專利名稱：一種鋁摻雜氧化鈰拋光粉及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可應(yīng)用于微電子器件和精密光學(xué)玻璃表面精密加工中的鋁摻雜
氧化鈰拋光粉及其制備方法，屬稀土拋光材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
信息和光電子領(lǐng)域的高速發(fā)展促進(jìn)了化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)的不斷更新。除了 設(shè)備和材料外，超高精度表面的獲取更有賴于高效研磨粒子的設(shè)計(jì)與工業(yè)化生產(chǎn)，以及相 應(yīng)的拋光漿料的調(diào)配。二氧化鈰在微電子器件和精密光學(xué)元器件表面精密加工中已經(jīng)得到 廣泛應(yīng)用。隨著表面加工精度要求的不斷提高和加工成本的持續(xù)降低，高效拋光材料的生 產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成為該領(lǐng)域技術(shù)突破的關(guān)口。拋光粒子的復(fù)合化和表面修飾是目前提高CMP拋 光效率和精度的主要方法和途徑。因?yàn)橥ㄟ^多組分元素的復(fù)合，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧粒子性能的 目的，并通過表面修飾來提高拋光漿料的分散穩(wěn)定性和拋光性能。除了摻雜量外，摻雜物在 合成粒子中的狀態(tài)和分布對其拋光性能的影響也非常大。其中，具有包覆態(tài)結(jié)構(gòu)的拋光粒 子的合成更加引人矚目。因此，合成方法及條件的選擇也非常重要，尤其是那些簡單易行成 本又低的方法。 拋光粉的主要成份是氧化鈰，以鈰為主的混合氧化稀土，或摻雜有氟和硅的氧化 稀土。如專利公開號CN1482195公開的稀土拋光粉的制備方法，其中主要成分含Ce(^， La203，Pr6On，Nd203 ;專利公開號CN101475777公開的一種高精度稀土拋光粉的制備方法，其 主要成分為硝酸鑭鈰或氯化鑭鈰鐠；專利公開號CN101362925公開了一種拋光光學(xué)元件的 復(fù)配拋光粉的制備方法，其主要成分為三氧化二鉻和三氧化二鋁。在氧化鈰中摻雜鈦，鋯， 硅等元素一提高其拋光效率的研究已經(jīng)有一些研究報(bào)道。拋光粉常用的制備方法有共沉淀 法、浸漬法、水熱法、溶膠_凝膠法、微乳液法等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用濕固相機(jī)械化學(xué)法來合成鋁摻雜氧化鈰拋光粒子 的方法。采用該方法制得的拋光粉具有比未摻雜鋁的氧化鈰更高的拋蝕效率，其粒度以及 懸浮性均能滿足拋光要求，能很好的用于微電子器件和精密光學(xué)玻璃的表面加工。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的的技術(shù)方案為 本發(fā)明以碳酸鈰為原料，加入水溶性鋁鹽及過量的氨水，經(jīng)機(jī)械球磨，使碳酸鈰顆 粒被分散，并被形成的無定形氫氧化鋁所覆蓋，球磨后的漿料經(jīng)脫水，干燥和再分散，在高 溫下煅燒，冷后球磨，即可得到具有很好拋光能力的鋁摻雜氧化鈰拋光粉。
本發(fā)明制備方法的步驟為 (1)以碳酸鈰為原料，加入可溶性鋁鹽，可選自硝酸鋁、氯化鋁、醋酸鋁、硫酸鋁等。 鋁的摻雜量按拋光粉中氧化鋁的重量百分比計(jì)算為0.01%到10% ;優(yōu)選為0. 1_1%，最佳 量為0. 6%。
(2)攪拌下加入堿性溶液 一 氨水。所述的堿的加入量(物質(zhì)的量)必須是鋁的物質(zhì)的量的3倍以上，一般應(yīng)該是鈰和鋁的物質(zhì)的量的l倍以上；因此，其加入量按金屬的物
質(zhì)的量的l-10倍加入，氨水濃度在l-15mol/L，一般為10mol/L。 (3)將上述混合物進(jìn)行機(jī)械球磨。球磨時(shí)可以采用各種球磨設(shè)備，如攪拌磨，行星 式球磨機(jī)，膠體磨等。球磨時(shí)間在lh到10h，也可以更長，優(yōu)選2-4h。 (4)球磨后所得到的漿料須經(jīng)脫水處理以制備分散性好的固體。脫水可以使用離 心機(jī)，壓濾機(jī)，過濾和真空抽濾設(shè)備等等。進(jìn)一步的干燥可以采用自然風(fēng)干或在加熱條件下 烘干。 (5)將干燥后的樣品煅燒，煅燒溫度在800°C -1200°〇之間，優(yōu)選900-1 IO(TC之間， 焙燒時(shí)間為30min到10h，一般在lh-3h。 (6)煅燒后的產(chǎn)物須進(jìn)行適當(dāng)?shù)那蚰ヌ幚恚诡w粒充分分散，粒度(D5。)控制在 0. 5-2. 0um之間。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的有益效果是，采用本發(fā)明所制得的拋光粉具有比未摻雜 鋁的氧化鈰更高的拋蝕效率，其粒度以及懸浮性均能滿足拋光要求，能很好的用于微電子 器件和精密光學(xué)玻璃的表面加工。所用原料來源廣泛，價(jià)格低廉，方法簡單易行。所制得的 產(chǎn)品具有均勻的粒度分布及很好的懸浮性能、對光學(xué)玻璃的拋蝕量與純氧化鈰相比有很大 的提高。 本發(fā)明適用于制備高效拋光粉體，所制備的拋光粉可用于微電子器件和精密光學(xué) 玻璃的表面加工。


圖1為球磨中間體的XRD圖 圖2為600 °C下煅燒產(chǎn)物的XRD圖 圖3為1000 °C下煅燒產(chǎn)物的XRD圖 圖4為IOO(TC下煅燒產(chǎn)物的粒度分布圖 圖5為不同摻鋁量的氧化鈰拋光粉的XRD圖比較 圖6為不同溫度下煅燒所得攙雜0. 6%鋁的氧化鈰拋光粉對ZF7光學(xué)玻璃的拋蝕 量比較。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 : 稱取200g八水碳酸鈰，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容 積的尼龍罐中，加入瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽 濾，自然風(fēng)干，然后分散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在IOO(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出 樣品后研磨分散。制得的樣品粒度在1. 25um左右，對于ZF7(三塊玻璃同時(shí)被拋光，直徑為 25mm，以下同)的和K9 (三塊玻璃同時(shí)被拋光，直徑為25mm，以下同)玻璃的拋蝕質(zhì)量分別 為0. 070g/h和0. 053g/h。
實(shí)施例2 : 稱取200g八水碳酸鈰、0. 84g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量 為0. 1 % )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入10mol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分散， 先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制得的 樣品粒度在1. 70um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 1453g/h和0. 1102g/h。 相對于實(shí)施例1中未摻入鋁元素的氧化鈰粉體來說，拋蝕量有很大的提高，是未摻鋁的2倍左右。 球磨產(chǎn)物的XRD圖見附圖1 ，在600°C和1000°C下煅燒產(chǎn)物的XRD圖見附圖2和附 圖3， IOO(TC下煅燒產(chǎn)物的粒度分布圖見圖4。
實(shí)施例3 : 稱取200g八水碳酸鈰、2. 50g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量 為0. 3% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入 瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分 散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在1. 40um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 159g/h和0. 124g/ h。所得產(chǎn)物粒度數(shù)據(jù)及對兩種光學(xué)玻璃的拋蝕速度列于表1。
實(shí)施例4 : 稱取200g八水碳酸鈰、3. 68g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量 為0. 4% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入 瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分 散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在0. 98um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 161g/h和0. 124g/ h。所得產(chǎn)物粒度數(shù)據(jù)及對兩種光學(xué)玻璃的拋蝕速度列于表1。
實(shí)施例5: 稱取200g八水碳酸鈰、4. 19g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量 為0. 5% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入 瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分 散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在1. 70um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 163g/h和0. 126g/ h。所得產(chǎn)物粒度數(shù)據(jù)及對兩種光學(xué)玻璃的拋蝕速度列于表1。
實(shí)施例6 : 稱取200g八水碳酸鈰、5. 08g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量 為0. 6% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入 瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分 散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在1. 15um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 168g/h和0. 129g/ h。所得產(chǎn)物粒度數(shù)據(jù)及對兩種光學(xué)玻璃的拋蝕速度列于表1。
實(shí)施例7 : 稱取200g八水碳酸鈰、5. 89g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量 為0. 7% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入 瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在1. 61um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 150g/h和0. 122g/ h。所得產(chǎn)物粒度數(shù)據(jù)及對兩種光學(xué)玻璃的拋蝕速度列于表1。
實(shí)施例8 : 稱取200g八水碳酸鈰、8. 46g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量 為1% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入瑪 瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分散， 先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制得 的樣品粒度在1. 04um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 136g/h和0. 107g/h。
所得產(chǎn)物粒度數(shù)據(jù)及對兩種光學(xué)玻璃的拋蝕速度列于表1。
實(shí)施例9 : 稱取200g八水碳酸鈰、93. 16g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含 量為10% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入 瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分 散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在0. 77um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 106g/h和0. 068g/ h。所得產(chǎn)物粒度數(shù)據(jù)及對兩種光學(xué)玻璃的拋蝕速度列于表1。 實(shí)施例3至實(shí)施例9的結(jié)果表明所有攙雜有鋁的樣品的拋蝕速度均比未攙雜的有 明顯提高，在0. 6%時(shí)達(dá)到極大值。 表1不同摻鋁量的氧化鈰(IOO(TC煅燒)拋光玻璃的拋蝕量(MRR)及粒度
氧化鋁含量(％)00. 10. 30. 40. 50. 60. 7110
MRR(nm/min， ZF7)152. 4315. 7346. 2350. 6355. 0365. 8326. 6296. 2230. 8
MRR(nm/min， K9)118. 6246. 2277. 5277. 5281. 2288. 7273. 1239. 5152. 2
粒子大小(D5。， ii m)1. 251. 701. 400. 981. 701. 151. 611. 040. 77 在100(TC下煅燒的分別含0、0. 1%、0.6%、1%、10%氧化鋁的氧化鈰拋光粉的 XRD圖如圖5所示。所有樣品均為立方螢石型結(jié)構(gòu)，說明鋁的攙雜并沒有產(chǎn)生其他新相。
實(shí)施例10 : 稱取200g八水碳酸鈰、5. 08g g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含 量為0. 6% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加 入瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后 分散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在80(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在1. 15um左右，所得樣品對ZF7玻璃的拋蝕速度如圖6所示，為0. 145g/h。
實(shí)施例11 : 稱取200g八水碳酸鈰、5. 08g g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含
6量為0. 6% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入10mol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加 入瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后 分散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在90(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在1. 15um左右，所得樣品對ZF7玻璃的拋蝕速度如圖6所示，為0. 150g/h。
實(shí)施例12 : 稱取200g八水碳酸鈰、5. 08g g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含 量為0. 6% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入10mol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加 入瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分 散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在110(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在1. 15um左右，所得樣品對ZF7玻璃的拋蝕速度如圖6所示，為0. 153g/h。
實(shí)施例13 : 稱取200g八水碳酸鈰、5. 08g九水硝酸鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量 為0. 6% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入10mol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入 瑪瑙球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分 散，先在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在120(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制 得的樣品粒度在1. 15um左右，所得樣品對ZF7玻璃的拋蝕速度如圖6所示，為0. 149g/h。
根據(jù)實(shí)施例10-實(shí)施例13的結(jié)果說明，實(shí)施例10-實(shí)施例13采用實(shí)例6中合成摻 0. 6%氧化鋁的樣品的合成方法，只是煅燒溫度分別在800°C 、900°C 、 IIO(TC 、 120(TC下進(jìn)行 煅燒。所得樣品對ZF7玻璃的拋蝕速度示于圖6中。結(jié)果表明隨煅燒溫度的升高，拋蝕量 先是增加，而后又減小，在IOO(TC時(shí)達(dá)到最大。
實(shí)施例14 : 稱取200g八水碳酸鈰、0. 288g氯化鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量為 0. 1 % )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入10mol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入瑪瑙 球100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分散，先 在60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制得的樣 品粒度在1. 89um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 138g/h和0. 112g/h。
實(shí)施例15 : 稱取200g八水碳酸鈰、3. 01氯化鋁(折合成氧化鈰拋光粉中氧化鋁的含量為 1% )，按金屬的物質(zhì)的量的4倍加入1Omol/L的氨水，置于1L容積的尼龍罐中，加入瑪瑙球 100克，密封后在行星式球磨機(jī)上以230轉(zhuǎn)/分球磨3h后，抽濾，自然風(fēng)干，然后分散，先在 60(TC溫度下進(jìn)行初步焙燒，后在100(TC下進(jìn)行焙燒2h，取出樣品后研磨分散。制得的樣品 粒度在1. 67um左右，對于ZF7和K9玻璃的拋蝕質(zhì)量分別為0. 124g/h和0. 103g/h。
權(quán)利要求
一種鋁摻雜氧化鈰拋光粉及其制備方法，其特征是，所述方法以碳酸鈰為原料，加入水溶性鋁鹽及過量的氨水，經(jīng)機(jī)械球磨，使碳酸鈰顆粒被分散，并被形成的無定形氫氧化鋁所覆蓋；球磨后的漿料經(jīng)脫水，干燥和再分散，在高溫下煅燒，冷后球磨，即可得到具有很好拋光能力的鋁摻雜氧化鈰拋光粉。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁摻雜氧化鈰拋光粉及其制備方法，其特征是，所述摻 雜的水溶性鋁鹽，可選自硝酸鋁、氯化鋁、醋酸鋁、硫酸鋁，鋁的摻雜量按拋光粉中氧化鋁的 重量百分比計(jì)算為0.01%到10% ;優(yōu)選為0. 1_1%，最佳量為0.6%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁摻雜氧化鈰拋光粉及其制備方法，其特征是，所述氨 水濃度為l-15mol/L，一般為1Omol/L氨水，加入量為金屬物質(zhì)量的1-10倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁摻雜氧化鈰拋光粉及其制備方法，其特征是，所述球 磨可以采用攪拌磨，行星式球磨機(jī)，膠體磨等設(shè)備，球磨時(shí)間在lh到10h，也可以更長，優(yōu)選 2-4h。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁摻雜氧化鈰拋光粉及其制備方法，其特征是，所述球 磨后的漿料須經(jīng)脫水處理以制備分散性好的固體，脫水可以使用離心機(jī)，壓濾機(jī)，過濾和真 空抽濾設(shè)備，進(jìn)一步的干燥可以采用自然風(fēng)干或在加熱條件下烘干。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁摻雜氧化鈰拋光粉及其制備方法，其特征是，所述干 燥后的樣品的煅燒溫度在800°C -1200°〇之間，優(yōu)選900°C -IIO(TC之間，煅燒時(shí)間為30min 到10h，一般在lh-3h。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁摻雜氧化鈰拋光粉及其制備方法，其特征是，所述煅 燒后的產(chǎn)物須進(jìn)行適當(dāng)?shù)那蚰ヌ幚?，使顆粒充分分散，粒度(D5。)控制在0. 5-2. Oum之間。
全文摘要
一種鋁摻雜氧化鈰拋光粉及其制備方法。該方法以碳酸鈰為原料，加入水溶性鋁鹽及過量的氨水，經(jīng)機(jī)械球磨，使碳酸鈰顆粒被分散，并被形成的無定形氫氧化鋁所覆蓋，球磨后的漿料經(jīng)脫水，干燥和再分散，在高溫下煅燒，冷后球磨，即可得到具有很好拋光能力的鋁摻雜氧化鈰拋光粉。所述的水溶性鋁鹽，可選自硝酸鋁，氯化鋁，醋酸鋁，硫酸鋁。鋁的摻雜量(按氧化鈰拋光粉中氧化鋁的百分含量計(jì)算)從0.01％到10％；所述氨水濃度為1-15mol/L，氨水加入量為金屬的物質(zhì)的量的1-10倍；球磨時(shí)間在1h到10h；球磨干燥后的樣品煅燒溫度在800℃-1200℃之間，焙燒時(shí)間為30min到10h。本發(fā)明適用于制備高效拋光粉體，所制備的拋光粉可用于微電子器件和精密光學(xué)玻璃的表面加工。
文檔編號B24B7/24GK101696345SQ200910186289
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者周新木, 周雪珍, 孫戊成, 李永繡, 李艷花, 焦曉燕, 羅巍, 辜子英, 金龍 申請人:南昌大學(xué);