本发明涉及化学机械抛光领域，具体涉及一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法。
背景技术：
单晶蓝宝石因其机械强度高，透光性好和化学性质稳定而广泛应用于机械，光学和信息等领域。目前，光子器件尤其是发光二极管(led)的基板材料使用最广泛的是蓝宝石，随着技术的快速发展，对于蓝宝石表面达到超光滑和高抛光速率的需求正在增加。但是，由于蓝宝石的高硬度和强化学惰性，很难同时满足上述要求。目前，化学机械抛光(cmp)被认为是结合了化学和机械作用的唯一能够全局平坦化的技术，在半导体、硬盘和光学领域具有广泛的应用。
cmp取决于许多因素，如磨粒，抛光时间，抛光速度和添加剂等，其中磨粒是影响表面平坦化的最重要因素之一。为了改善表面质量及提高抛光速率(mrr)，研究人员近年来研究了多种类型的磨粒，如氧化硅，氧化铝，氧化铈等，但单一磨粒不能得到满意的抛光结果。其中，氧化硅因其稳定的化学性质和优异的分散性而应用最为广泛，但材料去除率较低，通常不能满足工业需求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法，可以提高蓝宝石基片的材料去除速率，降低表面粗糙度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法，包括如下步骤：
s01：制备纳米氧化硅溶胶：将二氧化硅晶种溶液搅拌加热至100℃，并调节ph至10；在搅拌条件下将活性硅酸溶液滴加到所述二氧化硅晶种溶液中，同时调节ph至10，且保持溶液的蒸发速率和硅酸的滴加速率相等；冷却至室温，得到纳米二氧化硅溶胶；
s02：制备无机聚电解质聚硅酸镁铁铝锌：在搅拌条件下，将硫酸逐滴加入到硅酸钠溶液中，并调节ph调节至4；所述硫酸和硅酸钠溶液在25℃下聚合1小时，在搅拌条件下分别加入硫酸镁、氯化铁(iii)六水合物、硝酸铝九水合物和硫酸锌，陈化24小时即可得到无机聚电解质聚硅酸镁铁铝锌；
s03：在25℃及搅拌条件下将所述聚硅酸镁铁铝锌逐滴加入到所述纳米二氧化硅溶胶中，并连续搅拌6小时；经过离心和过滤得到无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒溶液；其中，所述无机聚电解质与氧化硅的质量之比为0.5～5.0：100。
进一步地，所述步骤s01中采用质量分数为1％的氢氧化钠溶液调节ph至10。
进一步地，所述步骤s01中纳米二氧化硅溶胶二氧化硅的质量分数为10％。
进一步地，所述步骤s01中在搅拌条件下，将0.4mol/l的硫酸逐滴加入到0.04mol/l硅酸钠溶液中。
进一步地，还包括步骤s04：将所述无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒溶液的ph调节至10，加入表面活性剂，得到无机聚电解质-氧化硅复合抛光液。
本发明的有益效果为：本发明制备的无机聚电解质-氧化硅复合磨粒抛光液，由于无机聚合物中的阳离子的引入，氧化硅颗粒/工件之间的静电排斥减少，因此，在抛光过程中有更多有效的磨粒与工件(如蓝宝石晶片)表面接触，通过化学反应形成的软层可以快速被除去，化学腐蚀和机械磨损两者的协同作用达到最佳，使得材料去除率更高；并且由于氧化硅颗粒本身硬度较小，抛光损伤如划痕和表面损伤较小。因而，采用本发明制备的新型磨粒对蓝宝石基片进行抛光，可以提高蓝宝石基片的材料去除速率，降低表面粗糙度。此外，制备的无机聚电解质没有毒性，实现了抛光液的绿色环保理念。
附图说明
附图1为本发明一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明的一种无机聚电解质-氧化硅复合磨粒抛光磨粒，具有如下的制备步骤：
s01：将一定量的硅酸钠(na2sio3)溶液通过用hcl预处理的阳离子交换树脂，获得活性硅酸溶液。然后将适量的二氧化硅晶种溶液加热至100℃并搅拌，用氢氧化钠将溶液的ph调节至10。接下来，在恒定搅拌的条件下将制备好的活性硅酸溶液滴加到上述二氧化硅晶种溶液中，同时使用一定量的naoh溶液将体系的ph保持在10左右。在此过程中，保持溶液的蒸发速率和硅酸的滴加速率相等以保持体系的恒液面。待硅酸滴加完后，不断搅拌并冷却至室温，得到纳米二氧化硅溶胶。
s02：在连续搅拌的条件下，将浓硫酸用适量的水稀释后逐滴加入到一定浓度的硅酸钠溶液中。用稀硫酸或氢氧化钠将混合物的ph调节至4，在室温下聚合约1小时后，搅拌下分别加入一定量的硫酸镁、氯化铁(iii)六水合物、硝酸铝九水合物和硫酸锌，上述混合物陈化一天,得到无机聚电解质聚硅酸镁铁铝锌。
s03：在25℃及搅拌下将一定量的聚硅酸镁铁铝锌逐滴加入到上述制备好的纳米二氧化硅溶胶中，并连续搅拌6小时。再采用离心、过滤等方式对该混合液进行精制。通过控制无机电解质与氧化硅的相对用量(无机聚电解质与氧化硅(干重)的质量之比为0.5～5.0：100)，可得到不同改性度的无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒。
s04：采用本发明的无机聚电解质-氧化硅复合磨粒配制抛光液，其组合物包括无机聚电解质-氧化硅复合磨粒、分散剂、表面活性剂。其中，无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的质量百分比浓度为10wt.％；表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的质量百分比浓度为0.5wt.％,分散剂六偏磷酸钠的质量百分比浓度为0.03wt.％；余水；以上各组成的质量百分比含量之和为100％。
下面用一些实施例对本发明的实施方案作进一步说明。
实施例1
一种无机聚电解质-氧化硅复合磨粒及其抛光液的制备方法，其步骤如下：
s01：将8wt.％的硅酸钠(na2sio3)溶液通过用hcl预处理的阳离子交换树脂，获得活性硅酸溶液。然后将10wt.％的二氧化硅晶种溶液加热至100℃并搅拌，用氢氧化钠将溶液的ph调节至10。接下来，在恒定搅拌的条件下将制备好的活性硅酸溶液滴加到上述二氧化硅晶种溶液中，同时使用1wt.％的naoh溶液将体系的ph保持在10左右。在此过程中，保持溶液的蒸发速率和硅酸的滴加速率相等以保持体系的恒液面。待硅酸滴加完成后，不断搅拌并冷却至室温,并将质量分数调节至10wt.％，得到纳米二氧化硅溶胶。
s02：在连续搅拌的条件下，将浓硫酸用水稀释至0.4mol/l后逐滴加入到0.04mol/l的硅酸钠溶液中。之后用稀硫酸或氢氧化钠将混合物的ph调节至4。在室温下聚合约1小时后，分别加入0.08mol的硫酸镁、0.01mol氯化铁(iii)六水合物、0.04mol硝酸铝九水合物和0.01mol的硫酸锌，上述混合物陈化一天,得到无机聚电解质聚硅酸镁铝锌。
s03：在室温及搅拌下，将相对氧化硅质量0.5wt.％的聚硅酸镁铁铝锌溶液逐滴加入到上述制备好的二氧化硅溶胶中，并连续搅拌6小时。再采用离心、过滤等方式对该混合液进行精制，得到0.5wt.％无机聚电解质改性的氧化硅复合抛光磨粒。
s04：将步骤s03所得的溶液加入氢氧化钠，控制溶液的ph值为10，然后加入一定量六偏磷酸钠分散剂、十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，搅拌均匀后，1微米滤芯过滤除去杂质，可得抛光液组合物。
所述的无机聚电解质-氧化硅复合磨粒抛光液组合物的组成和质量百分比含量如下：
0.5wt.％聚硅酸镁铁铝锌改性氧化硅10.0wt.％；
六偏磷酸钠0.03wt.％；
十二烷基苯磺酸钠0.5wt.％；
余水；
以上各组成的质量百分比含量之和为100％。
实施例2
同实施例1，只是步骤s03中，聚硅酸镁铁铝锌用量为氧化硅的0.7wt.％。得到0.7wt.％无机聚电解质改性的氧化硅复合抛光磨粒及其抛光液。
实施例3
同实施例1，只是步骤s03中，聚硅酸镁铁铝锌用量为氧化硅的1.0wt.％。得到1.0wt.％无机聚电解质改性的氧化硅复合抛光磨粒及其抛光液。
实施例4
同实施例1，只是步骤s03中，聚硅酸镁铁铝锌用量为氧化硅的1.5wt.％。得到1.5wt.％无机聚电解质改性的氧化硅复合抛光磨粒及其抛光液。
实施例5
同实施例1，只是步骤s03中，聚硅酸镁铁铝锌用量为氧化硅的3.0wt.％。得到3.0wt.％无机聚电解质改性的氧化硅复合抛光磨粒及其抛光液。
实施例6
同实施例1，只是步骤s03中，聚硅酸镁铁铝锌用量为氧化硅的5.0wt.％。得到5.0wt.％无机聚电解质改性的氧化硅复合抛光磨粒及其抛光液。
为了与通常使用的氧化硅磨粒及其抛光液对比，特作出如下比较例。
比较例
未添加无机聚电解质的纯氧化硅磨粒及其抛光液，制备方法同实施例1，只是没有步骤s02及s03。具体如下：
s01：通过种子诱导生长法制备二氧化硅溶胶。首先，将8wt.％的硅酸钠(na2sio3)溶液通过用hcl预处理的阳离子交换树脂，获得活性硅酸溶液。然后将10wt.％的二氧化硅晶种溶液加热至100℃并搅拌，用氢氧化钠将溶液的ph调节至10。接下来，在恒定搅拌的条件下将制备好的活性硅酸溶液滴加到上述二氧化硅晶种溶液中，同时使用1wt.％的naoh溶液将体系的ph保持在10左右。在此过程中，保持溶液的蒸发速率和硅酸的滴加速率相等以保持体系的恒液面。待硅酸滴加完成后，不断搅拌并冷却至室温，并将质量分数调节至10wt.％。
s02：将步骤s01所得的溶液加入氢氧化钠，控制溶液的ph值为10，然后加入一定量的六偏磷酸钠分散剂、十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，搅拌均匀，1微米滤芯过滤后可得抛光液。
所述的纯硅溶胶抛光液组合物的组成和质量百分比含量如下：
氧化硅10wt.％；
六偏磷酸钠0.03wt.％；
十二烷基苯磺酸钠0.5wt.％；
余水；
以上各组成的质量百分比含量之和为100％。
使用上述各实施例1-6和比较例1的抛光液在一定抛光条件下对蓝宝石基片进行抛光试验。
抛光试验的抛光条件如下：
抛光机：unipol-1502单面抛光机；
工件：直径为50.8mm的蓝宝石(0001)面；
抛光垫：聚氨酯材料、rodel生产；
抛光压力：63.2g/cm2；
下盘转速：70rpm；
抛光时间：120分钟；
抛光后，对蓝宝石基片进行洗涤和干燥，用精密分析天平称量抛光前后的质量，计算抛光速率。然后用(1)mbiosxi-100表面形貌仪测试，其分辨力为0.1埃。测量基片的表面形貌特征，表面平均粗糙度(ra)测试范围为93.5μm×93.5μm。
各实施例抛光液组合物的抛光效果分别见表1，从表1可见，氧化硅磨粒的抛光液与实施例1、2、3、4、5、6制得的无机聚电解质-氧化硅磨粒的抛光液对蓝宝石基片抛光之后，使用本发明的制得的无机电解质-氧化硅抛光液，在较低改性度(聚电解质占氧化硅量为0.5～1.5wt.％)时都提高了抛光速率，并降低了蓝宝石表面的粗糙度。
表1各实施例抛光液对蓝宝石基片的抛光效果
本发明的制备的无机聚电解质-氧化硅复合磨粒抛光液，由于无机聚合物中的阳离子的引入，氧化硅颗粒/工件之间的静电排斥减少，因此，在抛光过程中有更多有效的磨粒与工件(如蓝宝石晶片)表面接触，通过化学反应形成的软层可以快速被除去，化学腐蚀和机械磨损两者的协同作用达到最佳，使得材料去除率更高；并且由于氧化硅颗粒本身硬度较小，抛光损伤如划痕和表面损伤较小。因而，采用本发明制备的新型磨粒对蓝宝石基片进行抛光，可以提高蓝宝石基片的材料去除速率，降低表面粗糙度。此外，制备的无机聚电解质没有毒性，实现了抛光液的绿色环保理念。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
1.一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
s01：制备纳米氧化硅溶胶：将二氧化硅晶种溶液搅拌加热至100℃，并调节ph至10；在搅拌条件下将活性硅酸溶液滴加到所述二氧化硅晶种溶液中，同时调节ph至10，且保持溶液的蒸发速率和硅酸的滴加速率相等；冷却至室温，得到纳米二氧化硅溶胶；
s02：制备无机聚电解质聚硅酸镁铁铝锌：在搅拌条件下，将硫酸逐滴加入到硅酸钠溶液中，并调节ph调节至4；所述硫酸和硅酸钠溶液在25℃下聚合1小时，在搅拌条件下分别加入硫酸镁、氯化铁(iii)六水合物、硝酸铝九水合物和硫酸锌，陈化24小时即可得到无机聚电解质聚硅酸镁铁铝锌；
s03：在25℃及搅拌条件下将所述聚硅酸镁铁铝锌逐滴加入到所述纳米二氧化硅溶胶中，并连续搅拌6小时；经过离心和过滤得到无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒溶液；其中，所述无机聚电解质与氧化硅的质量之比为0.5～5.0：100。
2.根据权利要求1所述的一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法，其特征在于，所述步骤s01中采用质量分数为1％的氢氧化钠溶液调节ph至10。
3.根据权利要求1所述的一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法，其特征在于，所述步骤s01中纳米二氧化硅溶胶二氧化硅的质量分数为10％。
4.根据权利要求1所述的一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法，其特征在于，所述步骤s01中在搅拌条件下，将0.4mol/l的硫酸逐滴加入到0.04mol/l硅酸钠溶液中。
5.根据权利要求1所述的一种无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒的制备方法，其特征在于，还包括步骤s04：将所述无机聚电解质-氧化硅复合抛光磨粒溶液的ph调节至10，加入表面活性剂，得到无机聚电解质-氧化硅复合抛光液。
技术总结