本發(fā)明涉及化學機械拋光液制備領域，特別是涉及一種氧化硅復合磨粒及其制備方法和用途。
背景技術：
：藍寶石俗稱剛玉，是一種簡單配位型氧化物，常因含微量元素四價鈦或二價鐵而呈現藍色。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，藍寶石晶體已經成為現代工業(yè)尤其是微電子及光電子產業(yè)極為重要的基礎材料。作為最硬的氧化物晶體，藍寶石由于其光學和物理特性而被運用于各種要求苛刻的領域。藍寶石晶體廣泛用于軍用紅外裝置、導彈、潛艇、衛(wèi)星空間技術、探測和高功率強激光等領域，它還為微電子、光電子、半導體、光通信、信息顯示尤其是藍或白LED光照明產業(yè)提供了窗口材料。藍寶石的表面質量對LED器件性能和質量有著非常重要的影響，目前要求超光滑、無缺陷且粗糙度小于0.2nm.因此藍寶石最后一道拋光加工的要求很高，成為最重要的制程。目前，普遍采用化學機械拋光(CMP，ChemicalMechanicalPolishing)技術對藍寶石器件表面進行精密拋光。磨粒是化學機械拋光拋光液中的主要成分，目前實際中廣泛采用的研磨顆粒通常是氧化硅、氧化鋁等傳統(tǒng)無機粒子。而氧化硅磨粒對藍寶石的拋光效果較好，但在CMP拋光過程中主要存在一些問題，比如：拋光速率低而導致生產效率低，表面質量有待繼續(xù)提高等問題。因此，如何提供一種性能更加優(yōu)良的化學機械拋光拋光液仍然是本領域的一個研究熱點。技術實現要素：鑒于以上所述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種氧化硅復合磨粒，用于解決現有技術中的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)明第一方面提供一種氧化硅復合磨粒，所述復合磨粒為摻雜有鋁元素的氧化硅復合磨粒，按重量百分比計，所述氧化硅復合磨粒中包括：鋁元素0.1-10wt％，優(yōu)選為3-5wt％。在本發(fā)明一些實施方式中，按重量百分比計，所述氧化硅復合磨粒中包括：硅元素40-50wt％，優(yōu)選為40-45wt％。在本發(fā)明一些實施方式中，所述復合磨粒的粒徑為10-150nm。在本發(fā)明一些實施方式中，所述復合磨粒為球形。本發(fā)明所提供的氧化硅復合磨粒是摻雜有鋁元素的氧化硅磨粒，具體來說，是氧化硅(作為磨粒的主要骨架組分)中至少部分的硅元素的位置被鋁元素所取代而形成的復合磨粒。本發(fā)明第二方面提供所述的氧化硅復合磨粒的制備方法，包括如下步驟：將硅酸溶液和偏鋁酸溶液加入到氧化硅晶種溶液中，控制反應體系的pH＝8.5-11.5，優(yōu)選為9-11，制備獲得摻雜有鋁元素的氧化硅復合磨粒。本發(fā)明所提供的氧化硅復合磨粒的制備方法中，鋁元素占據部分硅元素位置而形成的氧化硅復合磨粒，在離子交換法制備硅溶膠的過程中將偏鋁酸與硅酸共同加入氧化硅溶膠晶種溶液中，偏鋁酸扮演著一部分硅酸的角色使鋁元素摻雜到氧化硅溶膠顆粒中，于是形成了偏鋁酸、硅酸并存的形式共同參與晶種的生長達到摻雜的目的。在本發(fā)明一些實施方式中，所述硅酸溶液的制備方法為：將硅酸鹽溶解后進行陽離子交換去除陽離子制備獲得，所述硅酸鹽可以是例如硅酸鈉等。在本發(fā)明一些實施方式中，按質量百分比計，所述硅酸溶液中硅酸的濃度為2-7wt％。在本發(fā)明一些實施方式中，所述硅酸溶液為硅酸水溶液。在本發(fā)明一些實施方式中，所述偏鋁酸溶液的制備方法為：將偏鋁酸鹽溶解后進行陽離子交換去除陽離子制備獲得，所述偏鋁酸鹽可以是例如偏鋁酸鈉等。在本發(fā)明一些實施方式中，按質量百分比計，所述偏鋁酸溶液中偏鋁酸的濃度為0.01-2wt％，優(yōu)選為0.1-1wt％。在本發(fā)明一些實施方式中，所述偏鋁酸溶液為偏鋁酸水溶液。在本發(fā)明一些實施方式中，控制反應體系的pH＝8.5-11.5，優(yōu)選為9-11。在本發(fā)明一些實施方式中，使用氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨、有機胺等中的一種或多種調節(jié)反應體系的pH，所述有機胺可以是例如三乙胺等。在本發(fā)明一些實施方式中，反應體系的溫度為60-100℃，優(yōu)選為85-100℃。本領域技術人員可根據反應進程調整反應時間，例如，反應時間可以為1-50h。在本發(fā)明一些實施方式中，硅酸溶液和偏鋁酸溶液中，硅酸與偏鋁酸的摩爾比為7-700：1，優(yōu)選為210-350：1。本領域技術人員可根據需要調整氧化硅晶種溶液的使用量，例如，氧化硅晶種溶液的使用量可以是硅酸溶液和偏鋁酸溶液質量之和的0.05-10倍，也可以是0.3-2倍。在本發(fā)明一些實施方式中，按質量百分比計，所述氧化硅晶種溶液中氧化硅的濃度為1-10wt％。在本發(fā)明一些實施方式中，所述氧化硅晶種溶液的制備方法為：硅酸溶液在pH8.5-11.5(優(yōu)選為9-11)的條件下制備氧化硅晶種溶液。在本發(fā)明一些實施方式中，所述氧化硅晶種溶液為氧化硅晶種水溶液。在本發(fā)明一些實施方式中，氧化硅晶種溶液的制備過程中，反應溫度為60-100℃。在本發(fā)明一些實施方式中，氧化硅晶種溶液的制備過程中，按質量百分比計，硅酸溶液中硅酸的濃度為1-10wt％。在本發(fā)明一些實施方式中，氧化硅晶種溶液的制備過程中，所述硅酸溶液為硅酸水溶液。在本發(fā)明一些實施方式中，氧化硅晶種溶液的制備過程中，使用氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨、有機胺等中的一種或多種調節(jié)反應體系的pH。本發(fā)明第三方面提供所述氧化硅復合磨粒在制備拋光液中的用途。在本發(fā)明一些實施方式中，所述拋光液為化學機械拋光液。在本發(fā)明一些實施方式中，所述拋光液中按質量百分比計，包括5-40wt％的氧化硅復合磨粒。本發(fā)明通過水溶液中晶體生長來制備復合磨粒，制備過程中，磨粒處于水溶液體系，分散性良好，提高拋光液拋光效率的同時，也使得復合磨粒分散均勻，不易聚沉。本發(fā)明的復合磨粒的物理結構為納米球形，該磨粒的結構與化學組成上含有鋁元素，鋁元素可以提高磨粒的化學作用，從而提高磨粒的拋光速率，提高材料的去除率。具體實施方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。須知，下列實施例中未具體注明的工藝設備或裝置均采用本領域內的常規(guī)設備或裝置。此外應理解，本發(fā)明中提到的一個或多個方法步驟并不排斥在所述組合步驟前后還可以存在其他方法步驟或在這些明確提到的步驟之間還可以插入其他方法步驟，除非另有說明；還應理解，本發(fā)明中提到的一個或多個設備/裝置之間的組合連接關系并不排斥在所述組合設備/裝置前后還可以存在其他設備/裝置或在這些明確提到的兩個設備/裝置之間還可以插入其他設備/裝置，除非另有說明。而且，除非另有說明，各方法步驟的編號僅為鑒別各方法步驟的便利工具，而非為限制各方法步驟的排列次序或限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容的情況下，當亦視為本發(fā)明可實施的范疇。實施例1氧化硅復合磨粒的制備方法如下：(1)將水玻璃(硅酸鈉溶液)稀釋到質量分數4％的溶液，將配制好的硅酸鈉水溶液注入陽離子交換柱，經過離子交換去除鈉離子，得到質量分數為4％的硅酸水溶液。(2)配制3％的氫氧化鈉溶液，加入步驟(1)中制得的硅酸，升溫到100℃，保溫1h，即得到所求的氧化硅溶膠晶種。(3)在100℃及攪拌下，將715g質量分數為0.4％的偏鋁酸水溶液(通?？梢杂善X酸鈉經過陽離子交換制備獲得，具體為將配制好的偏鋁酸鈉水溶液注入離子交換柱，經過離子交換去除鈉離子，得到偏鋁酸水溶液，下同)與715g步驟(1)所得的4％的硅酸水溶液，加入到3750g質量分數為8％氧化硅溶膠晶種溶液中，同時滴加質量分數為3％的氫氧化鈉，控制滴加速度，使滴加速度等于混合液中水分蒸發(fā)速度，保持氧化硅晶種液面基本不變，控制pH至9-11。(4)直到所有物料滴完，停止加熱，繼續(xù)進行攪拌降溫，降到室溫，得到鋁元素摻雜的氧化硅溶膠的復合磨粒。實施例2氧化硅復合磨粒的制備方法如下：(1)將水玻璃(硅酸鈉溶液)稀釋到質量分數4％的溶液，將配制好的硅酸鈉水溶液注入陽離子交換柱，經過離子交換去除鈉離子，得到質量分數為4％的硅酸水溶液。(2)配制3％的氫氧化鈉溶液，加入步驟(1)中制得的硅酸，升溫到100℃，保溫1h，即得到所求的氧化硅溶膠晶種。(3)在100℃及攪拌下，將1628g質量分數為0.4％的偏鋁酸水溶液與1628g步驟(1)所得的4％的硅酸水溶液，加入到3750g質量分數為8％氧化硅溶膠晶種溶液中，同時滴加質量分數為3％的氫氧化鈉，控制滴加速度，使滴加速度等于混合液中水分蒸發(fā)速度，保持氧化硅晶種液面基本不變，控制pH至9-11.(4)直到所有物料滴完，停止加熱，繼續(xù)進行攪拌降溫，降到室溫，得到鋁元素摻雜的氧化硅溶膠的復合磨粒。實施例3氧化硅復合磨粒的制備方法如下：(1)將水玻璃(硅酸鈉溶液)稀釋到質量分數4％的溶液，將配制好的硅酸鈉水溶液注入陽離子交換柱，經過離子交換去除鈉離子，得到質量分數為4％的硅酸水溶液。(2)配制3％的氫氧化鈉溶液，加入步驟(1)中制得的硅酸，升溫到100℃，保溫1h，即得到所求的氧化硅溶膠晶種。(3)在100℃及攪拌下，將2200g質量分數為0.4％的偏鋁酸水溶液與2200g步驟(1)所得的4％的硅酸水溶液，加入到3750g質量分數為8％氧化硅溶膠晶種溶液中，同時滴加質量分數為3％的氫氧化鈉，控制滴加速度，使滴加速度等于混合液中水分蒸發(fā)速度，保持氧化硅晶種液面基本不變，控制pH至9-11。(4)直到所有物料滴完，停止加熱，繼續(xù)進行攪拌降溫，降到室溫，得到鋁元素摻雜的氧化硅溶膠的復合磨粒。實施例4在機械攪拌條件下，將實施例1-3制備獲得的復合磨粒以及純氧化硅磨料(對比例1，粒徑為100nm)加入到去離子水中分散稀釋，拋光液中磨粒的含量為20wt％，然后依次加入20ppm表面活性劑聚乙二醇異辛基苯基醚、1ppm消泡劑聚二甲基硅氧烷，充分攪勻，最后用氫氧化鉀溶液調節(jié)拋光液體系的pH＝10.5，分別制備獲得各自的拋光液體系。采用上述拋光液對藍寶石襯底進行化學機械拋光的拋光條件見表1：表1拋光完成后，接著對藍寶石襯底進行洗滌和干燥，然后測量基片表面的形貌特征和拋光速率。用FRT表面輪廓儀測量拋光前后的厚度差和質量差來評價拋光速率，用原子力顯微鏡對藍寶石襯底片進行測量，得到粗糙度Ra值。所得結果見表2：表2去除速率(μm/h)表面粗糙度(nm)AFM形貌實施例15.60.16表面平整實施例26.10.12表面平整實施例36.40.09表面平整對比例13.80.17表面平整由表2的結果可見，本發(fā)明含有鋁摻雜氧化硅顆粒的拋光液性能優(yōu)于常規(guī)含有純氧化硅顆粒的拋光液。實施例5氧化硅復合磨粒的制備方法如下：(1)將水玻璃(硅酸鈉溶液)稀釋到質量分數2％的溶液，將配制好的硅酸鈉水溶液注入陽離子交換柱，經過離子交換去除鈉離子，得到質量分數為2％的硅酸水溶液。(2)配制3％的氫氧化鈉溶液，加入步驟(1)中制得的硅酸，升溫到90℃，保溫1h，即得到所求的氧化硅溶膠晶種。(3)在90℃及攪拌下，將16390g質量分數為0.1％的偏鋁酸水溶液(通?？梢杂善X酸鈉經過陽離子交換制備獲得，下同)與3360g步驟(1)所得的2％的硅酸水溶液，加入到3750g質量分數為10％氧化硅溶膠晶種溶液中，同時滴加質量分數為3％的氫氧化鈉，控制滴加速度，使滴加速度等于混合液中水分蒸發(fā)速度，保持氧化硅晶種液面基本不變，控制pH至9-11。(4)直到所有物料滴完，停止加熱，繼續(xù)進行攪拌降溫，降到室溫，得到鋁元素摻雜的氧化硅溶膠的復合磨粒。參照實施例4中的方法將實施例5制備獲得的復合磨粒進行性能檢測，其各項指標性能與實施例1-3制備獲得的復合磨粒性能相近。實施例6氧化硅復合磨粒的制備方法如下：(1)將水玻璃(硅酸鈉溶液)稀釋到質量分數7％的溶液，將配制好的硅酸鈉水溶液注入陽離子交換柱，經過離子交換去除鈉離子，得到質量分數為7％的硅酸水溶液。(2)配制3％的氫氧化鈉溶液，加入步驟(1)中制得的硅酸，升溫到95℃，保溫1h，即得到所求的氧化硅溶膠晶種。(3)在95℃及攪拌下，將163.9g質量分數為1％的偏鋁酸水溶液(通?？梢杂善X酸鈉經過陽離子交換制備獲得，下同)與9600g步驟(1)所得的7％的硅酸水溶液，加入到3750g質量分數為2％氧化硅溶膠晶種溶液中，同時滴加質量分數為3％的氫氧化鈉，控制滴加速度，使滴加速度等于混合液中水分蒸發(fā)速度，保持氧化硅晶種液面基本不變，控制pH至9-11。(4)直到所有物料滴完，停止加熱，繼續(xù)進行攪拌降溫，降到室溫，得到鋁元素摻雜的氧化硅溶膠的復合磨粒。參照實施例4中的方法將實施例6制備獲得的復合磨粒進行性能檢測，其各項指標性能與實施例1-3制備獲得的復合磨粒性能相近。綜上所述，本發(fā)明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬
技術領域：
中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。當前第1頁1 2 3