CN101273105A - 抛光浆料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种抛光浆料，包括液体介质和颗粒磨料。颗粒磨料包括软磨粒、硬磨粒和胶态氧化硅颗粒，其中软磨粒具有不大于8的Mohs硬度，硬磨粒具有不小于8的Mohs硬度，以及其中存在的软磨粒和硬磨粒的重量比不小于2∶1。

Description

抛光浆料及其使用方法

技术领域

本发明主要涉及一种抛光浆料以及抛光工件或零件的方法，特别涉及混入液体介质和微粒磨料的抛光浆料及其使用方法。

背景技术

抛光浆料跨越广阔的工业范围，普遍适用于机器工件或零件，包括金属或陶瓷零件，以及复合零件。一个成熟的和深入研究的工业领域包括用一种称为化学机械抛光(CMP)的方法来抛光半导体基材，其中浆液用机械或化学方法都能从半导体基材除去沉积材料。其他技术领域仅仅集中在通过使用研磨浆料(也通称为自由磨料(free abrasive))的机械去除，该研磨浆料含有研磨颗粒材料如金刚石，以及陶瓷氧化和非氧化物质基质(host)。

在许多种经受后成型机械加工的陶瓷和金属零件中，由硬陶瓷材料例如碳化硅形成的零件表现出了特别的挑战。已经发现这样的零件可大量用于各种工业用途，包括建筑的、耐火的和半导体加工零件。由于受到与常规的陶瓷加工相关的处理技术的限制，包括自然加工误差，陶瓷零件例如碳化硅零件经常需要后成形机械加工，其中零件处于致密形式，但需要表面抛光。如果是常规陶瓷零件的硬度，实现最终步骤的机械加工通常是费力的、昂贵的和费时的，该机械加工常包括抛光。

根据上述内容，许多研究在继续寻找抛光浆料或自由磨料以及相应的加工工艺，所述抛光浆料或自由磨料以及相应的加工工艺同时得到高度的材料清除率(MRR)，以及适宜的精抛光，例如低表面粗糙度以及高度平面性和表面平行性。这样的需求对陶瓷零件来说是特别急需的，特别包括上面提到的硬陶瓷。

发明内容

根据一个方面，提供一种抛光浆料，包括液体介质和颗粒磨料，该颗粒磨料包括软磨粒、硬磨粒和胶态氧化硅颗粒的组合。软磨粒可以具有不大于8的Mohs硬度，硬磨粒可以具有不小于8的Mohs硬度。软磨粒的用量通常大于硬磨粒，例如相比于硬磨粒的重量比为2∶1。

根据另一种实施方式，抛光浆料包括一种液体介质和颗粒磨料，该颗粒磨料包括铈土颗粒、金刚石颗粒和胶态氧化硅颗粒。铈土颗粒的量占微粒磨料的50wt％或更高。

根据另一方面，抛光浆料包括液体介质和颗粒磨料，该颗粒磨料包括软磨粒、硬磨粒和胶态氧化硅颗粒。颗粒用量分别为x wt％、ywt％和z wt％，其中x+z≥2y。

根据另一种实施方式，抛光浆料包括液体介质和颗粒磨料，该颗粒磨料包括软磨粒、硬磨粒和胶态氧化硅颗粒。硬磨粒具有比软磨粒高的Mohs硬度，软磨粒和硬磨粒至少一种具有正的表面电荷，从而使胶态氧化硅颗粒絮凝化。

根据另一方面，提供一种抛光陶瓷零件的方法，包括在陶瓷零件和机械工具之间提供一种如上所述的抛光浆料，陶瓷零件和机械工具相对移动，从而使材料从陶瓷零件表面除去。

附图说明

图1-4举例说明了在单晶SiC上不同浆料的抛光率。

具体实施方式

根据一种实施方式，提供一种抛光浆料，包括液体介质，其中具有颗粒磨料。颗粒磨料通常具有复合结构，包括几种不同种类的磨粒。在一种实施方式中，颗粒磨料包括软磨粒、硬磨粒和胶态氧化硅颗粒。通常，硬磨粒具有高于软磨粒的Mohs硬度。例如，硬磨粒的Mohs硬度可以不小于8，例如不小于9，实际上可以具有10的硬度。与此相反，软磨粒可以具有不大于8的硬度，例如不大于7，或甚至不大于6。在一个优选的实施方式中，软磨粒主要由铈土形成，而硬磨粒主要由金刚石形成。其它硬磨粒包括碳化硼、碳化硅和氧化铝。

在本文中使用铈土作为软磨粒材料的实施方式可以考虑形成CMP浆料，在机械方法和化学方法上都有作用。在抛光操作中，本文中的铈土可以作为氧化剂，有助于材料的去除。

通常颗粒磨料包括含量明显大于硬磨粒的软磨粒，例如软颗粒：硬颗粒的重量比不小于2∶1，例如不小于5∶1、10∶1或甚至15∶1。实际上，某些实施方式具有十分高的软磨粒装载量，例如按重量比不小于约20∶1。

软磨粒可以在颗粒磨料中作为主要组分，占颗粒磨料的50重量％或更高。在另一种实施方式中，颗粒磨料含有x wt％软磨粒、y wt％硬磨粒和z wt％胶态氧化硅颗粒，其中x+z≥2y。例如，某些实施方式甚至可以具有比硬磨粒浓度更高的软磨粒和胶态氧化硅颗粒，关系表示为x+z≥3y或甚至5y、8y、10y，或甚至12y。实际上，某些实施方式甚至可以具有比硬磨粒装载量更高的软磨粒和胶态氧化硅颗粒，例如关系表示为x+z≥15y，或甚至20y。

对于本文实施方式所述的各种抛光浆料的更具体的组分参数，所述浆料可以含有颗粒磨料，其包括50～95wt％的软磨粒、0.5～15wt％的硬磨粒和4.5～35wt％的胶态氧化硅。另一种实施方式包括70～95wt％的软磨粒、0.5～15wt％的硬磨粒和4.5～29.5wt％的胶态氧化硅。又在另一种实施方式中，所述颗粒磨料包括75～95wt％的软磨粒、0.5～10wt％的硬磨粒和4.5～24.5wt％的胶态氧化硅。

更特别的，对于组成颗粒磨料的各种颗粒，通常硬磨粒相对细，具有约0.02～50μm的平均粒度，例如0.05～10μm，甚至在0.05～1.0μm的较窄范围内。本文中，各种可以在市场上得到的，平均粒度在上述范围内的金刚石都可以使用。对于软磨粒，颗粒可以具有非常细的形态，颗粒尺寸在约3～800nm的范围内，例如在约10～300nm的范围内，或甚至10～200nm。如上所述，在本文中使用的一种软磨粒的具体例子是CeO₂(铈土或二氧化铈)。

对于胶态氧化硅，本文使用的术语“胶态”是指通常分散在液体介质中，在没有与其它颗粒相互作用的条件下通过布朗运动分散的颗粒材料。即作为独立成分与其它颗粒一起集合成浆料，通常胶态氧化硅基本上不会团聚，可以基本上是单分散的。然而，在准备使用下文更详细描述的浆料的情况下可以改变胶态氧化硅的分散状态。在一种实施方式中，胶态氧化硅是一种溶液形成的颗粒材料，由溶胶或溶胶-凝胶过程形成纳米尺寸的颗粒。通常胶态氧化硅具有非常细的平均粒度，通常是亚微米颗粒，甚至更特别的是在约3-200nm的范围内，例如在约10-100nm的范围内，或甚至10-75nm。

特别的，在抛光浆料中固体装载量或颗粒磨料的百分比在约2-50重量％内，例如2-35wt％，或5-25wt％。上述的固体装载量表示以包括固体颗粒成分和液体成分的浆液总重量计，浆液中总固体含量。在这方面，液体介质可以是水(水性的)、有机物或水与有机物的组合。液体介质的具体例子包括去离子水、甘油和/或TEA。

实施例

在一个实施例中，形成如下的浆料组合物。

胶态氧化硅：0.0177重量份

甘油：0.2474重量份

水：0.62277重量份

TEA：0.0032重量份

铈土：0.1100重量份

金刚石：0.0045重量份

总固体装载量是约0.1322份或13.22wt％，由3.4wt％金刚石、83wt％铈土和13.4wt％胶态氧化硅组成。胶态氧化硅的平均粒度在100nm以下，微粒二氧化硅为约40nm和约50nm。铈土的平均粒度在200nm以下，约165nm。金刚石具有约0.10μm的平均粒径。

又根据本发明的另一方面，提供一种机械加工(具体包括抛光)陶瓷零件的方法。根据一种方法，在要经受抛光的陶瓷零件和机械工具之间提供一种抛光浆料，陶瓷零件和机械工具彼此相对运动，以从陶瓷零件表面除去材料。在本文中，机械工具可以相对于固定的陶瓷零件运动，陶瓷零件可以相对于固定的机械工具运动，或陶瓷零件与机械工具都可以运动或变动(translate)；尽管如此，在所有情况下，即使一个保持不动，两个零件(陶瓷零件和机械工具)也彼此相对运动。包括液体介质和颗粒磨料的抛光浆料可以是上述各种浆料实施方式中的任意一种。为了对特别结构体进行抛光操作，可以使用各种能通常在现有技术中获得的各种抛光仪器中的一种。举例来说，机械工具可以具体是一个抛光垫、多个抛光垫或传动皮带。通常，机械工具偏压在陶瓷零件上，在它们之间存在浆料。机械工具甚至可以具体是一种固定的磨料，例如涂敷磨料或粘合磨料，尽管机械工具通常本身不是磨料成分，因为本文公开的浆料具有特别设计的复合颗粒磨料结构，在上文已经详细论述。

本发明人发现根据本发明的不同实施方式，特别包括如本文所述的复合颗粒磨料，在材料去除率和表面抛光方面提供了期望的性能。不同的实施方式已经证明了材料去除率不小于约0.5μm/小时，例如不小于约1.0μm/小时，甚至不小于1.25μm/小时。实际上，特别的抛光运转提供了约1.5μm/小时的材料去除率(MRR)。此外，根据本发明的实施方式，期望的表面抛光已经证明表面粗糙度均方根值不大于100

，例如不大于50

、20和甚至不大于10

。实际上，根据本文实施例的抛光运转，表现出了约4～5

均方根值的表面粗糙度。

相比之下，生产不含有软磨粒成分(如铈土)、硬磨粒成分(如金刚石)和胶态氧化硅这所有三种成分的比较例。在这些比较例的任一个中，材料去除率是相当低的。例如，一种含有金刚石和胶态氧化硅的浆料和一种含有铈土和胶态氧化硅的浆料，已经发现在相同的加工条件下，它们的材料去除率比本文的实施例低了整一个等级，通常约0.2μm/小时。

不想依靠任何特别的理论，但相信本文使用的胶态氧化硅在其表面具有负电荷，由于与带正电荷的软磨粒例如铈土微粒相互作用，从而引起轻微的絮凝作用。絮凝作用被认为是引起了柔软团聚物的形成，柔软团聚物包括分布(以较少的量)的硬磨粒(如金刚石)。人们相信金刚石颗粒多半暴露在团聚物的外表面，团聚物结合了大的柔软颗粒(减少刮痕)和硬颗粒(得到高MRR)的特性。

作为在本文中使用的，对形成团聚物的絮凝作用的说明显著不同于硬磨料聚集体，像那样一类聚集体公开在US6,081,483中。在本文中，术语“团聚物”是指弱粘合的颗粒块，与粘合的聚集体相反，其中颗粒的每种组成类别在团聚物中仍然可以单独辨认，不会紧密粘合在一起，聚集体由典型的通过热处理形成的共价结合的颗粒组成，其中多个种类中的一个可能不再是颗粒形式(如胶态氧化硅形成非颗粒粘合层)。根据本文的实施方式，胶态氧化硅通常保持微粒形式，尽管胶态氧化硅可以与浆液中其它类别的磨粒相互凝聚。而且，通常实施方式基本没有含有硬种类(如金刚石)、软种类(如铈土)和胶态氧化硅的聚集体。

另外的实施例

通过图1-4，在安装在Strasbaugh 6CA抛光工具上的单晶碳化硅工件上，在相同的工艺条件下，生产和评价各种浆液11-42。浆液的说明提供在下面的表格中。

表

		机器：Strasbaugh 6CA
				浆料	pH	说明	去除重量
11	12	只含铈土	0.00020
				12	12	只含二氧化硅	0.00033
13	12	铈土/二氧化硅	0.00070
				14	12	CER/D/CS1	0.00617
15	12	D/CS1/50ct/L	0.00220
				16	12	CER/D/CS1	0.00730
17	12	CER/CS1	0.00010
				18	12	Al2O3/D/CS2	0.00123
				41	9	pH9CER-D CS1	0.00220
42	12	pH12CER-D CS1	0.00637
31	12	CER/D/CS1/std	0.00730
				32	12	CER/D/CS1/50ct/L	0.00840
33	12	CER/D/CS1/25ct/L	0.00643
				34	12	CER/D/CS1/100ct/L	0.00325
35	12	CER/D/CS1/100ct/L	0.00627
21	12	CER/D/CS1/std	0.00730
				22	12	CER/D/不含二氧化硅Silica/25ct	0.00287
23	12	CER/D/不含GLYC/25ct	0.00833
				24	12	CER/D/不含TEA/25ct	0.00830
25	12	CER/D/CS2/25ct	0.00513
				26	12	9240/D/CS2	0.00123

在上面使用的CER表示铈土，D表示金刚石，CS1是基于第一胶态氧化硅的添加剂(以悬浮液的形式存在)，CS2是基于第二胶态氧化硅的添加剂(也以悬浮液的形式存在)。

图1表示通过胶态氧化硅、硬磨料(在这种情况下，金刚石)和带正电荷的软磨料(在这种情况下，铈土)的组合获得抛光率的显著改善。值得注意的是三组分配方的抛光率远远超过只具有一或两种组分的浆液的抛光率，浆液18表示带负电荷的材料例如氧化铝与使用带正电荷的材料如铈土相比没有特别的效果。

图2表示在含二氧化硅悬浮液CS1和CS2中的活性成分实际上是二氧化硅。特别参见浆液22，含有无二氧化硅的悬浮液。

图3表示在浆料中金刚石的浓度变高会限制有效性。

图4表示pH变高改善抛光率，在pH12时相比于pH9显著的更加优良。

本发明特殊例举和说明了发明的实施方式，但本发明并非是要限定于所展示的详细内容，因为可以以任何方式在不背离本发明范围的情况下进行各种改进和替代。例如，可以提供额外或等效的替代物，以及采用额外或等效的生产步骤。同样地，本文涉及的本发明的进一步的改进和等效对于本领域技术人员仅仅用例行实验就可以想到，所有这些改进和等效能够认为是在下面的权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (70)

1、一种抛光浆料，包括：

液体介质；和

颗粒磨料，所述颗粒磨料包括软磨粒、硬磨粒和胶态氧化硅颗粒，其中软磨粒具有不大于8的Mohs硬度，硬磨粒具有不小于8的Mohs硬度，以及其中的软磨粒和硬磨粒的重量比不小于2∶1。

2、根据权利要求1的抛光浆料，其中软磨粒具有不大于7的Mohs硬度。

3、根据权利要求2的抛光浆料，其中软磨粒具有不大于6的Mohs硬度。

4、根据权利要求3的抛光浆料，其中软磨粒包括铈土。

5、根据权利要求1的抛光浆料，其中硬磨粒具有不小于9的Mohs硬度。

6、根据权利要求5的抛光浆料，其中硬磨粒具有的Mohs硬度为10。

7、根据权利要求6的抛光浆料，其中硬磨粒包括金刚石。

8、根据权利要求1的抛光浆料，其中软磨粒和硬磨粒的重量比不小于5∶1。

9、根据权利要求8的抛光浆料，其中软磨粒和硬磨粒的重量比不小于10∶1。

10、根据权利要求9的抛光浆料，其中软磨粒和硬磨粒的重量比不小于15∶1。

11、根据权利要求10的抛光浆料，其中软磨粒和硬磨粒的重量比不小于20∶1。

12、根据权利要求1的抛光浆料，其中颗粒磨料包括50～95wt％的软磨粒，0.5～15wt％的硬磨粒和4.5～35wt％的胶态氧化硅。

13、根据权利要求12的抛光浆料，其中颗粒磨料包括70～95wt％的软磨粒，0.5～15wt％的硬磨粒和4.5～29.5wt％的胶态氧化硅。

14、根据权利要求13的抛光浆料，其中颗粒磨料包括75～95wt％的软磨粒，0.5～10wt％的硬磨粒和4.5～24.5wt％的胶态氧化硅。

15、根据权利要求1的抛光浆料，其中胶态氧化硅颗粒具有亚微米平均粒度。

16、根据权利要求15的抛光浆料，其中胶态氧化硅颗粒的平均粒度在约3～200nm的范围内。

17、根据权利要求16的抛光浆料，其中胶态氧化硅颗粒的平均粒度在约10～100nm的范围内。

18、根据权利要求17的抛光浆料，其中胶态氧化硅颗粒的平均粒度在约10～75nm的范围内。

19、根据权利要求1的抛光浆料，其中浆料部分絮凝，，具有团聚物，所述团聚物含有软磨料、硬磨料和胶态氧化硅颗粒。

20、根据权利要求1的抛光浆料，其中浆料包括装载量在约2～35wt％之间的颗粒磨料。

21、根据权利要求20的抛光浆料，其中浆料包括装载量在约5～25wt％之间的颗粒磨料。

22、根据权利要求1的抛光浆料，其中硬磨粒的平均粒度在约0.02～50μm的范围内。

23、根据权利要求22的抛光浆料，其中硬磨粒的平均粒度在约0.05～10μm的范围内。

24、根据权利要求23的抛光浆料，其中硬磨粒的平均粒度在约0.05～1μm的范围内。

25、根据权利要求1的抛光浆料，其中浆料是水性的，液体介质包括水。

26、根据权利要求1的抛光浆料，其中液体介质包括一种有机液体。

27、根据权利要求1的抛光浆料，其中浆料基本上不含团聚物，所述团聚物含有软磨粒、硬磨粒和胶态氧化硅颗粒。

28、一种抛光浆料，包括：

液体介质；和

颗粒磨料，所述颗粒磨料包括铈土颗粒、金刚石颗粒和胶态氧化硅颗粒，其中铈土颗粒占颗粒磨料的50wt％或更高。

29、根据权利要求28的抛光浆料，其中铈土颗粒和金刚石颗粒的重量比不小于2∶1。

30、根据权利要求29的抛光浆料，其中铈土颗粒和金刚石颗粒的重量比不小于5∶1。

31、根据权利要求30的抛光浆料，其中铈土颗粒和金刚石颗粒的重量比不小于10∶1。

32、根据权利要求31的抛光浆料，其中铈土颗粒和金刚石颗粒的重量比不小于15∶1。

33、根据权利要求32的抛光浆料，其中铈土颗粒和金刚石颗粒的重量比不小于20∶1。

34、根据权利要求28的抛光浆料，其中胶态氧化硅的量能够使浆料至少发生部分絮凝。

35、根据权利要求28的抛光浆料，其中颗粒磨料包括50～95wt％的铈土颗粒、0.5～15wt％的金刚石颗粒和4.5～35wt％的胶态氧化硅。

36、根据权利要求35的抛光浆料，其中颗粒磨料包括70～95wt％的铈土颗粒、0.5～15wt％的金刚石颗粒和4.5～29.5wt％的胶态氧化硅。

37、根据权利要求36的抛光浆料，其中颗粒磨料包括75～95wt％的铈土颗粒、0.5～10wt％的金刚石颗粒和4.5～24.5wt％的胶态氧化硅。

38、根据权利要求28的抛光浆料，其中胶态氧化硅颗粒具有亚微米平均粒度。

39、根据权利要求38的抛光浆料，其中胶态氧化硅颗粒的平均粒度在约3～200nm的范围内。

40、根据权利要求39的抛光浆料，其中胶态氧化硅颗粒的平均粒度在约10～100nm的范围内。

41、根据权利要求40的抛光浆料，其中胶态氧化硅颗粒的平均粒度在约10～75nm的范围内。

42、根据权利要求28的抛光浆料，其中浆料部分絮凝，具有团聚物，所述团聚物含有铈土、金刚石和胶态氧化硅颗粒。

43、根据权利要求28的抛光浆料，其中浆料包括装载量为约2～35wt％的颗粒磨料。

44、根据权利要求43的抛光浆料，其中浆料包括装载量为约5～25wt％的颗粒磨料。

45、根据权利要求28的抛光浆料，其中金刚石颗粒的平均粒度在约0.02～50μm的范围内。

46、根据权利要求45的抛光浆料，其中金刚石颗粒的平均粒度在约0.05～10μm的范围内。

47、根据权利要求46的抛光浆料，其中金刚石颗粒的平均粒度在约0.05～1μm的范围内。

48、根据权利要求28的抛光浆料，其中浆料是水性的，液体介质包括水。

49、根据权利要求28的抛光浆料，其中液体介质包括有机液体。

50、根据权利要求28的抛光浆料，其中抛光浆料不含含有金刚石微粒、铈土微粒和胶态氧化硅微粒的聚集体。

51、一种抛光浆料，包括：

液体介质；和

颗粒磨料，所述颗粒磨料包括以x wt％的量存在于颗粒磨料中的软磨粒，以y wt％的量存在于颗粒磨料中的硬磨粒，，和以z wt％的量存在于颗粒磨料中的胶态氧化硅颗粒，其中所述硬磨粒的Mohs硬度大于所述软磨粒的Mohs硬度，且x+z≥2y。

52、根据权利要求51的抛光浆料，其中x+z≥3y。

53、根据权利要求52的抛光浆料，其中x+z≥5y。

54、根据权利要求53的抛光浆料，其中x+z≥8y。

55、根据权利要求54的抛光浆料，其中x+z≥10y。

56、根据权利要求55的抛光浆料，其中x+z≥12y。

57、根据权利要求56的抛光浆料，其中x+z≥15y。

58、根据权利要求57的抛光浆料，其中x+z≥20y。

59、一种抛光浆料，包括：

液态介质；和

颗粒磨料，所述颗粒磨料包括软磨粒、硬磨粒和胶态氧化硅颗粒，其中硬磨粒具有高于软磨粒的Mohs硬度，以及软磨粒和硬磨粒中的至少一种具有正表面电荷，从而与胶态氧化硅颗粒絮凝。

60、一种抛光陶瓷零件的方法，包括：

在陶瓷零件和机械工具之间提供根据权利要求1～59中任意一项的抛光浆料；

使陶瓷零件和机械工具之间相对运动，以从陶瓷零件表面去除材料。

61、根据权利要求60的方法，其中陶瓷零件包括Mohs硬度不小于6的硬陶瓷材料，硬陶瓷材料至少形成所述进行抛光的表面。

62、根据权利要求61的方法，其中硬陶瓷材料包括SiC。

63、根据权利要求60的方法，其中所述表面在完成抛光后具有不大于100

均方根值的表面粗糙度。

64、根据权利要求63的方法，其中所述表面在完成抛光后具有不大于50

均方根值的表面粗糙度。

65、根据权利要求64的方法，其中所述表面在完成抛光后具有不大于20

均方根值的表面粗糙度。

66、根据权利要求65的方法，其中所述表面在完成抛光后具有不大于10

均方根值的表面粗糙度。

67、根据权利要求66的方法，其中所述表面在完成抛光后具有不大于5

均方根值的表面粗糙度。

68、根据权利要求60的方法，其中从表面除去材料的速率不小于0.5μm/小时。

69、根据权利要求68的方法，其中从表面除去材料的速率不小于1.0μm/小时。

70、根据权利要求69的方法，其中从表面除去材料的速率不小于1.25μm/小时。

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