本發(fā)明涉及一種碳化硅化學(xué)機(jī)械拋光用的拋光液及其制備方法，屬于化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)硬盤、磁存儲(chǔ)器等領(lǐng)域，半導(dǎo)體材料在先進(jìn)材料科學(xué)和高新技術(shù)等領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的地位，對(duì)國(guó)家工業(yè)進(jìn)步有十分重要的作用。

化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)是目前幾乎唯一能夠?qū)崿F(xiàn)全局平面化的表面處理技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬盤、光學(xué)玻璃、集成電路芯片等表面的平整化處理。

目前，在光學(xué)玻璃、半導(dǎo)體晶片等化學(xué)機(jī)械拋光工藝中，拋光液磨粒主要選用單一的氧化硅磨粒或氧化鈰磨粒；其中氧化硅磨粒具有分散性好、粒徑分布集中、制造工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，但其存在材料去除率低、硬度較高等缺點(diǎn)；而單一的氧化鈰磨粒具有去除率高、硬度低等優(yōu)點(diǎn)，但其也存在分散性差、吸附性強(qiáng)難清洗、易造成劃痕等缺點(diǎn)；由于單一磨粒無(wú)法滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，因此，本領(lǐng)域出現(xiàn)了氧化鈰包覆氧化硅的復(fù)合磨粒，改善了碳化硅化學(xué)機(jī)械拋光的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種碳化硅化學(xué)機(jī)械拋光用的拋光液及其制備方法，提高了碳化硅化學(xué)機(jī)械拋光的去除率，改善了碳化硅表面質(zhì)量，降低了碳化硅拋光的生產(chǎn)成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案，一種碳化硅化學(xué)機(jī)械拋光用的拋光液，其特征是配方比例按質(zhì)量百分比計(jì)如下：包覆型氧化硅/氧化鈰復(fù)合磨粒1％～10％、氧化劑為0.1％～10％、分散劑為0.1％～10％；通過ph調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)ph為2～6。

所述包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒為粉末狀固體，粒徑為100～200nm。

所述氧化劑為高錳酸鉀或過氧化氫中的一種。

所述分散劑為六偏磷酸鈉或聚乙二醇中的一種。

所述ph調(diào)節(jié)劑為質(zhì)量濃度為20％～60％的koh溶液或hno3溶液。

所述碳化硅化學(xué)機(jī)械拋光用的拋光液的制備方法，步驟如下：稱取包覆型氧化硅/氧化鈰復(fù)合磨粒，在磁力攪拌的作用下，先將包覆型氧化硅/氧化鈰復(fù)合磨粒溶于去離子水中，形成懸浮液，再依次加入氧化劑和分散劑，使得包覆型氧化硅/氧化鈰復(fù)合磨粒濃度為1％～10％、氧化劑濃度0.05％～2.0％和分散劑濃度為0.5％～2.0％，最后采用ph調(diào)節(jié)劑將懸浮液的ph調(diào)節(jié)至2～6。

所述包覆型氧化硅/氧化鈰復(fù)合磨粒制備過程按質(zhì)量百分比計(jì)如下：

(1)氧化硅懸浮液的制備：分別量取市售二氧化硅拋光液與去離子水，將量取的市售二氧化硅拋光液在磁力攪拌的作用下緩慢滴加至去離子水中得到氧化硅懸浮液，所述氧化硅懸浮液中的氧化硅為2％～10％，磁力攪拌10min，控制ph在10～10.5范圍內(nèi)；

(2)鈰鹽溶液的制備：取六水硝酸鈰和六亞甲基四胺，在磁力攪拌的作用下溶于去離子水中，繼續(xù)磁力攪拌10～20min，得到鈰鹽溶液；其中，鈰離子濃度為0.15～0.20mol/l，六亞甲基四胺的濃度為0.5～1.0mol/l；

(3)混合：在磁力攪拌的作用下將步驟(2)制備所得鈰鹽溶液勻速緩慢滴入步驟(1)制備所得氧化硅懸浮液中，得到混合溶液，磁力攪拌10～20min；混合時(shí)，sio2：ceo2質(zhì)量比為1：5～20；

(4)反應(yīng)：對(duì)步驟(3)所得混合溶液在1000～3000r/min轉(zhuǎn)速下劇烈磁力攪拌，70～100℃油浴加熱，回流反應(yīng)2～3h，得到深褐色懸浮液，再將其冷卻至室溫，陳化處理3～5h，直至所述深褐色懸浮液出現(xiàn)分層現(xiàn)象；

(5)分離：對(duì)步驟(4)所得已出現(xiàn)分層現(xiàn)象的深褐色懸浮液進(jìn)行離心分離及洗滌，重復(fù)三次，得到深褐色沉淀物；

(6)后處理：對(duì)步驟(5)所得深褐色沉淀物進(jìn)行烘干，烘干溫度為70～100℃，烘干時(shí)間為12～18h；隨后對(duì)烘干后的物質(zhì)進(jìn)行初步研磨，然后在450～700℃下繼續(xù)煅燒2～4h，再次對(duì)所得物質(zhì)進(jìn)行精研，得到包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明操作方法簡(jiǎn)單、合理，易于生產(chǎn)，加入分散劑，使得拋光懸浮液分散性好，避免了磨粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，同時(shí)采用均相沉淀法制備包覆型氧化硅/氧化鈰核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合磨粒，提高了包覆效果，加入高錳酸鉀氧化劑，使得拋光液的拋光效果更加良好。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種碳化硅復(fù)合磨粒拋光液的制備方法，其包括以下步驟：

(1)制備包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒：

a、氧化硅懸浮液的制備：分別量取9ml粒徑分布為60～100nm的工業(yè)二氧化硅拋光液和18ml去離子水，將9ml的工業(yè)二氧化硅拋光液在磁力攪拌的作用下，均勻緩慢的滴加至去離子水中，磁力攪拌10min，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的氧化硅懸浮液；同時(shí)通過向其中加入氫氧化鉀和稀硝酸來(lái)控制氧化硅的懸浮液ph值在10～10.5范圍內(nèi)；

b、鈰鹽溶液的制備：分別稱量20.9703g鈰離子濃度為0.15mol/l的六水硝酸鈰和33.9702g濃度為0.5mol/l的六亞甲基四胺，并在磁力攪拌的作用下將其全部溶于300ml去離子水中，磁力攪拌15min，得到鈰鹽溶液；

c、混合：在磁力攪拌的作用下，將得到的鈰鹽溶液勻速緩慢滴入氧化硅懸浮液中，磁力攪拌10min，得到混合溶液；

d、反應(yīng)：將混合溶液導(dǎo)入三頸燒瓶?jī)?nèi)，在速度為1800r/min的劇烈磁力攪拌下，以100℃進(jìn)行油浴加熱，再回流加熱2h，得到深褐色懸浮液，再將其冷卻至室溫，陳化處理3小時(shí)直至出現(xiàn)分層現(xiàn)象；

e、分離：將分層后的深褐色懸浮液進(jìn)行離心分離，并用去離子水重復(fù)洗滌3次，得到深褐色沉淀物；

f、后處理：然后將其在真空干燥箱中80℃烘干，隨后進(jìn)行研磨，將研磨后的粉體置于馬弗爐中以550℃的溫度煅燒3小時(shí)，獲得淺黃色粉體，即為包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒。

(2)制備新型碳化硅復(fù)合磨粒拋光液：稱取1g復(fù)合磨粒，在磁力攪拌的作用下，依次將復(fù)合磨粒、5wt％的六偏磷酸鈉分散劑和5wt％的高錳酸鉀氧化劑加入到去離子水中，得到總體積為100ml的拋光液，使得復(fù)合磨粒濃度、六偏磷酸鈉分散劑濃度和高錳酸鉀氧化劑濃度分別為1wt％、0.5wt％和0.158wt％，最后加入濃度為60wt％的ph調(diào)節(jié)劑(koh溶液或稀硝酸溶液)調(diào)節(jié)ph值至2。

實(shí)施例2

一種碳化硅復(fù)合磨粒拋光液的制備方法，其包括以下步驟：

(1)制備包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒：

a、氧化硅懸浮液的制備：分別量取9ml粒徑分布為60～100nm的工業(yè)二氧化硅拋光液和18ml去離子水，將9ml的工業(yè)二氧化硅拋光液在磁力攪拌的作用下，均勻緩慢的滴加至去離子水中，磁力攪拌10min，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的氧化硅懸浮液；同時(shí)通過向其中加入氫氧化鉀和稀硝酸來(lái)控制氧化硅的懸浮液ph值在10～10.5范圍內(nèi)；

b、鈰鹽溶液的制備：分別稱量20.9703g鈰離子濃度為0.15mol/l的六水硝酸鈰和33.9702g濃度為0.5mol/l的六亞甲基四胺，并在磁力攪拌的作用下將其全部溶于300ml去離子水中，磁力攪拌15min，得到鈰鹽溶液；

c、混合：在磁力攪拌的作用下，將得到的鈰鹽溶液勻速緩慢滴入氧化硅懸浮液中，磁力攪拌10min，得到混合溶液；

d、反應(yīng)：將混合溶液導(dǎo)入三頸燒瓶?jī)?nèi)，在速度為1800r/min的劇烈磁力攪拌下，以100℃進(jìn)行油浴加熱，再回流加熱2h，得到深褐色懸浮液，再將其冷卻至室溫，陳化處理3小時(shí)直至出現(xiàn)分層現(xiàn)象；

e、分離：將分層后的深褐色懸浮液進(jìn)行離心分離，并用去離子水重復(fù)洗滌3次，得到深褐色沉淀物；

f、后處理：然后將其在真空干燥箱中80℃烘干，隨后進(jìn)行研磨，將研磨后的粉體置于馬弗爐中以550℃的溫度煅燒3小時(shí)，獲得淺黃色粉體，即為包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒。

(2)制備新型碳化硅復(fù)合磨粒拋光液：稱取1g復(fù)合磨粒，在磁力攪拌的作用下，依次將復(fù)合磨粒、濃度為8wt％的六偏磷酸鈉分散劑和濃度為8wt％的高錳酸鉀氧化劑加入到去離子水中，得到總體積為100ml的拋光液，使得復(fù)合磨粒濃度、六偏磷酸鈉分散劑濃度和高錳酸鉀氧化劑濃度分別為1wt％、0.5wt％和0.79wt％，最后加入濃度為60wt％的ph調(diào)節(jié)劑(koh溶液或稀硝酸溶液)調(diào)節(jié)ph值至2。

實(shí)施例3

一種碳化硅復(fù)合磨粒拋光液的制備方法，其包括以下步驟：

(1)制備包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒：

a、氧化硅懸浮液的制備：分別量取10ml粒徑分布為60～100nm的工業(yè)二氧化硅拋光液和40ml去離子水，將10ml的工業(yè)二氧化硅拋光液在磁力攪拌的作用下，均勻緩慢的滴加至去離子水中，磁力攪拌10min，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％的氧化硅懸浮液；同時(shí)通過向其中加入氫氧化鉀和稀硝酸來(lái)控制氧化硅的懸浮液ph值在10～10.5范圍內(nèi)；

b、鈰鹽溶液的制備：分別稱量20.9703g鈰離子濃度為0.20mol/l的六水硝酸鈰和33.9702g濃度為0.5mol/l的六亞甲基四胺，并在磁力攪拌的作用下將其全部溶于300ml去離子水中，磁力攪拌15min，得到鈰鹽溶液；

c、混合：在磁力攪拌的作用下，將得到的鈰鹽溶液勻速緩慢滴入氧化硅懸浮液中，磁力攪拌10min，得到混合溶液；

d、反應(yīng)：將混合溶液導(dǎo)入三頸燒瓶?jī)?nèi)，在速度為1800r/min的劇烈磁力攪拌下，以80℃進(jìn)行油浴加熱，再回流加熱2h，得到深褐色懸浮液，再將其冷卻至室溫，陳化處理3小時(shí)直至出現(xiàn)分層現(xiàn)象；

e、分離：將分層后的深褐色懸浮液進(jìn)行離心分離，并用去離子水重復(fù)洗滌3次，得到深褐色沉淀物；

f、后處理：然后將其在真空干燥箱中70℃烘干，隨后進(jìn)行研磨，將研磨后的粉體置于馬弗爐中以650℃的溫度煅燒2.5小時(shí)，獲得淺黃色粉體，即為包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒。

(2)制備新型碳化硅復(fù)合磨粒拋光液：稱取2g復(fù)合磨粒，在磁力攪拌的作用下，依次將復(fù)合磨粒、濃度為8wt％的六偏磷酸鈉分散劑和濃度為10wt％的高錳酸鉀氧化劑加入到去離子水中，得到總體積為100ml的拋光液，使得復(fù)合磨粒濃度、六偏磷酸鈉分散劑濃度和高錳酸鉀氧化劑濃度分別為2wt％、0.5wt％和1.58wt％，最后加入濃度為60wt％的ph調(diào)節(jié)劑(koh溶液或稀硝酸溶液)調(diào)節(jié)ph值至2。

實(shí)施例4

一種碳化硅復(fù)合磨粒拋光液的制備方法，其包括以下步驟：

(1)制備包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒：

a、氧化硅懸浮液的制備：分別量取9ml粒徑分布為60～100nm的工業(yè)二氧化硅拋光液和40ml去離子水，將10ml的工業(yè)二氧化硅拋光液在磁力攪拌的作用下，均勻緩慢的滴加至去離子水中，磁力攪拌10min，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％的氧化硅懸浮液；同時(shí)通過向其中加入氫氧化鉀和稀硝酸來(lái)控制氧化硅的懸浮液ph值在10～10.5范圍內(nèi)；

b、鈰鹽溶液的制備：分別稱量20.9703g鈰離子濃度為0.15mol/l的六水硝酸鈰和33.9702g濃度為0.8mol/l的六亞甲基四胺，并在磁力攪拌的作用下將其全部溶于300ml去離子水中，磁力攪拌15min，得到鈰鹽溶液；

c、混合：在磁力攪拌的作用下，將得到的鈰鹽溶液勻速緩慢滴入氧化硅懸浮液中，磁力攪拌10min，得到混合溶液；

d、反應(yīng)：將混合溶液導(dǎo)入三頸燒瓶?jī)?nèi)，在速度為1600r/min的劇烈磁力攪拌下，以80℃進(jìn)行油浴加熱，再回流加熱3h，得到深褐色懸浮液，再將其冷卻至室溫，陳化處理3小時(shí)直至出現(xiàn)分層現(xiàn)象；

e、分離：將分層后的深褐色懸浮液進(jìn)行離心分離，并用去離子水重復(fù)洗滌3次，得到深褐色沉淀物；

f、后處理：然后將其在真空干燥箱中80℃烘干，隨后進(jìn)行研磨，將研磨后的粉體置于馬弗爐中以650℃的溫度煅燒3小時(shí)，獲得淺黃色粉體，即為包覆型氧化硅/氧化鈰核殼復(fù)合磨粒。

(2)制備新型碳化硅復(fù)合磨粒拋光液：稱取2g復(fù)合磨粒，在磁力攪拌的作用下，依次將復(fù)合磨粒、濃度為8wt％的六偏磷酸鈉分散劑和濃度為10wt％的高錳酸鉀氧化劑加入到去離子水中，得到總體積為100ml的拋光液，使得復(fù)合磨粒濃度、六偏磷酸鈉分散劑濃度和高錳酸鉀氧化劑濃度分別為2wt％、0.5wt％和1.58wt％，最后加入濃度為40wt％的ph調(diào)節(jié)劑(koh溶液或稀硝酸溶液)調(diào)節(jié)ph值至4。

對(duì)比實(shí)施例1

量取100ml市售質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％的二氧化硅拋光液，在磁力攪拌的作用下將其加入到去離子水中，再向其中加入8wt％的六偏磷酸鈉分散劑和10wt％的高錳酸鉀氧化劑，得到總體積為1500ml的拋光液，使得二氧化硅濃度、六偏磷酸鈉分散劑濃度和高錳酸鉀氧化劑濃度分別為2wt％、0.5wt％和1.58wt％的懸浮液，最后加入濃度為60wt％的ph調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)ph至2。

對(duì)比實(shí)施例2

量取100ml市售質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％的二氧化鈰拋光液，在磁力攪拌的作用下將其加入到去離子水中，再向其中加入濃度為8wt％的六偏磷酸鈉分散劑和濃度為10wt％的高錳酸鉀氧化劑，得到總體積為1500ml的拋光液，使得二氧化硅濃度、六偏磷酸鈉分散劑濃度和高錳酸鉀氧化劑濃度分別為2wt％、0.5wt％和1.58wt％的懸浮液，最后加入濃度為60wt％的ph調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)ph至2。

將上述實(shí)施例1-4和對(duì)比實(shí)施例1-2制備出的碳化硅拋光液進(jìn)行拋光效果實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程的拋光條件如下：2英寸碳化硅晶片、拋光機(jī)、拋光墊、拋光壓力：3.5psi、上盤轉(zhuǎn)速：80rpm、下盤轉(zhuǎn)速：80rpm、拋光液流速：100ml/min、拋光時(shí)間：5min、拋光溫度：室溫。

表1

由表1可以看出，本發(fā)明所述的新型碳化硅復(fù)合磨粒拋光液中，氧化劑高錳酸鉀的濃度越高，則材料去除率越大；復(fù)合磨粒濃度越高，則材料去除率越大；ph值越大，則材料去除率越低；同時(shí)都能夠得到表面粗糙度很低的超光滑表面。

本發(fā)明所述的新型碳化硅復(fù)合磨粒拋光液，比市售二氧化硅拋光液有更好的去除效果和表面粗糙度；相比于市售二氧化鈰拋光液，去除效果較低，但有更低的表面粗糙度，得到幾乎無(wú)缺陷的超光滑表面。