鐵摻雜氧化硅溶膠復(fù)合磨粒和其拋光液組合物以及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種拋光磨粒、拋光液組合物及其制備方法，特別是一種鐵元素?fù)诫s 硅溶膠復(fù)合磨粒的制備方法以及原材料表面研磨拋光技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 藍(lán)寶石材料由于其較高的莫氏硬度和較好的化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛的應(yīng)用于電學(xué)、 光學(xué)等領(lǐng)域。在光電子領(lǐng)域中，發(fā)光二極管（LED)具有低工作電壓、低功耗、高效率、長壽命、 固體化、快響應(yīng)速度和驅(qū)動電路等簡單優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域 之一。藍(lán)寶石因?yàn)槠溆辛己玫母邷胤€(wěn)定性和力學(xué)性能，而作為LED的襯底材料。藍(lán)寶石的 表面質(zhì)量對LED器件性能和質(zhì)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(lán)寶石最后一道拋光加工的要求很高，成為最重要的制程。
[0003] 目前，普遍采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP)技術(shù)對藍(lán)寶石器件表面進(jìn)行精密拋光。磨粒 是化學(xué)機(jī)械拋光液中的主要成分，目前實(shí)際中廣泛采用的研磨粒通常是氧化硅、氧化鋁等 傳統(tǒng)無機(jī)粒子。而氧化硅磨粒對藍(lán)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，如拋光速率低而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，表面質(zhì)量有待繼續(xù)提高。因此我們通過改變拋光 液中磨粒特性來提高去除率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的之一在于提供了一種鐵元素?fù)诫s硅溶膠復(fù)合磨粒。
[0005] 本發(fā)明的目的之二在于提供采用該復(fù)合磨粒的拋光液組合物。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0007] 本發(fā)明一種鐵元素?fù)诫s硅溶膠復(fù)合磨粒，其特征在于具有如下組成 鐵元素化合物(氫氧化鐵）〇. 1-5 wt. % ; 氧化娃溶膠99. 9-95 wt. %。
[0008] 本發(fā)明一種鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒的制備方法，其特征在于具有如下的 過程和步驟： a. 將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0 %水玻璃通過陽離子交換樹脂，待流出的液體的pH值在2. 5-3. 5 之間時(shí)接收流出的液體，則得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 0-3. 0%活性硅酸溶液； b. 在100°C及攪拌下，將750-3000克質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 29%氯化鐵溶液與750-3000克質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為2. 0-3. 0%活性硅酸溶液，加入到3000克質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的晶種氧化硅溶液中，同 時(shí)滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為〇. 4%的氫氧化鈉溶液，控制滴加速度，保持氧化硅晶種母液的液面保持 基本不變，且控制pH范圍在9. 0-11. 0之間； c. 控制滴加及水分蒸發(fā)速度，使母液的液面保持基本不變，直到混合液滴完，反應(yīng)半 小時(shí)后關(guān)掉加熱器，攪拌降溫到室溫；即得到鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠的復(fù)合磨粒。
[0009] 本發(fā)明一種拋光液組合物，其特征在于具有以下的組成： a. 鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒 6-6. 12 wt. %， b. 分散劑六偏磷酸鈉 2 wt. %， c. 去咼子水 余量； d. 以上各組成的質(zhì)量百分含量之和為100 wt. %。
[0010] 本發(fā)明一種拋光液組合物的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟： a. 將上述鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒溶液通過350目的濾篩，除去大顆粒； b. 向其中加入去離子水配制成5升的溶液； c. 再向其中加入100克分散劑六偏磷酸鈉，攪拌均勻；即得到拋光液組合物。
[0011] 本發(fā)明的復(fù)合磨粒的物理結(jié)構(gòu)為納米球形，該磨粒的化學(xué)組成上含有鐵元素，鐵 元素可以提高磨粒的化學(xué)作用?；瘜W(xué)作用可提高磨粒的拋光速率，提高材料的去除速率。
[0012] 采用本發(fā)明提供的拋光液對藍(lán)寶石基片、硅片進(jìn)行拋光，可以有效地降低藍(lán)寶石、 硅片表面的粗糙度，提高藍(lán)寶石、硅片表面的去除速率。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例綜述于后。
[0014] 實(shí)施例1 本發(fā)明的鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨?？刹捎霉渤恋矸ㄖ苽?。制備過程為：在離子 交換法制備硅溶膠的過程中將鐵元素通過共沉淀的方法摻雜到氧化硅溶膠顆粒中。將質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為8. 0 %水玻璃通過陽離子交換樹脂，待流出的液體的pH值在2. 5-3. 5之間時(shí)接收流 出的液體，則得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 0-3. 0%活性硅酸溶液；在100°C及攪拌下，將750克質(zhì)量分 數(shù)為0. 29%氯化鐵溶液與750克質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 0-3. 0%活性硅酸溶液，加入到3000克質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為10%的晶種氧化硅溶液中，同時(shí)滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為〇. 4%的氫氧化鈉溶液，控制滴加速 度，保持氧化硅晶種母液的液面保持基本不變，且控制pH范圍在9. 0-11. 0之間。反應(yīng)一直 進(jìn)行，直到鐵離子與活性硅酸的混合液滴加完后，反應(yīng)結(jié)束，停止加熱，繼續(xù)攪拌至溶液到 室溫，然后倒入燒杯中即可得到鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠的復(fù)合磨粒溶液。拋光前，將復(fù)合磨 粒溶液經(jīng)過350目的慮篩，加入去離子水配制成5升的拋光液，再加入100g分散劑六偏磷 酸鈉，攪拌均勻。所得的溶液即是摻雜質(zhì)量比為〇. 48%的鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒 的拋光液。
[0015] 摻雜質(zhì)量比為0. 48 %鐵摻雜膠體氧化硅復(fù)合磨粒拋光液的組成和質(zhì)量百分比如 下： 鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒 6. 02 wt. % 分散劑六偏磷酸鈉 2 wt. % 去離子水 91.98 wt. % 實(shí)施例2 采用1500g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 29%的氯化鐵溶液與1500g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 0-3. 0%活性硅酸 溶液。最后得到摻雜質(zhì)量比〇. 96%的鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒的拋光液。
[0016] 摻雜質(zhì)量比為0. 96 %鐵摻雜膠體氧化硅復(fù)合磨粒拋光液的組成和質(zhì)量百分比如 下： 鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒 6. 06 wt. % 分散劑六偏磷酸鈉 2 wt. % 去離子水 91.94 wt. % 實(shí)施例3 采用3000g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 29%的氯化鐵溶液與3000g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 0-3. 0%活性硅酸 溶液混合均勻。最后得到摻雜質(zhì)量比1.91%的鐵元素?fù)诫s氧化娃溶膠復(fù)合磨粒的拋光液。
[0017] 摻雜質(zhì)量比為1.91 %鐵摻雜膠體氧化硅復(fù)合磨粒拋光液的組成和質(zhì)量百分比如 下： 鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒 6. 12 wt. % 分散劑六偏磷酸鈉 2 wt. % 去離子水 91.88 wt. % 比較例1 未摻雜的純的氧化硅溶膠拋光液。即反應(yīng)過程中不滴加氯化鐵溶液，得到未摻雜鐵的 純氧化娃溶膠拋光液。
[0018] 純的膠體氧化硅磨粒拋光液的組成和質(zhì)量百分比如下： 未摻雜鐵元素的氧化硅溶膠復(fù)合磨粒 6.0 wt. % 分散劑六偏磷酸鈉 2 wt. % 去離子水 92 wt. % 拋光實(shí)驗(yàn) 使用上述拋光液在一定拋光條件下對藍(lán)寶石基片、硅片進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，拋光條件如 下： 拋光機(jī)：UNIP0L-1502單面拋光機(jī) 拋光工件：直徑為50. 8nm的藍(lán)寶石基片、直徑為50. 8nm的硅片 拋光墊：聚氨酯材料、RODEL生產(chǎn) 拋光壓力：藍(lán)寶石拋光為6公斤、硅片拋光為4公斤 下盤轉(zhuǎn)速：60rpm 拋光時(shí)間：藍(lán)寶石拋光為3小時(shí)、硅片拋光為1小時(shí) 拋光后，接著洗滌和干燥基片，然后測量基片的表面形貌特征。表面平均粗糙度（Ra) 與微粗糙度（RMS)用AmbiosXI-100表面形貌儀，其分辨力為0. 1埃。測試范圍為93. 5微 米X93. 5微米?；亓坑梅治鎏炱椒Q量，拋光前后重量差除以基片表面積及拋光時(shí)間為 拋光速率。
[0019] 各實(shí)施例拋光液對藍(lán)寶石的拋光效果分別見表1.可見，與比較例1純氧化硅磨粒 拋光液相比，含鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒(實(shí)施例1、2、3 )對藍(lán)寶石基片進(jìn)行拋光后， 均降低了藍(lán)寶石基片表面的粗糙度（Ra)及微粗糙度（RMS)，并提高了藍(lán)寶石基片表面的去 除率。
[0020] 各實(shí)施例拋光液對硅片的拋光效果分別見表2.可見，與比較例I (純的氧化硅磨 粒拋光液）相比，含鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒(實(shí)施例1、2、3)對硅片進(jìn)行拋光后，均 降低了硅片表面的粗糙度（Ra)及微粗糙度（RMS)，并大大提高了去除率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠的復(fù)合磨粒，其特征在于具有如下組成： a.鐵元素化合物(氯化鐵）0. 1-5 wt. % ; b?氧化娃溶膠99. 9-95 wt. %。2. -種鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒的制備方法，其特征在于具有如下的過程和步 驟： a. 將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0 %水玻璃通過陽離子交換樹脂，待流出的液體的pH值在2. 5-3. 5 之間時(shí)接收流出的液體，則得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 0-3. 0%活性硅酸溶液； b. 在100°C及攪拌下，將750-3000克質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 29%氯化鐵溶液與750-3000克質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為2. 0-3. 0%活性硅酸溶液，加入到3000克質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的晶種氧化硅溶液中，同 時(shí)滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為〇. 4%的氫氧化鈉溶液，控制滴加速度，保持氧化硅晶種母液的液面保持 基本不變，且控制pH范圍在9. 0-11. 0之間； c. 控制滴加及水分蒸發(fā)速度，使母液的液面保持基本不變，直到混合液滴完，反應(yīng)半 小時(shí)后關(guān)掉加熱器，攪拌降溫到室溫；即得到鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠的復(fù)合磨粒。3. -種拋光液組合物，其特征在于具有以下的組成： 鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒 6-6. 12 wt. %， 分散劑六偏磷酸鈉 2 wt. %， 去離子水 余量； 以上各組成的質(zhì)量百分含量之和為100 wt. %。4. 一種拋光液組合物的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟： a. 上述鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒溶液通過350目的濾篩，除去大顆粒； b. 向其中加入去離子水配制成5升的溶液； c. 再向其中加入100克分散劑六偏磷酸鈉，攪拌均勻；得到拋光液組合物。
【專利摘要】本發(fā)明涉及鐵元素?fù)诫s氧化硅溶膠的復(fù)合磨粒、拋光液組合物及其制備方法。該復(fù)合磨粒的制備方法為：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.29%氯化鐵溶液與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2-3%稀硅酸溶液以等質(zhì)量比，在一定反應(yīng)條件下加入氧化硅晶種中，通過硅溶膠長大過程將鐵元素?fù)诫s到氧化硅溶膠磨粒中去，形成均一、穩(wěn)定的鐵元素?fù)诫s硅溶膠的復(fù)合磨粒，且摻雜質(zhì)量比為0.1%-5.0%。本發(fā)明的復(fù)合磨粒的物理結(jié)構(gòu)為納米級的球形，該磨粒的化學(xué)組成上含有鐵元素，鐵元素的作用是可與藍(lán)寶石、硅片表面發(fā)生化學(xué)作用，提高了拋光速率。本發(fā)明提供的拋光液對藍(lán)寶石基片和硅片進(jìn)行拋光，可以有效降低藍(lán)寶石和硅片表面的粗糙度及微粗糙度，且提高藍(lán)寶石和硅片的拋光速率。
【IPC分類】C09G1/02, C09K3/14
【公開號】CN104946202
【申請?zhí)枴緾N201510276371
【發(fā)明人】雷紅, 顧倩, 陳入領(lǐng), 馬盼, 仝開宇, 黃麗琴, 張佰春
【申請人】上海大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年5月26日