鎂元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒、拋光液及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種拋光磨粒、拋光液及其制備方法，特別是一種鎂元素?fù)诫s二氧化 硅溶膠的復(fù)合磨粒、拋光液及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 單晶藍(lán)寶石具有優(yōu)異的光學(xué)，電學(xué)，機(jī)械學(xué)，化學(xué)物理性質(zhì)。良好的透光性和機(jī) 械性能使得其在航空航天和國防上得到重視，用藍(lán)寶石單晶做成的紅外光學(xué)玻璃窗口和 整流罩，已廣泛用于機(jī)載、星載、航載以及潛載、陸基光電設(shè)備。值得一提的是單晶藍(lán)寶石 c (0001)面因?yàn)榕c半導(dǎo)體GaN的晶格系數(shù)失配率較小、機(jī)械強(qiáng)度高、價(jià)格便宜等成為發(fā)光二 極管的主要襯底材料且用作襯底的藍(lán)寶石表面必須足夠光滑才能滿足GaN的無缺陷生長。 但單晶藍(lán)寶石因?yàn)槠溆捕雀?，化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)對精密拋光提出了新的挑戰(zhàn)。
[0003] 目前，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP)因?yàn)槠涑杀镜蛼伖馑俣瓤毂粡V泛應(yīng)用于器件表面的精 密拋光。拋光液是化學(xué)機(jī)械拋光中最主要的要素，而拋光液中的磨粒種類、分散性等因素對 拋光效果有很大的影響。目前在藍(lán)寶石拋光的實(shí)際應(yīng)用中，通常采用氧化硅、氧化鋁等傳統(tǒng) 無機(jī)磨粒，其對藍(lán)寶石的拋光速率低，拋光速率和表面粗糙度上都不能很好的滿足工業(yè)需 求。已報(bào)道的復(fù)合磨粒也都大多是通過高溫煅燒再溶解之后得到復(fù)合氧化物磨粒，而在煅 燒再分散過程中，粒子會形成不規(guī)則形狀的團(tuán)聚物，從而增大拋光基片的表面粗糙度。傳統(tǒng) 無機(jī)磨粒表面接枝有機(jī)物核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合磨粒，這樣可以降低無機(jī)磨粒的硬度，但是因?yàn)?表面有機(jī)物為惰性體系，不能很好的和基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而降低了拋光速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的之一在于提供鎂摻雜二氧化硅溶膠的復(fù)合磨粒及其制備方法。
[0005] 本發(fā)明的目的之二在于提供含有復(fù)合磨粒的拋光液。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 本發(fā)明一種鎂元素?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： 鎂元素化合物(氫氧化鎂）0. 1-5 Wt. % ; 氧化娃溶膠99. 9-95 wt. %。
[0007] 本發(fā)明一種鎂元素?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. 先用陽離子交換法制備pH值為2. 5,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5 %的硅酸； b. 在100 °C攪拌條件下，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5 %的硅酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I. 1 %的Mg(NO3)2 溶液和I wt%氫氧化鈉分別加入750g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的二氧化硅晶種中；氫氧化鈉控制整 個溶膠體系PH值保持在10. 5,控制硝酸鎂和硅酸混合物的滴加速度保持溶膠體系中蒸發(fā) 速度和滴加速度相平衡；所述的硅酸溶液與所述的硝酸鎂溶液兩者的質(zhì)量比為1:1。
[0008] c.分別滴加120分鐘，240分鐘，360分鐘，制得鎂摻雜量為0· 5 wt%，L 0 wt%，L 5 wt%的復(fù)合顆粒溶膠體系，即一種鎂元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(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： 鎂摻雜氧化硅復(fù)合磨粒 10-10. 5%， 分散劑三聚磷酸鈉 0. 2-3%， 表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉 0. 01-1%， 去離子水 余量； 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. 將上述的鎂元素?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. 用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值到10. 5 ; c. 加入0. 2-3%分散劑三聚磷酸鈉、0. 01-1%表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，均勻混合 即得拋光液組合物。
[0011] 本發(fā)明的復(fù)合磨粒的結(jié)構(gòu)為內(nèi)部為純的二氧化硅晶種，外層長大的部分為氫氧化 鎂和二氧化硅摻雜在一起的部分。外層氫氧化鎂和藍(lán)寶石表層的氧化鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從 而提高對藍(lán)寶石的去除率。同時(shí)氫氧化鎂硬度比氧化硅小，可以降低對藍(lán)寶石表面的磨損， 降低表面粗糙度。這樣設(shè)計(jì)的磨?？赏瑫r(shí)達(dá)到"高速率、低粗糙度"拋光的目的。
[0012] 采用本發(fā)明提供的拋光液對藍(lán)寶石基片進(jìn)行拋光，可以有效地提高藍(lán)寶石表面去 除率，降低藍(lán)寶石表面的粗糙度。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面用一些實(shí)例對本發(fā)明的實(shí)施方案作進(jìn)一步說明。、 實(shí)施例。
[0014] 本發(fā)明的鎂摻雜氧化硅的復(fù)合磨料溶膠采用共沉淀法制備。制備過程為：先用陽 離子交換法制備pH值為2. 5,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5 Wt %的娃酸。在100 °C攪拌條件下，質(zhì)量分 數(shù)為2. 5 %的硅酸620g、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I. 1 %的Mg (NO3)2溶液620g和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %的氫 氧化鈉分別加入750g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的二氧化硅晶種中。氫氧化鈉控制整個溶膠體系pH 值保持在10. 5,控制硝酸鎂和硅酸混合物的滴加速度保持溶膠體系中蒸發(fā)速度和滴加速度 相平衡。制得鎂摻雜量為0.5 wt%的復(fù)合顆粒溶膠體系。鎂摻雜二氧化硅的復(fù)合磨粒粒徑 為101納米，溶膠最終pH值為10. 5。用350目的濾篩過濾之后，加入1. 0%分散劑三聚磷酸 鈉、0. 5%表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，即得拋光液。
[0015] 鎂摻雜氧化硅復(fù)合磨粒拋光液的組成和質(zhì)量百分比如下： 鎂摻雜氧化硅復(fù)合磨粒 10. 05% 分散劑三聚磷酸鈉 1.0% 表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉 0. 5%， 去尚子水 88.45%; 實(shí)施例2。
[0016] 本發(fā)明的鎂摻雜氧化硅的復(fù)合磨料溶膠采用共沉淀法制備。制備過程為：先用陽 離子交換法制備pH值為2. 5,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5 Wt %的娃酸。在100 °C攪拌條件下，質(zhì)量分 數(shù)為2. 5 %的硅酸1239g、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I. 1 %的Mg (NO3) 2溶液1239g和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %的氫 氧化鈉分別加入750g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的二氧化硅晶種中。氫氧化鈉控制整個溶膠體系pH 值保持在10. 5,控制硝酸鎂和硅酸混合物的滴加速度保持溶膠體系中蒸發(fā)速度和滴加速度 相平衡。制得鎂摻雜量為1.0 wt%的復(fù)合顆粒溶膠體系。鎂摻雜二氧化硅的復(fù)合磨粒粒徑 為105納米，溶膠最終pH值為10. 5。用350目的濾篩過濾之后，加入1. 0%分散劑三聚磷酸 鈉、0. 5%表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，既得拋光液。
[0017] 鎂摻雜氧化硅復(fù)合磨粒拋光液的組成和質(zhì)量百分比如下： 鎂摻雜氧化硅復(fù)合磨粒 10. 1% 分散劑三聚磷酸鈉 1.0% 表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉 0. 5%， 去離子水 88. 4% ; 實(shí)施例3。
[0018] 本發(fā)明的鎂摻雜氧化硅的復(fù)合磨料溶膠采用共沉淀法制備。制備過程為：先用陽 離子交換法制備pH值為2. 5,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5 Wt %的娃酸。在100 °C攪拌條件下，質(zhì)量分 數(shù)為2. 5 %的硅酸1860g、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I. 1 %的Mg (NO3) 2溶液1860g和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %的氫 氧化鈉分別加入750g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的二氧化硅晶種中。氫氧化鈉控制整個溶膠體系pH 值保持在10. 5,控制硝酸鎂和硅酸混合物的滴加速度保持溶膠體系中蒸發(fā)速度和滴加速度 相平衡。制得鎂摻雜量為1.5 wt%的復(fù)合顆粒溶膠體系。鎂摻雜二氧化硅的復(fù)合磨粒粒徑 為129納米，溶膠最終pH值為10. 5。用350目的濾篩過濾之后，加入1. 0%分散劑三聚磷酸 鈉、0. 5%表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，既得拋光液。
[0019] 鎂摻雜氧化硅復(fù)合磨粒拋光液的組成和質(zhì)量百分比如下： 鎂摻雜氧化硅復(fù)合磨粒 10. 15% 分散劑三聚磷酸鈉 1.0% 表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉 0. 5%， 去尚子水 88.35%; 比較例1。
[0020] 未摻雜鎂元素的純氧化硅溶膠拋光液；即在制備過程中不加入硝酸鎂溶液；顆粒 為95納米，調(diào)節(jié)pH值為10. 5。用350目的濾篩過濾之后，加入1. 0%分散劑三聚磷酸鈉、 0. 5%表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，即得未摻雜鎂的純氧化硅溶膠拋光液。
[0021] 二氧化硅磨粒拋光液的組成和質(zhì)量百分比如下： 二氧化硅磨粒 10% 分散劑三聚磷酸鈉 1.0% 表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉 0. 5%， 去尚子水 88.5%; 拋光試驗(yàn)：使用上述各拋光液在一定拋光條件下對藍(lán)寶石基片進(jìn)行拋光試驗(yàn)。拋光條 件如下： 拋光機(jī)：UNIP0L-1502單面拋光機(jī) 工件：直徑為50. 8 mm的藍(lán)寶石c(OOOl)面 拋光墊：聚氨酯材料、RODEL生產(chǎn) 拋光壓力：6公斤 下盤轉(zhuǎn)速：60 rpm 拋光時(shí)間：120分鐘 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)用 Ambios XI-100表面形貌儀測試，其分辨力為0. 1埃。測試范圍為93. 5 μ πΓ 93. 5 μ m?；?重量用分析天平稱量，拋光前后重量差除以拋光時(shí)間為拋光速率。
[0022] 各實(shí)施例拋光液的拋光效果分別見表1?？梢?，與比較例1 (純硅溶膠)相比，含有 鎂摻復(fù)合磨粒的溶膠(實(shí)施例1、2、3)對藍(lán)寶石基片拋光之后，均提高了拋光速度，并降低了 藍(lán)寶石表面的粗糙度。
[0023] 表1各實(shí)施例拋光液對藍(lán)寶石基片的拋光效果
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鎂元素?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.鎂元素化合物(硝酸鎂）0. 1-5 wt. % ; b?氧化娃溶膠99. 9-95 wt. %。
2. -種鎂元素?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. 先用陽離子交換法制備pH值為2. 5,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5 %的硅酸， b. 在100 °C攪拌條件下，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5 %的硅酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I. 1 %的Mg(NO3)2 溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %氫氧化鈉分別加入750g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %的二氧化硅晶種中， 氫氧化鈉控制整個溶膠體系pH值保持在10. 5,控制硝酸鎂和硅酸混合物的滴加速度 保持溶膠體系中蒸發(fā)速度和滴加速度相平衡，所述的硅酸溶液與所述的硝酸鎂溶液兩者的 質(zhì)量比為1:1， c. 通過滴加不同量的硝酸鎂溶液，制得鎂摻雜量為0.5 wt%，1.0 wt%，1.5 wt%的復(fù)合 顆粒溶膠體系，即一種鎂元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒。
3. -種拋光液組合物，其特征在于具有以下的組成： 鎂摻雜氧化硅復(fù)合磨粒 10-10. 5% 分散劑三聚磷酸鈉 〇. 2-3% 表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉 0. 01-1%， 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. 上述鎂元素?fù)诫s氧化硅溶膠復(fù)合磨粒溶液用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值到10. 5 ; b. 通過350目的濾篩，除去大顆粒； c. 加入0. 2-3%分散劑三聚磷酸鈉、0. 01-1%表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，均勻混合 即得拋光液組合物。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鎂摻雜二氧化硅溶膠的復(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1.1wt%的硝酸鎂溶液和2.5wt%的硅酸溶液按質(zhì)量比1:1混合，通過共沉淀法沉淀在二氧化硅晶種上。溶膠中的復(fù)合顆粒呈均勻球形，氫氧化鎂相對氧化硅的摻雜量為0.1wt%-5wt%。采用本發(fā)明的復(fù)合磨粒制備拋光液。鎂元素以氫氧化鎂形式摻雜入二氧化硅顆粒，在拋光過程中可以和藍(lán)寶石表面層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高了拋光速率。溶膠中的復(fù)合磨粒呈現(xiàn)均勻球形，球形結(jié)構(gòu)可以減小拋光過程中對藍(lán)寶石基片的劃削，保持表面的光滑性。因而，采用本發(fā)明提供的拋光液對藍(lán)寶石基片進(jìn)行拋光，可以有效提高藍(lán)寶石基片的去除率，并降低藍(lán)寶石表面的粗糙度。
【IPC分類】C09K3-14, C09G1-02
【公開號】CN104877633
【申請?zhí)枴緾N201510276373
【發(fā)明人】雷紅, 陳入領(lǐng), 馬盼, 顧倩, 仝開宇, 黃麗琴, 張佰春
【申請人】上海大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月26日