含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液及其制备工艺

摘要

本发明涉及一种化学机械抛光液及其制备工艺，具体的说是一种含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液及其制备工艺，这种混合磨料抛光液制备工艺简单、实用、易于生产，采用的原料为：3％-10％的粒径为100-2000nm的二氧化铈粉体，5％-50％的粒径为10-200nm的胶体二氧化硅，0.001％-0.5％分散剂，其余为水；制备时选取容器，先加入胶体二氧化硅溶液，然后加入二氧化铈粉体并搅拌均匀，并添加分散剂及水至所需体积并搅拌均匀即可。其采用不同粒径的二氧化铈粉体与胶体二氧化硅作为磨料，所制备的抛光液中，小的二氧化硅颗粒降低划痕，凹坑等缺陷，改善表面质量，大的二氧化铈颗粒获得高的去除速率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学机械抛光液及其制备工艺，具体的说是含有二氧化 铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液及其制备工艺。

背景技术

随着计算机技术的飞速发展，对计算机硬盘存储能力的要求越来越高， 由于玻璃具有高的机械强度、抗冲击、不易变形等特点，玻璃基板硬盘逐渐 代替以往的铝基板硬盘。

玻璃作为计算机硬盘基板，要求表面光滑、无凹痕，而化学机械抛光是 降低玻璃基片表面粗糙度的重要手段。

传统的玻璃粗抛光液一般用二氧化铈单一磨料，但由于颗粒大，其在冲 击玻璃表面时往往产生硬性冲击，易造成较大的划痕和凹坑等微观缺陷，所 以单一磨料逐渐被复合/混合磨料代替。

一般复合磨料的制备一般采用沉淀、过滤、高温煅烧的方法，其制备方 法复杂、时间长且制备出的复合颗粒的大小以及形状不均匀。本发明的混合 磨料的制备方法简单、时间短，两种磨料在混合分散的过程中，磨料相互影 响而达到较好的分散稳定性，配制的抛光液即提高了材料的去除速率又改善 抛光后材料的表面质量。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种制备工艺简单、合理、易于 生产的含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液及其制备工艺， 可用于玻璃的粗抛光或透镜、玻壳、眼镜、表壳、显示屏等的粗抛光。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：含有二氧化铈粉体与 胶体二氧化硅混合磨料的抛光液，采用二氧化铈粉体、胶体二氧化硅、分散 剂和水作为原料，各组分的重量百分含量为：二氧化铈粉体3％-10％，胶体二 氧化硅5％-50％，分散剂0.001％-0.5％，其余为水，其中，所述二氧化铈粒径 为100-2000nm，所述胶体二氧化硅的粒径为10-200nm。

作为最优的选择，对于上述所用的分散剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基 苯磺酸钠、吐温80、聚乙二醇400、聚乙烯吡络烷酮、羧甲基纤维素、聚丙 烯酰胺、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯亚胺、六偏磷酸钠、氮氯十二烷基 吡啶、异丙醇胺、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯中的一种或几种的组合物。

进一步的，所述原料中还有pH值调节剂，其含量保证溶液pH值控制在 7-12之间，所述pH值调节剂为氨水、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或几种的 组合物。

本发明还提供了上述含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光 液的制备工艺，包括以下步骤：

a、量取5％-50％的粒径为10-200nm的胶体二氧化硅到容器中，之后加入 3％-10％的粒径为100-2000nm的二氧化铈粉体并搅拌均匀，得溶液备用；

b、向步骤a所得溶液中加入0.001％-0.5％的分散剂，之后加水至所需体 积并搅拌均匀即可。

上述制备过程中，还包括步骤c、向经步骤b处理过的溶液中加入pH值 调节剂，将溶液的pH值调至7-12；

以及步骤d、将经步骤c处理后的溶液进行超声振荡处理，即得成品。

有益效果：本发明提供一种含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料 的抛光液，其采用不同粒径的二氧化铈粉体与胶体二氧化硅作为磨料，其粒 径大小优选为二氧化铈粒径为100-2000nm、胶体二氧化硅的粒径为 10-200nm，在此范围中，所制备的抛光液中，小的二氧化硅颗粒与大的二氧 化铈颗粒靠吸附作用连接在一起，两种磨料同时发挥各自作用并能产生协同 效应，其具体表现为：大颗粒的二氧化铈发挥机械作用，保证玻璃基片高的 去除速率，小颗粒的二氧化硅作用相当于软颗粒，保证玻璃基片抛光后表面 质量，使表面光滑、平整、少划痕、无缺陷，在融合了两种颗粒的协同作用 下，使用本发明制备的抛光液抛光玻璃基片可以使其一方面获得高质量、高 平整度的表面，另一方面获得高的抛光速率。

而且，本发明制备工艺简单，成本低廉，即适合实验室小容量制取同时 又有利于大规模的生产，具有很强的实用价值和商业价值；本发明的抛光液 可用于玻璃的粗抛光或透镜、玻壳、眼镜、表壳、显示屏等的粗抛光。

附图说明

图1为单一二氧化铈颗粒的SEM图；

图2为本发明制备的二氧化铈与二氧化硅混合颗粒的SEM图之一；

图3为本发明制备的二氧化铈与二氧化硅混合颗粒的SEM图之二；

图4为本发明制备的二氧化铈与二氧化硅混合颗的SEM图之三。

具体实施方式

下面说明本发明的具体实施方式，

含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液，采用二氧化铈粉 体、胶体二氧化硅、分散剂和水作为原料，各组分的重量百分含量为：二氧 化铈粉体3％-10％，胶体二氧化硅5％-50％，分散剂为0.001％-0.5％，其余为 水；

其中，所述二氧化铈粒径为100-2000nm，所述二氧化硅粒径为10-200nm。

对于选用的分散剂，选用十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、吐温80、 聚乙二醇400、聚乙烯吡络烷酮、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、十六烷基三甲 基溴化铵、聚乙烯亚胺、六偏磷酸钠、氮氯十二烷基吡啶、异丙醇胺、脂肪 醇聚氧乙烯醚磷酸酯中的一种或几种的组合物。

所述原料中还有pH值调节剂，其含量保证溶液pH值控制在7-12之间， 所述pH值调节剂为氨水、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或几种。

一种上述的含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液的制备 工艺，包括以下步骤：

a、量取5％-50％的粒径为10-200nm的胶体二氧化硅到容器中，之后加入 3％-10％的粒径为100-2000nm的二氧化铈粉体并搅拌均匀，得溶液备用；

b、向步骤a所得溶液中加入0.001％-0.5％的分散剂，之后加入水至所需 体积并搅拌均匀即可。

步骤c、向经步骤b处理过的溶液中加入pH值调节剂，将溶液的pH值 调至7-12；

以及步骤d、将经步骤c处理后的溶液进行超声振荡处理，既得成品。

实施例一、

含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液，其各组分的重量 百分含量为3％的粒径为100nm的二氧化铈粉体，50％的粒径为10nm的胶体 二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，0.001％的分散剂为十二烷基苯磺酸钠与聚乙二醇 400，其余为水；

根据所需抛光液的量，选取适当的容器(或者实际生产中的储存设备)， 向其中加入50％的粒径为10nm的胶体二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，然后加入 3％的粒径为100nm二氧化铈粉体并搅拌均匀，之后加入0.001％的十二烷基 苯磺酸钠与聚乙二醇400的组合物作为分散剂，最后加水至所需体积并搅拌 均匀，添加pH值调节剂，如氨水、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或几种的混 合物，将溶液PH值调到7.0。

在原料添加完并均匀搅拌后，最后对溶液进行超声振荡处理，使其中的 颗粒分散更加均匀。

实施例二、

含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液，其各组分的重量 百分含量为5％的粒径为600nm的二氧化铈粉体，45％的粒径为80nm的胶体 二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，0.008％的十二烷基磺酸钠与吐温80的组合物作 为分散剂，其余为水；

根据所需抛光液的量，选取适当的容器(或者实际生产中的储存设备)， 向其中加入45％的粒径为80nm的胶体二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，然后加入 5％的粒径为600nm的二氧化铈粉体并搅拌均匀，之后加入0.008％的十二烷 基磺酸钠与吐温80的组合物作为分散剂，最后加水至所需体积并搅拌均匀， 添加pH值调节剂，如氨水、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或几种的混合物， 将溶液PH值调到8.0。

在原料添加完并均匀搅拌后，最后对溶液进行超声振荡处理，使其中的 颗粒分散更加均匀。

实施例三、

含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液，其各组分的含量 为6％的粒径为700nm的二氧化铈粉体，40％的粒径为100nm的胶体二氧化 硅(SiO₂浓度为35％)，0.02％的十二烷基苯磺酸钠与十六烷基三甲基溴化铵组 合物作为分散剂，其余为水；

根据所需抛光液的量，选取适当的容器(或者实际生产中的储存设备)， 向其中加入40％的粒径为100nm的胶体二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，然后加 入6％的粒径为700nm的二氧化铈粉体并搅拌均匀，之后加入0.02％的十二烷 基苯磺酸钠与十六烷基三甲基溴化铵组合物作为分散剂，最后加水至所需体 积并搅拌均匀，添加pH值调节剂，如氨水、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或 几种的混合物，将溶液PH值调到9.0。

在原料添加完并均匀搅拌后，最后对溶液进行超声振荡处理，使其中的 颗粒分散更加均匀。

实施例四、

含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液，其各组分的重量 百分含量为7％的粒径为800nm的二氧化铈粉体，30％的粒径为120nm的胶 体二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，0.08％的六偏磷酸钠与十六烷基三甲基溴化铵 的组合物作为分散剂，其余为水；

根据所需抛光液的量，选取适当的容器(或者实际生产中的储存设备)， 向其中加入30％的粒径为120nm的胶体二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，然后加 入7％的粒径为800nm的二氧化铈粉体并搅拌均匀，之后加入0.08％的六偏磷 酸钠与十六烷基三甲基溴化铵的组合物作为分散剂，最后加水至所需体积并 搅拌均匀,添加pH值调节剂，如氨水、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或几种 的混合物，将溶液PH值调到9.5。

在原料添加完并均匀搅拌后，最后对溶液进行超声振荡处理，使其溶液 中的颗粒分散更加均匀。

实施例五、

含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液，其各组分的重量 百分含量为8％的粒径为1000nm的二氧化铈，20％的粒径为150nm的胶体纳 米二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，0.20％的聚乙烯亚胺与异丙醇胺的组合物作为 分散剂，其余为水；

根据所需抛光液的量，选取适当的容器(或者实际生产中的储存设备)， 向其中加入20％的粒径为150nm的胶体纳米二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，然 后加入8％的粒径为1000nm的二氧化铈并搅拌均匀，之后加入0.20％的聚乙 烯亚胺与异丙醇胺的组合物作为分散剂，最后加水至所需体积并搅拌均匀,添 加pH值调节剂，如氨水、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或几种的混合物，将 溶液PH值调到10.0。

在原料添加完并均匀搅拌后，最后对溶液进行超声振荡处理，使溶液的 颗粒分散更加均匀。

实施例六、

含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液，其各组分的重量 百分含量为9％的粒径为1500nm的二氧化铈，10％的粒径为180nm的胶体二 氧化硅(SiO₂浓度为35％)，0.4％的羧甲基纤维素与吐温80的组合物作为分散 剂，其余为水。

根据所需抛光液的量，选取适当的容器(或者实际生产中的储存设备)， 向其中加入10％的粒径为180nm的胶体二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，然后加 入9％的粒径为1500nm的二氧化铈粉体并搅拌均匀，之后加入0.4％的羧甲基 纤维素与吐温80组合物作为分散剂，最后加水至所需体积并搅拌均匀，添加 pH值调节剂，如氨水、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或几种的混合物，将溶 液PH值调到11.0。

在原料添加完并均匀搅拌后，最后对溶液进行超声振荡处理，使溶液的 颗粒分散更加均匀。

实施例七、

含有二氧化铈粉体与胶体二氧化硅混合磨料的抛光液，其各组分的重量 百分含量为10％的粒径为2000nm的二氧化铈粉体，5％的粒径为200nm的胶 体二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，0.5％的吐温80与聚乙二醇400的组合物作为 分散剂，其余为水。

根据所需抛光液的量，选取适当的容器(或者实际生产中的储存设备)， 向其中加入5％的粒径为200nm的胶体二氧化硅(SiO₂浓度为35％)，然后加入 10％的粒径为2000nm的二氧化铈粉体并搅拌均匀，之后加入0.5％吐温80与 聚乙二醇400的组合物作为分散剂，最后加水至所需体积并搅拌均匀，添加 pH值调节剂，如氨水、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种或几种的混合物，将溶 液PH值调到12.0。

在原料添加完并均匀搅拌后，最后对溶液进行超声振荡处理，使溶液的 颗粒分散更加均匀。

对于上述实施例中所选用的二氧化铈粒径大小，其可选值并不局限于实 施例中所列举的数值，还包括150nm、350nm、750nm、1200nm、1600nm等， 所述胶体二氧化硅的粒径的可选值还包括为20nm、45nm、130nm、160nm、 190nm等，二者的组合可由上述两种可选值各选其一组合使用，并不局限于 本发明所列举的上述实施例的组合。

图1为单一二氧化铈颗粒的SEM图，可以看出，其颗粒分布较为均匀， 但是颗粒不是很光滑，易形成表面划痕，凹坑等缺陷。

图2、图3、图4为本发明制备的二氧化铈与二氧化硅混合颗粒的SEM 图，从图中可以清晰的看出，在较大的二氧化铈颗粒周围排列着一系列的较 小的二氧化硅颗粒，这样以来，小的二氧化硅胶体颗粒将大的二氧化铈包围 起来，即每个二氧化铈颗粒周围都包裹一系列的二氧化硅颗粒，两种磨料同 时发挥作用并能产生协同效应，大颗粒的二氧化铈发挥机械作用，保证高的 去除速率，小颗粒的二氧化硅的作用相当于软颗粒，能够保证玻璃基片抛光 后表面的质量，使表面光滑、少划痕，在这种融合了两种颗粒的协同作用下， 使得本发明制备的抛光液的抛光效果极好，而且抛光效率也得到了很大的提 高。

下面给出经本发明实施例一至实施例七制备出含有二氧化铈粉体与胶体 二氧化硅混合磨料的抛光液抛光后的玻璃表面的粗糙度Ra及去除速率的数 据，与含有单种磨料制备的抛光液抛光后的玻璃表面的Ra及去除速率的数据 的对比表，下列表1-表7依次对应实施例一至实施例七，上述实验过程的抛 光条件如下：

抛光机：Speedfam9B；

被抛光的玻璃片：65mm/31.5mil Ohara玻璃基片；

被抛光的玻璃片数：25片；

抛光垫：CR200(不开槽)；

抛光压力：120公斤；

下盘转速：25转/分钟；

抛光时间：30分钟；

抛光液流量：600毫升/分钟；

抛光后，对抛光玻璃基片进行擦洗、甩干，然后测量玻璃基片表面质量 和计算去除速率。用分析天平测量抛光前后玻璃基片的重量差来求出去除速 率；表面粗糙度Ra、波纹度Wa用ChapmanMP2000+测定，对所有25片被抛 光玻璃基片进行测量，由平均值得到去除速率、表面粗糙度，测试结果如下 列表格所示：

  MRR(nm/min) Ra(nm) CeO2 366 0.91 SiO2 101 1.13 CeO2+SiO2 380 0.79

表1

  MRR(nm/min) Ra(nm) CeO2 381 0.90 SiO2 99 1.10 CeO2+SiO2 411 0.78 表2

  MRR(nm/min) Ra(nm) CeO2 441 0.85 SiO2 104 1.09 CeO2+SiO2 454 0.79

表3

  MRR(nm/min) Ra(nm) CeO2 473 0.87 SiO2 110 1.10 CeO2+SiO2 522 0.79

表4

  MRR(nm/min) Ra(nm) CeO2 612 0.88 SiO2 123 0.98 CeO2+SiO2 640 0.75

表5

  MRR(nm/min) Ra(nm) CeO2 658 0.85 SiO2 120 1.02 CeO2+SiO2 708 0.74

表6

  MRR(nm/min) Ra(nm) CeO2 720 0.86 SiO2 128 1.03 CeO2+SiO2 754 0.75

表7

上述表格中，“CeO2”代表仅使用含有二氧化铈作为磨料(其它各成分与 本发明相同)制备的抛光液抛光玻璃所测得的粗糙度以及去除速率数值记录， 同样的，“SiO2”代表仅使用含有二氧化硅作为磨料(其它各成分与本发明相 同)制备的抛光液抛光玻璃所测得的粗糙度以及去除速率数值记录， “CeO2+SiO2”代表本发明制得的抛光液抛光玻璃所测得的粗糙度以及去处速 率数值记录。

分析上述表1-表7的数据可知，经本发明含有二氧化铈粉体与胶体二氧 化硅混合磨料的抛光液抛光后的玻璃表面的表面粗糙度Ra明显降低，而且玻 璃的去除速率也得到了很大的提高。

另外需要明确的是，任何基于本发明的原理而做出的变换，都落入本发 明的保护范围。