CN114958302B - 一种高效的研磨液及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于研磨液技术领域，提供了一种高效的研磨液及其制备方法和应用，本发明通过采用含有多元醇的主溶剂、阳离子化合物作为研磨液的主要液体组分，借助同性电荷之间的斥力提高磨料间的排斥力的效果，改善磨料的分散效果，工作时，有助于提升磨粒在体系中的作用时间，本发明的研磨液的研磨效率高，本发明的材料移除量相对于常规的研磨液体系提升至少18.78％，且可以保证表面粗糙度在15‑25nm的纳米级范围内，本发明先将主溶剂的pH值调节至4‑8，然后依次加入阳离子化合物和磨料制得研磨液，本发明的制备方法简便易操作，所制得的研磨液均匀稳定。

Description

一种高效的研磨液及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及研磨液技术领域，更具体地，涉及一种高效的研磨液及其制备方法和应用。

背景技术

蓝宝石材料，硬度仅次于金刚石，具有很好的强度和优异的耐刮擦性能，同时具有良好的光学性能，因此在电子消费市场和可穿戴设备市场有着广阔的应用前景。但是，蓝宝石材料的加工过程，一般经过粗磨和精磨工序、CMP(化学机械研磨)工序，粗磨或精磨工序作为CMP工序的前工序，要求在控制好表面粗糙度(目前基本要求表面粗糙度值Ra>10nm)的同时，尽可能提升材料移除量，以提升工作效率，提升产能，降低成本，但是由于蓝宝石材料硬度高，目前的加工工艺中的粗磨和精磨工序的材料移除量小，研磨效率低，因此，亟需开发一种高效的研磨液，在控制表面粗糙度的同时，提升蓝宝石的加工工艺中粗磨和精磨工序的研磨效率。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高效的研磨液及其制备方法和应用，本发明提供的研磨液能够提高材料移除量，可以应用于粗磨和精磨工序中，在控制表面粗糙度的同时，提高材料的研磨效率,材料移除量相对于常规的研磨液体系提升至少18.78％，且可以保证表面粗糙度在15-25nm的纳米级范围内。

本发明的第一方面提供一种高效的研磨液。

具体地，一种高效的研磨液，包括液体组分和磨料；

所述液体组分包括主溶剂和阳离子化合物；

所述主溶剂包括多元醇；

所述主溶剂中多元醇的质量为研磨液总质量的70％以上；

所述阳离子化合物的质量为研磨液总质量的0.15-15wt％；

所述磨料的平均粒径大于1Mic，小于等于100Mic。

本发明采用主溶剂、阳离子化合物作为研磨液的液体组分，主溶剂中含有多元醇，为碱性体系，与磨料共同制得的研磨液，由于本发明采用的磨料粒径达到微米级，在体系中难以分散，因此本发明添加了阳离子化合物，磨料和阳离子化合物具有相同的正电荷，磨料和阳离子化合物不会发生电荷中和，阳离子化合物可以作为增效剂，提升电荷的密度，阳离子化合物提供了强电荷静力，提升了磨料间的排斥力，改善了磨料的分散效果，可借助同性电荷之间的斥力达到提高磨料间的排斥力的效果，工作时，有助于延长磨粒在体系中的作用时间，从而提高研磨效率。

优选地，所述阳离子化合物为季铵盐、叔胺盐、铵盐、碱金属盐、碱土金属盐中的一种或几种。

更优选地，所述阳离子化合物为季铵盐和/或叔胺盐。季铵盐和叔胺盐作为一种强阳离子化合物，可作为理想的增效剂。

优选地，所述季铵盐为聚季铵盐-10。

优选地，所述阳离子化合物的质量为研磨液总质量的0.15-10wt％。

优选地，所述主溶剂的质量为研磨液总质量的70-99wt％；

优选地，所述磨料的平均粒径为1-80Mic。

优选地，所述主溶剂中多元醇的质量为研磨液总质量的80％以上。

优选地，所述主溶剂还含有水。

优选地，所述主溶剂中水的质量为研磨液总质量的3-30％。

优选地，所述多元醇为乙二醇、丙三醇、三甘醇中的一种或几种。

优选地，所述研磨液的pH为7-10。

优选地，所述液体组分中还包括酸溶液、消泡剂、增稠剂、分散剂、金属腐蚀抑制剂中的一种或几种。

优选地，以研磨液的总质量为基准，按照质量百分数计，所述研磨液包括：0.1-10wt％消泡剂、0.1-10wt％增稠剂、0.1-10wt％分散剂、0.1-10wt％金属腐蚀抑制剂。

优选地，所述酸溶液为硼酸、稀盐酸、醋酸中的一种或几种。酸溶液的作用是调节pH值。

优选地，所述消泡剂为含Si、F类消泡剂。

更优选地，所述消泡剂为二甲基硅油。

优选地，所述增稠剂为白炭黑、纤维素、聚丙烯酸酸、聚丙烯酸盐、有机膨润土、癸二烯交联共聚物中的一种或几种。

更优选地，所述增稠剂为羟乙基纤维素。

优选地，所述分散剂为超级分散剂。

优选地，所述金属腐蚀抑制剂为一乙醇胺、三乙醇胺、硼酸盐、多磷酸盐、甜菜碱、苯***衍生物中的一种或几种。

优选地，所述磨料的质量为研磨液总质量的0.2-20wt％。

优选地，所述磨料为金刚石团聚磨料、多晶金刚石磨料、类多晶金刚石磨料、单晶金刚石磨料、改性金刚石磨料、氧化铝磨料、碳化硅磨料、二氧化硅磨料、碳化硼磨料、氧化铈磨料、碳酸钙磨料中的一种或几种。

本发明的第二方面提供一种高效的研磨液的制备方法。

本发明保护上述研磨液的制备方法，包括如下步骤：

先调节主溶剂的pH值至4-8，得到第一溶液，然后加入阳离子化合物，得到第二溶液，再加入磨料，混合，得到所述研磨液。

优选地，所述调节主溶剂的pH值采用酸溶液。

优选地，所述阳离子化合物先用水或有机溶剂预溶，配成溶液后再加入到第一溶液中。

优选地，还包括在加入阳离子化合物的同时加入分散剂，得到第二溶液。

优选地，还包括在第二溶液中加入消泡剂，静置，得到第三溶液，再加入增稠剂、金属腐蚀抑制剂，得到第四溶液，然后加入磨料，混合，得到所述研磨液。

优选地，所述加入磨料前，还包括将磨料先加入到醋酸溶液中搅拌均匀，进行预处理。

优选地，所述醋酸溶液的质量分数为5-8％。

本发明的第三方面提供一种高效的研磨液的应用。

本发明保护上述研磨液在材料加工中的应用。

优选地，所述材料为脆硬材料。

更优选地，所述材料为碳化硅、蓝宝石、陶瓷材料。

优选地，所述材料加工为制备半导体元件。

优选地，所述研磨液在制备半导体元件中粗磨或精磨工序中的应用。

优选地，所述研磨液为双面非铜盘研磨机或单面研磨机用研磨液。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过采用含有多元醇的主溶剂、阳离子化合物作为研磨液的主要液体组分，由于阳离子化合物提供了强正电荷静力，与带有正电荷的磨料相互存在排斥力，阳离子化合物可以作为增效剂，提升电荷的密度，提升了磨料间的排斥力，改善磨料的分散效果，可借助同性电荷之间的斥力达到提高磨料间的排斥力的效果，工作时，保证磨粒尽可能不沉降，有助于延长磨粒在体系中的作用时间，提高研磨效率，本发明的材料移除量相对于常规的研磨液体系提升至少18.78％，且可以保证表面粗糙度在15-25nm的纳米级范围内；

(2)本发明先调节主溶剂pH值至4-8，然后依次加入阳离子化合物和磨料，由于主溶剂中含有多元醇，因此先调节主溶剂的pH值，再添加阳离子化合物，以保证整个体系的稳定性，避免产生氢气而导致体系失效，同时也方便进一步引入阳离子化合物，加入阳离子化合物后，再加入磨料，即可制得均匀稳定的研磨液，本发明的制备方法简便易操作。

具体实施方式

为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。

以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。

本发明的实施例和对比例采用的原料如下：

磨料：

金刚石微粉A(标准型)，平均粒径2Mic；

金刚石微粉B(多孔型)，平均粒径2Mic；

金刚石微粉C(超硬型)，平均粒径2Mic；

金刚石微粉D(标准型)，平均粒径0.75Mic；

以上金刚石微粉A-D为珠海戴蒙斯科技有限公司生产的金刚石团聚微粉：

碳化硼微粉为外购，平均粒径10Mic。

多元醇：三甘醇，三井。

阳离子化合物：聚季铵盐-10，陶氏。

消泡剂：二甲基硅油，道康宁。

增稠剂：羟乙基纤维素(HEC)，陶氏。

分散剂：超级分散剂，巴斯夫XL40。

金属腐蚀抑制剂：三乙醇胺，巴斯夫。

酸溶液：质量分数5％醋酸。

实施例1

一种高效的研磨液，包括液体组分和磨料，液体组分包括主溶剂和阳离子化合物，主溶剂包括多元醇，研磨液的pH为8-9。

以研磨液总质量为基准，各组分的质量百分数如表1所示。

实施例2-12和对比例1-10

实施例2-12和对比例1-10的组分及其用量如表1所示。

表1各实施例和对比例的组分及其用量(以研磨液的总质量为基准，单位：wt％)

上述各实施例的研磨液的制备方法，包括如下步骤：

(1)主溶剂中加入酸溶液，调节pH值至7-8，得到第一溶液；

(2)季铵盐先用水预溶，配成溶液，然后在第一溶液中加入已经预溶的季铵盐和分散剂，搅拌均匀，得到第二溶液；

(3)在第二溶液中加入消泡剂，搅拌均匀，静置24h，得到第三溶液；

(4)在第三溶液中加入增稠剂、金属腐蚀抑制剂，搅拌均匀，得到第四溶液；

(5)先将磨料用质量分数5％的醋酸溶液搅拌均匀，进行预处理，然后在第四溶液中加入预处理后的磨料，搅拌均匀，得到研磨液。

应用例1

将上述各实施例和对比例制得的研磨液应用在蓝宝石材料加工工艺的粗磨工序中。相关实验使用的设备为ZYP230型旋转摆动单面研磨机，把下盘贴好磨皮，测试工件贴在上盘，研磨液用蠕动泵抽到工作盘面，测试期间，研磨液要保证持续的搅拌。

1、测试方法

测试设备：ZYP230型旋转摆动单面研磨机。

其余用到的设备：2.2KW高速分散机；精度0.1g的BWS-6-SN天平；精度10g的HY-602天平；精度0.01的PC-905A pH计，称重仪器为METTLER TOLEDO AB204S分析天平；精度0.001um的MITUTOYO SJ210粗糙度测试仪；研磨皮为珠海戴蒙斯科技有限公司生产的型号为SPHU的立体结构的树脂材料的研磨皮。

重压测试中压力：6KG；磨盘转数：75RPM(压块转数：60rpm，摆幅10mm)；研磨液流量：4mL/min；研磨时间：30mins；材料：C向蓝宝石，直径25mm，3片/磨。

轻压测试中压力：2.4KG；磨盘转数：50RPM(压块转数：50rpm，摆幅10mm)；研磨液流量：3mL/min；研磨时间：40mins；材料：C向蓝宝石，直径25mm，3片/磨。

测试方法：实验进行前，样品均采用珠海戴蒙斯科技有限公司生产的SRD-20钻石研磨垫进行粗磨，单面移除量80-100Mic，确保每次实验前加工工件表面状况基本一致，粗磨后(精磨前)Ra：0.35-0.40Mic。

实验移除量采用减重法进行计算，即：每次实验前，对加工工件清洗，干燥，分析天平称重，得到磨前重量；实验后，对加工工件再次清洗，干燥，再用分析天平称重，得到磨后重量。

由于试验过程中会更换测试的蓝宝石样品，尺寸并非完全一致，因此为了减少误差，每次更换测试的蓝宝石样品则设置一个基准。本发明中研磨液的研磨效率用材料移除量和相对于基准提高百分比来表示，材料移除量和相对于基准提高百分比越高，则表示研磨液的研磨效率越高。

材料移除量(重量减少)＝磨前重量-磨后重量，单位以g计算。

提高百分比＝测试样的重量减少/基准的重量减少×100％。

2、测试结果

经MITUTOYO SJ210粗糙度测量仪测试，所有样品精磨之后的Ra处于15-25nm区域，表面粗糙度在纳米级的范围内。

表2在重压测试中不同比例季铵盐对研磨效率的影响

由表2结果可知，在重压测试中，本发明实施例1-3添加了季铵盐后的研磨液，相对于对比例1不含有季铵盐的研磨液的研磨效率高。

表3在轻压测试中不同比例季铵盐对研磨效率的影响

由表3结果可知，在轻压测试中，本发明实施例1-3添加了季铵盐后的研磨液，相对于对比例1不含有季铵盐的研磨液的研磨效率高。

表4在重压测试中不同比例增稠剂对研磨效率的影响

由表4结果可知，在重压测试中，随着增稠剂用量的增加，本发明实施例3-6的研磨液的研磨效率逐渐提高。

表5在轻压测试中不同比例增稠剂对研磨效率的影响

由表5结果可知，在轻压测试中，随着增稠剂用量的增加，本发明实施例3-5的研磨液的研磨效率逐渐提高。当实施例6添加了0.2％增稠剂，提高百分比略有下降，这是由于在轻压工作条件下，粘度太高，研磨液的流动性会下降，磨料难以很好的进入盘面，导致盘面实际磨粉量少，从而切削力下降，因此在轻压测试中，在添加1％季铵盐的研磨液的研磨效果最佳。

表6在重压测试中不同类型磨料对研磨效率的影响

由表6结果可知，在重压测试中，本发明实施例7的研磨效率较未添加季铵盐和增稠剂的对比例2高，且实施例7与实施例6的区别在于，采用了不同种类的磨料，均得到了较好的研磨效率，说明本发明的研磨液体系适用于不同类型的磨料。

表7在轻压测试中不同类型磨料对研磨效率的影响

由表7结果可知，在轻压测试中，本发明实施例8的研磨效率较未添加季铵盐和增稠剂的对比例3高，且实施例8与实施例5的区别在于，采用了不同种类的磨料，均得到了较好的研磨效率，说明本发明的研磨液体系适用于不同类型的磨粒。

表8在重压测试中不同类型磨料对研磨效率的影响

由表8结果可知，在重压测试中，本发明实施例9的研磨效率较未添加季铵盐和增稠剂的对比例3高，且实施例9与实施例6的区别在于，采用了不同种类的磨料，均得到了较好的研磨效率，说明本发明的研磨液体系适用于不同类型的磨粒。

表9在轻压测试中不同类型磨料对研磨效率的影响

由表9结果可知，在轻压测试中，本发明实施例10的研磨效率较未添加季铵盐和增稠剂的对比例4高，且实施例10与实施例5的区别在于，采用了不同种类的磨料，均得到了较好的研磨效率，说明本发明的研磨液体系适用于不同类型的磨粒。

应用例2

将上述各实施例和对比例制得的研磨液应用在蓝宝石材料加工工艺的粗磨工序中。以下表10-12的测试使用的设备为SHJ6S-5L双面研磨机，把上下盘贴好磨皮，测试工件用游星轮固定在工作面，研磨液用蠕动泵抽到工作盘面，测试期间，研磨液要保证持续的搅拌。

其余用到的设备：2.2KW高速分散机；精度0.1g的BWS-6-SN天平；精度10g的HY-602天平；精度0.01的PC-905A pH计，称重仪器为METTLER TOLEDO AB204S分析天平，精度0.001um的MITUTOYO SJ210粗糙度测试仪。

测试条件：16KG压力，上/下盘转数：9/30RPM，流量：3ml/min，研磨时间：50min；蓝宝石工件：C向25mm*15PCS/盘。

测试方法：实验进行前，样品均采用珠海戴蒙斯科技有限公司生产的SRD-20钻石研磨垫进行粗磨，双面移除量100-150Mic，确保每次实验前加工工件表面状况基本一致，粗磨后(精磨前)Ra：0.35-0.40Mic；

实验移除量采用减重法进行计算，即：每次实验前，对加工工件清洗，干燥，分析天平称重，得到磨前重量；实验后，对加工工件再次清洗，干燥，分析天平称重，得到磨后重量。

材料移除量(重量减少)＝磨前重量-磨后重量，单位以g计算。

提高百分比＝测试样的重量减少/基准的重量减少×100％。

研磨皮为珠海戴蒙斯科技有限公司生产的型号为SPHU的立体结构的树脂材料的研磨皮。

表10不同用量的季铵盐对研磨效率的影响

由表10结果可知，对比例7的研磨液与实施例11的区别在于，对比例7季铵盐的质量百分数减少至0.1％，本发明实施例11的重量减少比对比例7提升了将近50％，这是因为本发明采用的磨料粒径达到了微米级，分散效果不好，若季铵盐浓度太低，则对磨料的静电作用力太小，效果不明显，导致研磨液的研磨效率下降。

表11不同用量的水对研磨效率的影响

由表11结果可知，对比例9的研磨液与实施例12的区别在于，研磨液中三甘醇的用量减少，而水的含量增加到40％，导致对比例9研磨效率下降，这是由于聚季铵盐-10不溶于水，所以水的加入，会导致实际阳离子电荷密度的降低，金刚石微粉间的排斥作用力下降，更容易沉降，金刚石微粉在工作时的有效时间也降低，从而导致研磨效率下降。

表12不同粒径的磨料对研磨效率的影响

由表12结果可知，实施例11的研磨液与对比例10的区别在于，研磨液中金刚石微粉粒径的差异，对比例10的金刚石微粉粒径减小至0.75Mic，导致对比例10研磨效率下降巨大，虽然对比例10表面粗糙度仍然在纳米级别，但是由于金刚石本身的粒径太小，因此不利于提高研磨效率，这就说明了在精磨工序中，需要找到研磨效率与加工后工件表面质量的一个平衡，才能够在保证控制表面粗糙度达到纳米级别的同时，提高研磨效率。

Claims (4)

1.一种立体结构的树脂材料的研磨皮用研磨液，其特征在于，包括液体组分和磨料；

以研磨液的总质量为基准，按照质量百分数计，所述研磨液还包括：0.1-10wt％消泡剂、0.1-0.2wt％增稠剂、0.1-10wt％分散剂、0.1-10wt％金属腐蚀抑制剂；

所述液体组分包括主溶剂和阳离子化合物；

所述主溶剂包括多元醇；

所述主溶剂中多元醇的质量为研磨液总质量的80%以上；

所述阳离子化合物为季铵盐和/或叔胺盐；

所述阳离子化合物的质量为研磨液总质量的1wt%；

所述磨料的质量为研磨液总质量的1wt%；

所述磨料的平均粒径为2Mic；

所述研磨液的pH为7-10；

所述立体结构的树脂材料的研磨皮为珠海戴蒙斯科技有限公司生产的型号为SPHU的立体结构的树脂材料的研磨皮；

所述研磨液的制备方法，包括如下步骤：

先调节主溶剂的pH值至4-8，得到第一溶液，然后加入阳离子化合物，同时加入分散剂，得到第二溶液，加入消泡剂，静置，得到第三溶液，再加入增稠剂、金属腐蚀抑制剂，得到第四溶液，再加入磨料，混合，得到所述研磨液。

2.根据权利要求1所述的立体结构的树脂材料的研磨皮用研磨液，其特征在于，所述磨料为金刚石团聚磨料、改性金刚石磨料、氧化铝磨料、碳化硅磨料、二氧化硅磨料、碳化硼磨料、氧化铈磨料、碳酸钙磨料中的一种或几种。

3.权利要求1或2所述立体结构的树脂材料的研磨皮用研磨液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

先调节主溶剂的pH值至4-8，得到第一溶液，然后加入阳离子化合物，同时加入分散剂，得到第二溶液，加入消泡剂，静置，得到第三溶液，再加入增稠剂、金属腐蚀抑制剂，得到第四溶液，再加入磨料，混合，得到所述研磨液。

4.权利要求1或2所述的立体结构的树脂材料的研磨皮用研磨液在材料加工中的应用。