有多个羟基官能团。这些纳米粒子通过化学改性引入含双键的官能团，进而可和含双键的亲水性单体如丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮等进行常规的自由基聚合反应，在纳米颗粒表面进行生长接枝。由于支链组成的外壳亲水，可得到水中易分散的核/壳型纳米粒子。通过控制接枝高分子链段的大小可以调节核/壳型纳米粒子的亲水性、粒子大小、硬度等。

本发明的核/壳型纳米粒子的粒度为300-3000nm范围内，如果粒子太小，则抛光速度太慢，如果粒子太大，则分散稳定性下降，同时抛光后表面粗糙度较大。

本发明以无机粒子为内核，亲水性高分子链段为外壳的核/壳型纳米复合粒子，其用量为2-10％，若用量太低，抛光速度慢，若用量太高，机械作用过强，使表面平整度差。

氧化剂在抛光过程中提供化学作用，即对基片表面进行氧化，使基片表面脆化或变软而易于磨去。考虑到清洁和环保问题，可优选双氧水作为氧化剂。抛光液中氧化剂的用量为0.5-6％。如果氧化剂含量太低，化学作用太弱，抛光速度慢；如果氧化剂含量太高，则会导致腐蚀性增强，抛光后表面波纹度较大。

溶剂水必须是去离子水、蒸馏水或纯净水中的任一种，优选为去离子水，工业用水含有杂质及金属离子会影响到抛光液的稳定性。

抛光液的PH值最佳为1-5。如果抛光液PH值太低，则腐蚀性太强，抛光后表面波纹度大，如果抛光液PH值太高，则去除率低。PH调节剂一般在抛光液调制的最后加入，根据需要控制的PH值范围而确定其加入量，一般不应超过抛光液重量的10％。有时可采用PH缓冲剂控制抛光液的PH稳定性，PH缓冲液包括常规的缓冲组分物质如醋酸/醋酸钠，磷酸/磷酸钠等酸碱对。

抛光液组合物中，还可含有一般抛光液常用的功能性助剂，如表面活性剂、分散剂等。表面活性剂可以改善抛光液的流动性、润湿铺展性。分散剂可以进一步改善核/壳型纳米粒子研磨剂在介质中的分散稳定性。其总用量一般不应超过抛光液重量的10％。

本发明中采用的核/壳型纳米复合粒子研磨剂，由于其外壳亲水性好，该纳米复合粒子的水分散稳定性大大改善，粒子的聚集被有效阻止，并且由于高分子外壳硬度低，且有粘弹性，磨粒的硬度得到适度降低。同时其核/壳型结构降低了在加压、加速抛光条件下，抛光微区无机磨粒对工件表面的“硬冲击”，被代之以“弹性接触”，外壳起到了缓冲作用，从而改善了抛光划痕和表面损伤。随着抛光过程的进行，摩擦条件下产生的局部高温会使枝链分子发生断裂，即磨粒在抛光过程中发生摩擦化学反应，在摩擦过程中逐渐露出无机磨粒表面，抛光得以一种“柔性抛光”的渐进方式进行，从而改善抛光后表面的微观状况，降低粗糙度。

本发明的抛光液适用于抛光Ni-P镀敷的存储器硬盘基片或铝磁盘。根据需要也可用于其他金属材料、集成电路硅晶片、光学玻璃、晶体、陶瓷等材料的表面抛光。

具体实施方式

现将本发明的实施例叙述于后。

实施例一：将作为内核的α-Al₂O₃纳米粒子磨料用丙烯酰氯进行表面改性，随后放置于丙烯酸溶液中，在80℃温度下，发生乳液聚合反应，反应时间为12小时，其接枝率为10％，得到表面包覆聚丙烯酸的核/壳型α-Al₂O₃纳米粒子；α-Al₂O₃纳米粒子的用量为7wt％；α-Al₂O₃纳米粒子的平均粒径为2690nm；在机械搅拌条件下，将核/壳型α-Al₂O₃纳米粒子加入到去离子水中分散稀释，然后进一步进行超声分散；在分散好的分散液中，再加入氧化剂双氧水，其加入量为2wt％充分搅拌均匀后，用硫酸调节PH值至1.98，最终制备成所需的抛光液。

实施例二：本实施例的制备过程与实施例一基本相同，所不同的是，作为内核的α-Al₂O₃纳米粒子的平均粒径为1370nm；调节PH值至1.90，最终制备成所需的抛光液。

实施例三：本实施例的制备过程与实施例一基本相同，所不同的是，作为内核的α-Al₂O₃纳米粒子的平均粒径为350nm；调节PH值至1.96，最终制备成所需的抛光液。

实施例四：本实施例的制备过程与实施例一基本相同，所不同的是，作为内核的α-Al₂O₃纳米粒子的平均粒径为400nm；亲水性高分子链段化合物采用聚丙烯酰胺溶液；调节PH值至2.16，最终制备成所需的抛光液。

实施例五：本实施例的制备过程与实施例一基本相同，所不同的是，作为内核的α-Al₂O₃纳米粒子的平均粒径为1650nm；亲水性高分子链段化合物采用聚丙烯酰胺溶液；调节PH值至2.05，最终制备成所需的抛光液。

为了与常规使用的磨料α-Al₂O₃制成的抛光液作对比试验，特作出如下三个比较例。

对比例一：采用α-Al₂O₃磨料，其平均粒径为2627nm，用量为7wt％，将其分散于水中，加入氧化剂双氧水，其加入量为2wt％，调节PH值至2.0，配成抛光液。

对比例二：采用α-Al₂O₃磨料，其平均粒径为1600nm，用量为7wt％，将其分散于水中，加入氧化剂双氧水，其加入量为2wt％，调节PH值至1.95，配成抛光液。

对比例三：采用α-Al₂O₃磨料，其平均粒径为330nm，用量为7wt％，将其分散于水中，加入氧化剂双氧水，其加入量为2wt％，调节PH值至1.95，配成抛光液。

将以上各实施例1-5和比较例1-3的抛光液在下述各条件下对硬盘基片进行抛光试验。

抛光试验的抛光条件如下：

抛光机：双面抛光机；

抛光垫：厚度1.04mm，重量365g，密度为0.65g/m³，硬度80°，绒毛层厚度550μm；

工件：95mm/5mil镍磷敷镀的铝合金基片；

工件数：45片

抛光压力：70g/cm2；

下盘转速：25rpm；

抛光时间：3.5min；

抛光液流量：500ml/min.

抛光后，接着洗涤和干燥基片，然后测量基片的表面形貌特征，表面平均波纹度(Wa)、平均粗糙度(Ra)用Chap-man MP2000+表面形貌仪测试，其分辨率为0.3埃，测量波长分别为Ra 80μm及Wa 400μm。表面形貌用光学显微镜进行观察。铝合金基片敷镀镍磷层的厚度用XRF1020厚度测试系统进行测试。抛光前后镍磷层厚度差为去除量，去除量与时间的比例为去除率。各实施例和比较例抛光效果见下表1。

                  表1各实施例和比较例的抛光效果

	实施例一	实施例二	实施例三	实施例四	实施例五	比较例一	比较例二	比较例三
									去除率nm/min	450	321	260	282	347	500	398	325
Wa埃	14.6	11.2	7.3	7.1	10.4	18.6	13.7	10.9
									Ra埃	12.1	8.2	6.1	6.8	8.5	16.1	11.5	8.1
表面形貌	平整	平整	平整	平整	平整	有凹坑划痕多	有凹坑划痕多	有凹坑划痕多

由上述试验结果可见，采用本发明所述的含核/壳型氧化铝磨粒的抛光液，基片表面抛光后的平均波纹率(Wa)和平均粗糙度(Ra)均小于相应粒径的未改性的氧化铝抛光液抛光后的Wa和Ra；并且在显微镜下很少观察到凹坑、凸起、划痕、抛光条痕等微观缺陷。

Claims (4)

1.一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物，它包含研磨剂、氧化剂和水，其特征在于该抛光液组合物中所采用的研磨剂为核/壳型纳米复合粒子研磨剂，其内核为无机纳米粒子，外核为亲水性高分子链段化合物；无机纳米粒子为氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化铈、氧化钛、氧化铁、金刚石、或氮化硅中的任一种；外壳为含有亲水性高分子链段或含有极性有机官能团化合物，如聚氧乙烯、聚乙二醇、聚羧酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸或聚胺中的任一种；无机纳米粒子的含量为2-10％，其粒径为300-3000nm；氧化剂为硫酸、硝酸、双氧水、重铬酸或硝酸铁中的任一种，优选为双氧水，其用量为0.5-6％；水可采用纯净水、去离子水或蒸馏水中的任一种，优选为去离子水；上述物质组合成抛光液。

2.根据权利要求1所述的一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物，其特征在于所述的抛光液的PH值为1-5，可用硫酸、硝酸或有机酸中的任一种作为酸性调节剂。

3.根据权利要求1所述的一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物，其特征在于该抛光液组合物在特需情况下还可加入功能性助剂，如表面活性剂或分散剂，表面活性剂可用非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或阴离子表面活性剂中的任一种；分散剂可用聚丙烯酸、聚胺、聚羧酸、聚酯、或他们的衍生物，或六偏磷酸钠无机分散剂中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物的制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺程序：在机械搅拌条件下，先将事先准备好的核/壳型纳米磨粒加入到水中分散稀释，再进一步采用超声分散或球磨分散方式进行分散；在分散好的核/壳型纳米磨粒分散液中加入氧化剂，充分搅拌均匀后，适量加入PH调节剂至抛光液需要的PH值范围；根据需要还可添加表面活性剂或分散剂功能性助剂；表面活性剂或分散剂则需要在进行分散前先加入到分散介质水中；最终制成所需的一种核/壳型纳米粒子研磨剂抛光液组合物。