RU2635132C1

RU2635132C1 - Polishing slurry for sapphire substrates

Info

Publication number: RU2635132C1
Application number: RU2017105610A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Максютин; Николай Александрович Зотов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "Компас" (ООО "НТЦ "Компас")
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2017-11-09

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: slurry contains, wt %: colloidal silica stabilized with sodium oxide with a particle size of 75-80 nm in terms of silica - 39-40; sodium chloride - 1.2-1.4; calcined soda - 1.6-1.8 and water - up to 100.

EFFECT: increased use time for the polishing slurry, high removal rate and low surface roughness.

1 tbl

Description

Изобретение относится к полировальным суспензиям и может быть использовано в оптической, светодиодной и электронной промышленности для полирования поверхности сапфировых подложек.The invention relates to polishing suspensions and can be used in the optical, LED and electronic industries for polishing the surface of sapphire substrates.

Химико-механическая полировка сапфировых подложек для обеспечения плоскостности и ультрагладкой поверхности производится с использованием коллоидных суспензий на основе диоксида кремния (кремнезема).Chemical-mechanical polishing of sapphire substrates to ensure flatness and an ultra-smooth surface is carried out using colloidal suspensions based on silicon dioxide (silica).

Известна суспензия для полирования сапфировых подложек, состоящая из двух видов абразивных материалов (US 8721917, B24B 1/00 B24B 7/20, C09K 3/14, 2014). Первый тип абразивного материала с твердостью выше твердости полируемой поверхности - карбид кремния, второй абразивный материал с твердостью меньше твердости полируемой поверхности - диоксид кремния.A known suspension for polishing sapphire substrates, consisting of two types of abrasive materials (US 8721917, B24B 1/00 B24B 7/20, C09K 3/14, 2014). The first type of abrasive material with a hardness higher than the hardness of the polished surface is silicon carbide, the second abrasive material with a hardness less than the hardness of the polished surface is silicon dioxide.

Недостатком этой полировальной суспензии является наличие абразивного материала с твердостью, превышающей твердость сапфира, который оставляет царапины и делает невозможным получение необходимой шероховатости сапфировых подложек.The disadvantage of this polishing suspension is the presence of an abrasive material with a hardness exceeding that of sapphire, which leaves scratches and makes it impossible to obtain the necessary roughness of sapphire substrates.

Известна суспензия для полирования сапфировых подложек, состоящая из двух видов абразивных материалов с общим содержанием твердых веществ - 30-40 мас. % (CN 104356950, C09G 1/02, 2015). Суспензия содержит 20-30 мас. % коллоидной двуокиси кремния с размером частиц 80-100 нм и 10-20 мас. % окиси алюминия с размером частиц 80-200 нм. Скорость съема составляет 8-9 мкм/час.Known suspension for polishing sapphire substrates, consisting of two types of abrasive materials with a total solids content of 30-40 wt. % (CN 104356950, C09G 1/02, 2015). The suspension contains 20-30 wt. % colloidal silicon dioxide with a particle size of 80-100 nm and 10-20 wt. % alumina with a particle size of 80-200 nm. The removal rate is 8-9 microns / hour.

Недостатком суспензии является невысокое качество полируемой поверхности, она может использоваться только на стадии предварительного полирования.The disadvantage of the suspension is the low quality of the polished surface, it can be used only at the stage of preliminary polishing.

Известна суспензия для полирования сапфировых подложек, которая кроме кремнезоля с размером частиц 60 нм, дополнительно содержит абразив из группы: Fe₂O₃, Fe₃O₄, MgO, BaCO₃, CaCO₃, MnO₂, GeO, Cr₂O₃ и т.д. с размерами частиц от 0,5 до 5 мкм (CA 2039998, B24B 37/00, C09G 1/02, 1992).A known suspension for polishing sapphire substrates, which in addition to silica with a particle size of 60 nm, further comprises an abrasive from the group: Fe ₂ O ₃ , Fe ₃ O ₄ , MgO, BaCO ₃ , CaCO ₃ , MnO ₂ , GeO, Cr ₂ O ₃ and etc. with particle sizes from 0.5 to 5 μm (CA 2039998, B24B 37/00, C09G 1/02, 1992).

Недостатком этой полировальной суспензии является грубая полировка сапфировой подложки и ее загрязнение примесями других металлов, что требует дополнительной очистки поверхности сапфировой подложки.The disadvantage of this polishing suspension is a rough polishing of the sapphire substrate and its contamination with impurities of other metals, which requires additional cleaning of the surface of the sapphire substrate.

Известна суспензия для полирования сапфировых подложек, состоящая из частиц кремнезоля разного размера (US 20150053642, C09G 1/02, 2015). Первая группа частиц имеет размеры от 2 до 25 нм, вторая группа частиц - от 75 до 200 нм. pH суспензии находится в пределах 9,3-10,9.A known suspension for polishing sapphire substrates, consisting of particles of silica sol of different sizes (US 20150053642, C09G 1/02, 2015). The first group of particles has sizes from 2 to 25 nm, the second group of particles from 75 to 200 nm. The pH of the suspension is in the range of 9.3-10.9.

Недостатком этой суспензии является невысокая скорость съема от 1 до 2 мкм/час.The disadvantage of this suspension is the low removal rate from 1 to 2 microns / hour.

Аналогична суспензия для полирования сапфировых подложек, также состоящая из двух групп частиц диоксида кремния (CN 103897605, C09G 1/02, 2014). Первая группа с размером частиц от 20 до 40 нм, вторая с размером частиц 60-100 нм.A similar suspension for polishing sapphire substrates, also consisting of two groups of particles of silicon dioxide (CN 103897605, C09G 1/02, 2014). The first group with a particle size of 20 to 40 nm, the second with a particle size of 60-100 nm.

Недостатком такой суспензии является невысокая скорость съема.The disadvantage of this suspension is the low removal rate.

Известна суспензия, состоящая из коллоидных частиц кремнезоля с размером частиц от 10 до 100 нм и концентрацией от 35 до 50% (JP 2008044078, B24B 37/00, 2008).A known suspension consisting of colloidal particles of silica with a particle size of from 10 to 100 nm and a concentration of from 35 to 50% (JP 2008044078, B24B 37/00, 2008).

Недостатком этой суспензии является низкая скорость съема, особенно с уменьшением размера частиц до 10 нм.The disadvantage of this suspension is the low removal rate, especially with a decrease in particle size to 10 nm.

Известна суспензия, состоящая из коллоидных частиц кремнезоля, средний размер которых 65-70 нм, причем отношение среднего диаметра 97% больших частиц к среднему диаметру 3% маленьких частиц находится в пределах 2 и более с концентрацией 30-40% (US 20160002500, B24B 37/04, C09G 1/02, 2016). pH суспензии находится в пределах от 5 до 11.A suspension is known consisting of colloidal silica particles, the average size of which is 65-70 nm, and the ratio of the average diameter of 97% of large particles to the average diameter of 3% of small particles is within 2 or more with a concentration of 30-40% (US 20160002500, B24B 37 / 04, C09G 1/02, 2016). The pH of the suspension is in the range of 5 to 11.

Недостатком этой суспензии является низкая скорость съема 1-1,4 мкм/час.The disadvantage of this suspension is the low removal rate of 1-1.4 microns / hour.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является суспензия на основе коллоидного кремнезема с размером частиц от 50 до 150 нм, стабилизированного оксидом натрия, pH от 10 до 11 и концентрацией 20-40 мас. % (US 20060196849, B24B 37/04, 2006). Суспензия содержит в своем составе соли Li, Na, Ca, Fe, Al как неорганических кислот HCl, HBr, HJ, H₂SO₄, HNO₃, так и органических кислот: аскорбиновой, оксолиновой, пиколиновой или их смесей. Суспензия содержит от 0,1 до 1,5 мас. % вышеуказанных солей.Closest to the proposed invention is a suspension based on colloidal silica with a particle size of from 50 to 150 nm, stabilized with sodium oxide, pH from 10 to 11 and a concentration of 20-40 wt. % (US 20060196849, B24B 37/04, 2006). The suspension contains Li, Na, Ca, Fe, Al salts of both inorganic acids HCl, HBr, HJ, H ₂ SO ₄ , HNO ₃ , and organic acids: ascorbic, oxolinic, picolinic or mixtures thereof. The suspension contains from 0.1 to 1.5 wt. % of the above salts.

Недостатком прототипа является ограниченное время работоспособности суспензии. За 4 часа работы скорость съема снижается с 3 мкм/час до 2 мкм/час, что связано с уменьшением pH суспензии с 10-11 до 9,6. Дальнейшее снижение pH приводит к резкому падению скорости съема.The disadvantage of the prototype is the limited availability of the suspension. After 4 hours of operation, the removal rate decreases from 3 μm / hour to 2 μm / hour, which is associated with a decrease in the pH of the suspension from 10-11 to 9.6. A further decrease in pH leads to a sharp drop in pick-up speed.

Задачей изобретения является увеличение времени работоспособности суспензии.The objective of the invention is to increase the working time of the suspension.

Поставленная задача достигается тем, что суспензия для полирования сапфировых подложек, содержащая стабилизированный оксидом натрия коллоидный кремнезем (SiO₂), хлористый натрий (NaCl) и воду, дополнительно содержит кальцинированную соду (Na₂CO₃).The problem is achieved in that the suspension for polishing sapphire substrates containing stabilized with sodium oxide colloidal silica (SiO ₂ ), sodium chloride (NaCl) and water, additionally contains soda ash (Na ₂ CO ₃ ).

Добавление Na₂CO₃ в состав полировальной суспензии за счет буферного эффекта позволяет поддерживать pH суспензии на высоком уровне длительное время и, тем самым, обеспечивать высокую скорость съема длительное время, т.е. увеличивается работоспособность суспензии.The addition of Na ₂ CO ₃ to the composition of the polishing slurry due to the buffering effect allows maintaining the pH of the slurry at a high level for a long time and, thus, ensuring a high removal rate for a long time, i.e. the performance of the suspension increases.

Краткая характеристика компонентов полировальной суспензии Brief description of the components of the polishing suspension

Коллоидный кремнезем, стабилизированный оксидом натрия (ТУ 2145-012-61801487-2016) - жидкость молочного цвета со следующими физико-механическими показателями:Colloidal silica stabilized with sodium oxide (TU 2145-012-61801487-2016) is a milky liquid with the following physical and mechanical properties:

pH, ед. pHpH units pH 10-10,210-10,2 концентрация диоксида кремния, мас. %the concentration of silicon dioxide, wt. % 39-4139-41 концентрация оксида натрия, мас. %the concentration of sodium oxide, wt. % 0,06-0,080.06-0.08 диаметр мицеллы, нмmicelle diameter, nm 75-8075-80 кинематическая вязкость при 20°C, сСтkinematic viscosity at 20 ° C, cSt 2,2-5,22.2-5.2 плотность, г/см³ density, g / cm ³ 1,284-1,3001,284-1,300

Хлористый натрий (NaCl) марки «ч» по ГОСТ 4233-77.Chloride of sodium (NaCl) brand "h" according to GOST 4233-77.

Кальцинированная сода (Na₂CO₃) марки А по ГОСТ 5100-85.Soda ash (Na ₂ CO ₃ ) grade A according to GOST 5100-85.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.

Пример 1Example 1

Полировальную суспензию готовили следующим образом. К коллоидному кремнезему с концентрацией 41 мас. % при перемешивании добавляли расчетное количество водных растворов NaCl (концентрация раствора 8 мас. %) и Na₂CO₃ (концентрация раствора 8 мас. %), перемешивали в течение 20 минут и водой доводили концентрацию по кремнезему до 39 мас. %. Получали полировальную суспензию следующего состава, мас. %:A polishing suspension was prepared as follows. To colloidal silica with a concentration of 41 wt. % with stirring, the calculated amount of aqueous solutions of NaCl (solution concentration 8 wt.%) and Na ₂ CO ₃ (solution concentration 8 wt.%) was added, stirred for 20 minutes and the concentration of silica was adjusted to 39 wt. % Received a polishing suspension of the following composition, wt. %:

коллоидный кремнезем (SiO₂)colloidal silica (SiO ₂ ) 3939 хлористый натрий (NaCl)sodium chloride (NaCl) 1,21,2 кальцинированная сода (Na₂CO₃)soda ash (Na ₂ CO ₃ ) 1,81.8 водаwater остальноеrest

Примеры 2-9 аналогичны примеру 1. Составы полировальных суспензий приведены в таблице.Examples 2-9 are similar to example 1. The compositions of polishing suspensions are shown in the table.

Аналогично готовили суспензию по прототипу, состав которой приведен в таблице.Similarly prepared a suspension of the prototype, the composition of which is given in the table.

Полученные суспензии испытывали при полировании сапфировых подложек при следующих условиях: продолжительность одного цикла полирования при давлении 0,31 кг/см² - 30 минут; скорость подачи суспензии - 4,5 л/ч; температура в зоне полирования - 40°C; температура чиллера полировальника - 25°С; температура суспензии - 18°C. Через каждые 4 цикла полирования определяли среднюю скорость съема, pH суспензии и проводили визуальный контроль поверхности подложки.The resulting suspensions were tested when polishing sapphire substrates under the following conditions: the duration of one cycle of polishing at a pressure of 0.31 kg / cm ² - 30 minutes; suspension feed rate - 4.5 l / h; temperature in the polishing zone - 40 ° C; polisher chiller temperature - 25 ° С; suspension temperature - 18 ° C. After every 4 polishing cycles, the average removal rate and pH of the suspension were determined and visual inspection of the surface of the substrate was performed.

Полученные результаты в сравнении с прототипом представлены в таблице.The results obtained in comparison with the prototype are presented in the table.

Анализ табличных данных показывает, что у прототипа уже после 8 цикла скорость съема снижается до 2 мкм/час и продолжает снижаться, а использование полировальной суспензии со скоростью съема менее 2 мкм/час экономически не целесообразно. Предлагаемая суспензия (примеры 1-3) по сравнению с прототипом имеет срок эксплуатации в два раза больше и обеспечивает низкую шероховатость подложки. При содержании компонентов в суспензии ниже и выше заявленной концентрации снижается скорость съема (примеры 4-8), а в примере 9 возникает дефект полируемой поверхности подложки.An analysis of the tabular data shows that, after the 8th cycle, the removal rate of the prototype decreases to 2 μm / hour and continues to decrease, and the use of a polishing suspension with a removal rate of less than 2 μm / hour is not economically feasible. The proposed suspension (examples 1-3) compared with the prototype has a life of two times longer and provides a low roughness of the substrate. When the content of the components in the suspension is lower and higher than the declared concentration, the removal rate decreases (examples 4-8), and in example 9, a defect in the polished surface of the substrate occurs.

Таким образом, работоспособность предлагаемой полировальной суспензии в два раза выше чем у прототипа, применение суспензии позволяет обеспечить плоскостность, высокую скорость удаления (съема) и низкую шероховатость поверхности сапфировых подложек.Thus, the performance of the proposed polishing suspension is two times higher than that of the prototype, the use of the suspension allows for flatness, high speed of removal (removal) and low surface roughness of sapphire substrates.

Claims

A polishing suspension for sapphire substrates containing stabilized with sodium oxide colloidal silica with a particle size of 75-80 nm, sodium chloride and water, characterized in that it further contains soda ash in the following ratio, wt. %:

colloidal silica in terms of SiO ₂ 39-40 sodium chloride 1.2-1.4 soda ash 1.6-1.8 water rest