一種鈦元素摻雜氧化硅溶膠的復合磨粒、其拋光液組合物及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種鈦元素摻雜氧化硅溶膠的復合磨粒、其拋光液組合物及其制備方法。本發明的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒，所述的復合磨粒按照重量百分數由以下成分組成：含鈦化合物0.1?5wt.%；氧化硅溶膠99.9?95 wt.%。本發明的復合磨粒的物理結構為納米球形，該磨粒的化學組成上含有鈦元素，鈦元素可以提高磨粒的化學作用。化學作用可提高磨粒的拋光速率，提高材料的去除速率。采用本發明提供的拋光液對藍寶石基片、硅片進行拋光，可以有效地降低藍寶石、硅片表面的粗糙度，提高藍寶石、硅片表面的去除速率。
【專利說明】
一種鈦元素摻雜氧化硅溶膠的復合磨粒、其拋光液組合物及 其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種拋光磨粒、拋光液組合物及其制備方法，特別是一種鈦元素摻雜 硅溶膠復合磨粒的制備方法以及原材料表面研磨拋光技術領域。
【背景技術】
[0002] 藍寶石材料由于其較高的莫氏硬度和較好的化學穩定性，被廣泛的應用于電學、 光學等領域。在光電子領域中，發光二極管(LED)具有低工作電壓、低功耗、高效率、長壽命、 固體化、快響應速度和驅動電路等簡單優點，被公認為21世紀最具發展前景的高技術領域 之一。藍寶石因為其有良好的高溫穩定性和力學性能，而作為LED的襯底材料。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。
[0003] 目前，普遍采用化學機械拋光(CMP)技術對藍寶石器件表面進行精密拋光。磨粒是 化學機械拋光液中的主要成分，目前實際中廣泛采用的研磨粒通常是氧化硅、氧化鋁等傳 統無機粒子。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，如拋光速率低而導致生產效率低，表面質量有待繼續提高。因此我們通過改變拋光液中 磨粒特性來提高去除率。
[0004] 專利申請"201110298605. X"，名稱為"含拋光活性元素的多孔納米復合磨粒、拋光 液組合物及其制備方法"，這個專利為傳統的共沉淀-燒結-球磨方式，這種方法雖然引入活 性元素提高了拋光液的效率，但是很難保持顆粒的很好的均一性，并且儲存、分散性能較 差。
【發明內容】
[0005] 為了解決現有技術的不足之處，本發明通過水溶液中晶體生長方法制備復合磨 粒，制備過程中，磨粒是處于水溶液體系，分散性良好，且是溶膠狀態，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。
[0006] 本發明的目的之一在于提供了一種鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒。
[0007] 本發明的目的之二在于提供含有鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒的拋光液組合 物。
[0008] 本發明的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒，所述的復合磨粒按照重量百分數由以 下成分組成：
[0009] 含鈦化合物 0.1-5%
[0010] 氧化硅溶膠 95-99.9%。
[0011] 優選地，
[0012] 所述的復合磨粒按照重量百分數由以下成分組成：
[0013] 含鈦化合物 0.5-1.5%
[0014] 氧化硅溶膠 98.5-99.5%
[0015] 所述的含鈦化合物為Ti0(0H)2。
[0016] 本發明的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒的制備方法，包括如下步驟：
[0017] 1)將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之間時接收流 出的液體，則得到活性硅酸溶液；
[0018] 2)在100°C及攪拌下，將硫酸鈦溶液與步驟1)所得的活性硅酸溶液，加入到晶種氧 化硅溶液中，同時滴加氫氧化鈉溶液，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；
[0019] 3)控制滴加及水分蒸發速度，使母液的液面保持基本不變，直到混合液滴完，關掉 加熱器，攪拌降溫到室溫;即得到鈦元素摻雜氧化硅溶膠的復合磨粒。
[0020] 所述的步驟1)中，水玻璃的質量分數為8% ;所述的活性硅酸溶液的質量分數為2-3%〇
[0021] 所述的步驟2)中，硫酸鈦溶液的質量分數為0.5%;所述的晶種氧化硅溶液的質量 分數為10 %。
[0022] 本發明的含有鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒的拋光液組合物，所述的拋光液組 合物按照重量百分數由以下成分組成：
[0023] 鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒6.03-6.09wt. %，
[0024] 分散劑六偏磷酸鈉 2wt.%，
[0025] 去離子水 余量，
[0026]各組分的質量百分含量之和為100%。
[0027]本發明的拋光液組合物的制備方法，包括如下步驟：
[0028] 1)上述鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒溶液通過350目的濾篩，除去大顆粒；
[0029 ] 2)向其中加入分散劑六偏磷酸鈉，攪拌均勻;得到拋光液組合物。
[0030]本發明的復合磨粒的物理結構為納米球形，該磨粒的化學組成上含有鈦元素，鈦 元素可以提高磨粒的化學作用。化學作用可提高磨粒的拋光速率，提高材料的去除速率。 [0031 ]采用本發明提供的拋光液對藍寶石基片、硅片進行拋光，可以有效地降低藍寶石、 硅片表面的粗糙度，提高藍寶石、硅片表面的去除速率。
【具體實施方式】
[0032] 現將本發明的具體實施例綜述于后。
[0033] 實施例1
[0034] 本實施例的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒可采用共沉淀法制備。制備過程為： 在離子交換法制備硅溶膠的過程中將鈦元素通過共沉淀的方法摻雜到氧化硅溶膠顆粒中。 具體步驟如下：
[0035] 1)將質量分數為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之間時接收流出的液體，則得到質量分數為2.7 %活性硅酸溶液；
[0036] 2)在100°C及攪拌下，將746克質量分數為0.5%的硫酸鈦溶液與步驟1所得的373 克質量分數為2.7%活性硅酸溶液，加入到3000克質量分數為10%的晶種氧化硅溶液中，同 時滴加質量分數為〇. 5 %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。
[0037] 3)反應一直進行，直到鈦離子與活性硅酸的混合液滴加完后，反應結束，停止加 熱，繼續攪拌至溶液到室溫，然后倒入燒杯中即可得到鈦元素摻雜氧化硅溶膠的復合磨粒。 [0038] TiO(OH)2含量計算公式為：
[0039] {(偏鈦酸TiO(OH)2摩爾質量X投料硫酸鈦的質量)/硫酸鈦摩爾質量}/拋光液固 含量X100%。
[0040] 實施例1中TiO(OH)2含量：（98X746 Χ0·5%/240)/{ (3000 X 10%) (98X746 X 0.5%/240)} Χ100%=0.5%
[0041 ] 復合磨粒中含有0.5%w/w的TiO(OH)2和99.5%w/w的氧化硅溶膠顆粒。
[0042]使用時，制成拋光液組合物，拋光液組合物的組成和質量百分比如下：
[0043]鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒 6.03wt.%
[0044] 分散劑六偏磷酸鈉 2wt.%
[0045] 去離子水 余量
[0046]各組分的質量百分含量之和為100%。
[0047]拋光液組合物的制備方法：
[0048] 1)上述鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒溶液通過350目的濾篩，除去大顆粒；
[0049] 2)加入去離子水配制成5升的拋光液，
[0050] 3)向其中加入100g分散劑六偏磷酸鈉，攪拌均勻;得到拋光液組合物。
[0051 ] 實施例2
[0052]本實施例的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒，制備過程如下:采用1492g質量分數 為0.5%的硫酸鈦溶液與746g質量分數為2.7 %活性硅酸溶液。其他步驟同實施例1。得到鈦 元素摻雜氧化硅溶膠的復合磨粒。
[0053] 實施例2中Ti0(0H)2含量：（98 X 1492X0 ·5%/240)/{ (3000X10% ) + (98 X 1492 X 0.5%/240)} X100% = 1.0%
[0054] 復合磨粒中含有1.0%w/w的Ti0(0H)2和99.0%w/w的氧化硅溶膠。
[0055] 使用時，制成拋光液組合物，拋光液組合物的組成和質量百分比如下：
[0056] 鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒 6.06wt.%
[0057] 分散劑六偏磷酸鈉 2wt.%
[0058] 去離子水 余量
[0059]各組分的質量百分含量之和為100%。
[0060]拋光液組合物的制備方法同實施例1。
[0061 ] 實施例3
[0062] 本實施例的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒，制備過程如下:采用2238g質量分數 為0.5 %的硫酸鈦溶液與1119g質量分數為2.7 %活性硅酸溶液。其他步驟同實施例1。得到 鈦元素摻雜氧化硅溶膠的復合磨粒。
[0063] 實施例3中Ti0(0H)2含量：（98 X 2238X0 ·5%/240)/{ (3000X10% ) + (98 X 2238 X 0.5%/240)} X100% = 1.5%
[0064] 復合磨粒中含有1.5%w/w的Ti0(0H)2和98.5%w/w的氧化硅溶膠。
[0065] 使用時，制成拋光液組合物，拋光液組合物的組成和質量百分比如下：
[0066] 鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒 6.09wt.%
[0067] 分散劑六偏磷酸鈉 2wt.%
[0068] 去離子水 余量
[0069]各組分的質量百分含量之和為100%。
[0070] 拋光液組合物的制備方法同實施例1。
[0071] 比較例1
[0072] 未摻雜的純的氧化硅溶膠拋光液。即反應過程中不滴加硫酸鈦溶液，得到未摻雜 鐵的純氧化硅溶膠拋光液。
[0073] 純的膠體氧化硅磨粒拋光液的組成和質量百分比如下：
[0074]未摻雜鐵元素的氧化硅溶膠復合磨粒 6.0wt.%
[0075] 分散劑六偏磷酸鈉 2wt.%
[0076] 去離子水 92wt·%
[0077] 實施例4拋光實驗
[0078] 使用上述拋光液在一定拋光條件下對藍寶石基片、硅片進行拋光實驗，拋光條件 如下：
[0079] 拋光機:UNIP0L_1502單面拋光機
[0080] 拋光工件:直徑為50 · 8nm的藍寶石基片、直徑為50 · 8nm的硅片
[0081 ] 拋光墊:聚氨酯材料、R0DEL生產
[0082]拋光壓力：藍寶石拋光為6公斤、硅片拋光為4公斤
[0083] 下盤轉速:60rpm
[0084] 拋光時間：藍寶石拋光為3小時、硅片拋光為1小時
[0085] 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500微米 X500微米。基片重量用分析天平稱量，拋光前后重量差除以基片表面積及拋光時間為拋光 速率。
[0086] 各實施例拋光液對藍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，含鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒(實施例1、2、3)對藍寶石基片進行拋光后， 均降低了藍寶石基片表面的粗糙度(Ra)及微粗糙度(RMS)，并提高了藍寶石基片表面的去 除率。
[0087] 表1各種拋光液對藍寶石基片的拋光效果
[0089] 各實施例拋光液對硅片的拋光效果分別見表2。可見，與比較例1(純的氧化硅磨粒 拋光液)相比，含鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒(實施例1、2、3)對硅片進行拋光后，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。
[0090] 表2各種拋光液對娃片的拋光效果
【主權項】
1. 一種鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒，其特征在于，所述的復合磨粒按照重量百分 數由以下成分組成： 含鈦化合物 0.1-5% 氧化硅溶膠 95-99.9%。2. 根據權利要求1所說的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒，其特征在于，所述的復合磨 粒按照重量百分數由以下成分組成： 含鈦化合物 0.5-1.5% 氧化硅溶膠 98.5-99.5% 所述的含鈦化合物為T i O (OH) 2。3. 如權利要求1或2所述的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒的制備方法，其特征在于， 包括如下步驟： 1) 將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之間時接收流出的 液體，則得到活性硅酸溶液； 2) 在100°C及攪拌下，將硫酸鈦溶液與步驟1所得的活性硅酸溶液，加入到晶種氧化硅 溶液中，同時滴加氫氧化鈉溶液，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； 3) 控制滴加及水分蒸發速度，使母液的液面保持基本不變，直到混合液滴完，關掉加熱 器，攪拌降溫到室溫;即得到鈦元素摻雜氧化硅溶膠的復合磨粒。4. 根據權利要求3所述的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒的制備方法，其特征在于，所 述的步驟1)中，水玻璃的質量分數為8% ;所述的活性硅酸溶液的質量分數為2-3%。5. 根據權利要求3所述的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒的制備方法，其特征在于，所 述的步驟2)中，硫酸鈦溶液的質量分數為0.5%;所述的晶種氧化硅溶液的質量分數為 10%〇6. 含有如權利要求1-2任意一項所述的鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒的拋光液組合 物，其特征在于，所述的拋光液組合物按照重量百分數由以下成分組成： 鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒6.03-6.09wt. %， 分散劑六偏磷酸鈉 2wt. %， 去離子水 余量， 各組分的質量百分含量之和為100 %。7. 如權利要求6所述的拋光液組合物的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 上述鈦元素摻雜氧化硅溶膠復合磨粒溶液通過350目的濾篩，除去大顆粒； 2) 向其中加入分散劑六偏磷酸鈉，攪拌均勻;得到拋光液組合物。
【文檔編號】C09K3/14GK105885790SQ201610327958
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】李家榮, 仝開宇, 雷紅, 朱小華
【申請人】江蘇天恒納米科技股份有限公司