CN1789365A - 抛光磨料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抛光磨料，其包括纳米碳球、富勒烯粉末、钻石颗粒以及填充材料，该填充材料包括环氧树脂、硬化剂和分散剂等。本发明还提供上述抛光磨料的制造方法。本发明所提供的抛光磨料利用纳米碳球和富勒烯粉末的固态润滑性能，以增加抛光磨料的润滑作用，避免工件抛光时产生划痕。本发明所提供的抛光磨料广泛应用在玻璃制品、光学组件、陶瓷器件以及半导体芯片的抛光制程中，可达到亚纳米级表面粗糙度。

Description

抛光磨料及其制造方法
【技术领域】
本发明关于一种抛光制程，特别涉及抛光制程所使用的抛光磨料及其制造方法。
【背景技术】
目前，精密加工技术应用越来越广泛，而抛光制程是该技术中经常利用到的一个环节，占据重要地位，可广泛应用于计算机磁头、半导体芯片、光学玻璃器件及陶瓷制品等表面抛光，以获得高精度、低粗糙度的表面。
在许多抛光制程中，化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)应用最为普遍，相关技术发展也较为迅速。苏建修等人在《半导体技术》，2003，V28(10)，27-32，“超大规模集成电路制造中硅片化学机械抛光技术分析”一文中详细介绍了传统化学机械抛光系统结构及原理。请参阅图1，该系统主要包括一旋转夹持器1、承载抛光垫4的工作台2以及抛光浆料9的输送装置3。夹持器1包括转轴5及与其相连接的夹持头6，夹持头6用于夹持需抛光的工件7，使其处于夹持头6与抛光垫4之间，夹持头6面对工件7的表面具有一背膜8。化学机械抛光时，旋转夹持器1以一定压力使工件7压在旋转的抛光垫4上，而由亚微米或纳米磨粒及化学溶液组成的抛光浆料9在工件7与抛光垫4之间流动，并产生化学反应，工件7表面形成的化学反应物由磨粒机械作用去除，即在化学成膜及机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工。因而，要实现高效率、高质量抛光效果，必须使化学作用过程与机械作用过程进行良好匹配，然而影响化学作用及机械作用的因数众多，需考虑CMP系统中各种变量，如作用于工件的抛光压力，抛光垫与夹持器的相对速度，抛光区域温度，抛光液粘度、pH值，抛光垫材料，以及磨料尺寸、浓度及硬度等性能。
一般情况下，当磨料尺寸增加时，抛光速率增加，硅片表面划痕也增加，但磨料尺寸过小时，易凝聚成团，仍会增加硅片表面划痕；当磨料硬度增加时，抛光速率增加，也会增加硅片表面划痕，使表面抛光质量下降。因而，要获得较好表面抛光质量，减少划痕，应选择合适的磨料尺寸及硬度，或者利用其它性能来消除这些不足。
2002年1月8日公告的美国第6,337,281号专利揭露一种固定式研磨垫。请参阅图2，该研磨垫6包括具有一前端表面9的支撑层8以及粘接在前端表面9上的研磨抛光层10。研磨抛光层10具备立体、固定式结构，包括大量磨料12，其可为切去顶端的金子塔，并具有大量凸起16、凸起16间的凹陷14，凸起16包含分散在粘接层中的大量粒子18。凸起16顶端22与半导体组件表面相接触，成为该研磨垫6的抛光面。粒子18平均粒径乘以粒子最小摩擦数小于300。粒子18为烧结陶瓷颗粒，平均粒径在0.1～0.4微米范围内，其中至少50wt％陶瓷颗粒为氧化铝、二氧化硅、二氧化铈或其组合。该粒子18分散在粘接层中，能消除粒子18的团聚现象，惟其粒径较大，将给工件表面造成较大划痕。另外，该烧结陶瓷粒子存在抗磨损性能低等不足的处。
2001年7月25日公开的中国第00133674.6号专利申请揭露一种纳米级抛光液及其制备方法。该纳米级抛光液由纳米级金刚石粉、非离子型分散稳定剂、抗静电剂、净洗剂以及C9以下轻质白油或石脑油组成，其制备方法为将纳米金刚石机械研磨成粉体，烘干；加入分散稳定剂，加热混合使粉体润湿；加入白油或石脑油、抗静电剂、净洗剂以及适量pH值调节剂，并不断搅拌，将混合物分散成悬浮液。其中，纳米级金刚石粉颗粒直径为3～18nm。利用该纳米级抛光液所抛光的产品表面抛光质量可提高到亚纳米量级，产品表面粗糙度为0.1～0.3nm。但是，该纳米级金刚石粉硬度很高，容易对产品表面造成划痕。
有鉴于此，提供一种具有自身润滑作用，并能避免工件抛光时产生划痕的抛光磨料实为必要。
【发明内容】
为克服现有技术中抛光磨料存在固态润滑性能较低，对工件表面容易产生划痕等问题，本发明第一目的在于提供一种自身具有润滑作用，并能避免工件抛光时产生划痕的抛光磨料。
本发明的第二目的在于提供上述抛光磨料的制造方法。
为实现上述第一目的，本发明提供一种抛光磨料，其包括纳米碳球、富勒烯粉末、钻石颗粒以及填充材料。
其中，所述填充材料包括环氧树脂、硬化剂和分散剂。
所述纳米碳球、富勒烯和钻石颗粒质量配比范围为1∶1∶1～2∶4∶1。
所述纳米碳球、富勒烯和钻石颗粒处于均匀隔离分散状态。
所述富勒烯包括其家族Cn中一种或多种组合，优选为C50、C60、C70、C80或其组合。
所述抛光磨料粒径为10纳米～200纳米。
为实现上述第二目的，本发明提供上述抛光磨料的制造方法，其包括以下步骤：
制备纳米碳球和富勒烯粉末；
将纳米碳球、富勒烯粉末和钻石颗粒混合在填充材料；
形成抛光磨料。
其中，所述纳米碳球和富勒烯粉末采用电弧放电法制得。
所述抛光磨料采用机械球磨法、物理粉碎法或喷雾热解法形成。
与现有技术中的抛光磨料相比，本发明提供的抛光磨料包括有纳米碳球和富勒烯粉末，利用其自身固态润滑性能，增加抛光磨料的润滑作用，且纳米碳球和富勒烯粉末为球状纳米颗粒，可避免工件抛光时产生划痕。
【附图说明】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是传统化学机械抛光系统结构示意图。
图2是现有技术的研磨垫结构示意图。
图3是本发明的抛光磨料结构放大示意图。
图4是具有本发明的抛光磨料的抛光系统结构示意图。
图5是具有本发明的抛光磨料的抛光面板结构示意图。
图6是本发明的抛光磨料制造方法流程图。
【具体实施方式】
请参阅图3，为本发明的抛光磨料20结构放大示意图。抛光磨料20包括纳米碳球201、富勒烯202以及钻石颗粒203，并且其间混有填充材料204，其包括环氧树脂、硬化剂和分散剂等。其中，抛光磨料20可为球状颗粒，也可为其它规则或不规则形状颗粒，本发明采用球状颗粒。另外，纳米碳球201、富勒烯202和钻石颗粒203质量配比范围为1∶1∶1～2∶4∶1，三者相互均匀隔离分散在环氧树脂、硬化剂和分散剂等填充材料204中，且环氧树脂、硬化剂和分散剂的填充量以能使纳米碳球201、富勒烯202及钻石颗粒203三者粘合、硬化及分散即可。纳米碳球201为一种由多层石墨层以球中球结构所组成的多面体碳簇，其直径为介于3～100nm之间，外层具有与多层纳米碳管相同的石墨层结构。富勒烯202家族分子可表示为Cn，如C20、C40、C60、C70、C80、C120等。其中，C60具有密闭笼状结构，性能最为稳定，本身耐磨损、润滑性好，可同时满足抗磨损及润滑的需求。而C80、C70则可视为C60结构的横向伸展，因而本发明的富勒烯以C50、C60、C70、C80为佳，还可采用它们相互各种形式的组合。
本发明的抛光磨料使用时，通常负载在一基板上形成抛光面板，然后将该抛光面板用在抛光系统中。请参阅图4，为具有本发明的抛光磨料的抛光系统结构示意图。抛光系统10包括一可旋转升降压盘11；一紧贴压盘11底面的抛光面板12；一运转研磨盘13，其上形成有至少一用于固持工件15的抛光垫14，该工件15位于抛光面板12与抛光垫14之间；一去离子水线16及一抛光浆料线17；一控制装置18，用于控制去离子水线16与抛光浆料线17的流量和流速，同时还可控制压盘11的转速、升降及施加在抛光面板12上的压力等。运转研磨盘13上可预设多个用于固持工件15的抛光垫14，通过运转研磨盘13的运转，能连续抛光多个工件15。抛光垫14的材质可选自聚胺基甲酸酯、聚亚安酯等。抛光浆料可采用纳米碳球、富勒烯和纳米氧化物的混合物，纳米氧化物选自纳米级CeO2、Al2O3、SiO2或其组合，优选为纳米CeO2。该抛光浆料在整个抛光制程中起化学作用，抛光浆料采用纳米级混合物，可促进其对工件15的化学作用。
请参见图5，抛光面板12包括一金属基板19以及形成在基板19表面的抛光磨料20。其中，抛光磨料20均匀分布在基板19上与抛光垫14相对的表面，还可按环向均匀分布在基板19表面(如图中虚线所示)。抛光磨料20粒径在10纳米～200纳米范围内。
请参阅图6，为本发明的抛光磨料的制造方法流程图，其包括以下步骤：
(1)制备纳米碳球和富勒烯粉末。采用电弧放电法制备纳米碳球和富勒烯，通常以石墨棒为碳源，在惰性气体氛围下，用脉冲电流施加电压在阴极与阳极之间，藉以产生电弧放电反应，收集石墨阴极的沉积物，可获得纳米碳球和富勒烯，其中，纳米碳球粒径介于3～100nm之间，而富勒烯分子分散在纳米碳球中。
(2)将纳米碳球、富勒烯粉末及钻石颗粒混合在填充材料中。取经步骤(1)制备的纳米碳球和富勒烯粉末，往其中先均匀混合钻石，使三者质量配比介于1∶1∶1～2∶4∶1之间；然后将其与填充材料相混合，该填充材料包括环氧树脂、硬化剂和分散剂等，其可使纳米碳球、富勒烯与钻石混合后处于相互隔离分散状态，还可采用超声波震荡方法增加其分散效果。
(3)形成抛光磨料。将上述混合物制成纳米级颗粒，该颗粒可为球状颗粒，也可为其它规则或不规则形状颗粒，可采用机械球磨法、物理粉碎法或喷雾热解法等形成。
通过上述步骤，即可获得纳米级抛光磨料。
在该抛光系统10中，由于控制装置18可控制抛光面板12作用在工件15上的抛光压力，其对抛光速率和抛光表面质量影响较大。因而，通过控制抛光面板12的作用压力，可调节对工件15的抛光速率，以获得较佳表面质量。同时控制装置18还可控制抛光面板12的转速，调节抛光面板12与运转研磨盘13的相对速度。同等条件下，该相对速度增加，会引起抛光速率增加，对工件15表面的机械作用也会增大。因而，通过控制压盘11的转速，可调节工件15表面抛光粗糙度。
本发明的抛光磨料20在抛光系统10中起机械作用，利用纳米级的纳米碳球和富勒烯粉末的固态润滑性能，提高抛光磨料的润滑作用，避免工件15抛光时产生划痕。再利用钻石颗粒来增加抛光磨料20的切削强度，以增加抛光材料去除率，而且钻石颗粒粒径小，使工件15切削深度减小。另外，通过控制装置18对抛光面板12的作用压力、转速的控制，可调节抛光过程中抛光磨料20的机械作用，从而获得较佳抛光效果，提高工件表面15抛光质量，最终可获得亚纳米级超光滑表面。如对玻璃制品抛光时，其表面粗糙度R可达0.1～0.8nm。

Claims (10)

1.一种抛光磨料，包括填充材料和混合其中的钻石颗粒，其特征在于：所述抛光磨料还包括混合在所述填充材料中的纳米碳球和富勒烯粉末。
2.如权利要求1所述的抛光磨料，其特征在于：所述填充材料包括环氧树脂、硬化剂和分散剂。
3.如权利要求1所述的抛光磨料，其特征在于：所述纳米碳球、富勒烯和钻石颗粒质量配比范围为1∶1∶1～2∶4∶1。
4.如权利要求1所述的抛光磨料，其特征在于：所述纳米碳球、富勒烯和钻石颗粒处于均匀隔离分散状态。
5.如权利要求1所述的抛光磨料，其特征在于：所述富勒烯选自富勒烯家族Cn中一种或多种组合。
6.如权利要求5所述的抛光磨料，其特征在于：所述富勒烯选自C50、C60、C70、C80或其组合。
7.如权利要求1至6任一项所述的抛光磨料，其特征在于：所述抛光磨料粒径为10纳米～200纳米。
8.一种抛光磨料的制造方法，其包括以下步骤：
制备纳米碳球和富勒烯粉末；
将纳米碳球、富勒烯粉末及钻石颗粒混合在填充材料中；
形成抛光磨料。
9.如权利要求8所述的抛光磨料的制造方法，其特征在于：所述纳米碳球和富勒烯粉末采用电弧放电法制得。
10.如权利要求8所述的抛光磨料的制造方法，其特征在于：所述抛光磨料采用机械球磨法、物理粉碎法或喷雾热解法形成。
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