拋光漿料及其使用方法

專利名稱：：拋光漿料及其使用方法
技術領域：
：本發明主要涉及一種拋光漿料以及拋光工件或零件的方法，特別涉及混入液體介質和微粒磨料的拋光漿料及其f頓方法。
背景技術：
：拋光漿料跨越廣闊的工業范圍，普皿用于機器工件或零件，包括金屬或陶瓷零件，以及復合零件。一個成熟的和深入研究的工業領i或包括用一種稱為化學機1光(CMP)的方纟妹拋光半導體基材，其中漿OTia械或化學方法都能從半導體基材除去沉積材料。其他
技術領域：
僅僅集中在M^頓研磨漿料(也通稱為自由磨料(freeabrasive))的機械去除，該研磨漿料含有研磨顆粒材料如金剛石，以及陶瓷氧化和非氧化物質基質(host)。在許多種經受后成型機械加工的陶瓷和金屬零件中，由硬陶瓷材料例如碳化硅形成的零件表現出了特別的挑戰。己經發現這樣的零件可大量用于各種工業用途，包括建筑的、耐火的和半導體加工零件。由于受到與常規的陶瓷加工相關的處理技術的限制，包括自然加工體，陶瓷零件例如碳化硅零件經常需要后成形機械加工，其中零件處于致密形式，但需要表面拋光。如果是常規陶瓷零件的硬度，實現最終步驟的機械加工通常是費力的、昂貴的和費時的，該機働口工常包括拋光。根據上述內容，許多研究在繼續尋找拋光漿料或自由磨料以及相應的加工工藝，所述拋光槳料或自由磨料以及相應的加工工藝同時得到高度的材料清除率(MRR)，以及適宜的精拋光，例如低表面粗糙度以及高度平面性和表面平行性。這樣的需糊陶瓷零件來說是特別急需的，特別包括上面提到的硬陶瓷。
發明內容根據一個方面，提供一種拋光漿料，包括液體介質和顆粒磨料，該顆粒磨半斗包括軟磨米立、硬磨粒和膠態氧化粒的組合。軟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。軟磨粒的用K1常大于硬磨粒，例如相比于硬磨粒的重量比為2:1。根據另一種實施方式，拋光漿料包括一種液體介質和顆粒磨料，該顆粒磨料包括鈰粒、金剛石顆粒和膠態氧化M粒。鈽土顆粒的量占微粒磨料的50wt^^E高。根據另一方面，拋光漿料包括液體介質和顆粒磨料，該顆粒磨料包括軟磨粒、硬磨粒和月交態氧化石繊粒。顆粒用量分別為xwt^、ywt^和zwt^，其中x+論2y。根據另一種實施方式，拋光漿料包括液體介質和顆粒磨料，該顆粒磨料包括軟磨粒、硬磨粒和膠態氧化5，粒。硬磨粒具有比軟磨粒高的Mohs硬度，軟磨粒和硬磨粒至少一種具有正的表面電荷，從而4M態氧化5，粒絮凝化。根據另一方面，提供一種拋光陶瓷零件的方法，包括在陶瓷零件和機械工具之間提供一種如上所述的拋光槳料，陶瓷零件和機械工具相對移動，從而使材料從陶瓷零件表面除去。圖14舉例說明了在單晶SiC上不同漿料的拋光率。具體實施方式根據一種實施方式，提供一種拋光漿料，包括液體介質，其中具有顆粒磨料。顆粒磨料通常具有復合結構，包括幾種不同種類的磨粒。在一種實施方式中，顆粒磨料包括軟磨粒、硬磨粒和膠態氧化石彌粒。通常，硬磨粒具有高于軟磨粒的Mohs硬度。例如，硬磨粒的Mohs硬度可以不小于8，例如不小于9，實際上可以具有10的硬度。與此相反，軟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。在一個優選的實施方式中，軟磨粒主要由鈰土形成，而硬磨粒主要由金剛石形成。其它硬磨粒包括碳化硼、碳化硅和氧化鋁。在本文中使用鈰土作為軟磨粒材料的實施方式可以考慮形成CMP漿料，在機械方法和化學方法上都有作用。在拋光操作中，本文中的鈰土可以作為氧化劑，有助于材料的去除。通常顆粒磨料包括含量明顯大于硬磨粒的軟磨粒，例如，粒.*硬顆粒的重量比不小于2:1，例如不小于5:1、10:1或甚至15:1。實際上，某些實施方式具有十分高的軟磨粒裝載量，例如按重量比不小于約20:1。軟磨粒可以在顆粒磨料中作為主要組分，占顆粒磨料的50重量％或更高。在另一種實施方式中，顆粒磨料含有xwt^軟磨粒、ywt^硬磨粒和zwt^膠態氧化石飄粒，其中x+^2y。例如，某些實施方式甚至可以具有比硬磨粒濃度更高的軟磨粒和膠態氧化石，粒，關系表示為x+論3y或甚至5y、8y、10y，或甚至12y。實際上，某些實施方式甚至可以具有比硬磨f媒載量更高的軟磨粒和膠態氧化石纖粒，例如關系表示為x+ei5y，或甚至20y。對于本文實施方式所述的各種拋光漿料的更具體的組分參數，所述漿料可以含有顆粒磨料，其包括5095wtX的軟磨粒、0.515wt^的硬磨粒和4.5~35wt%的膠態氧化硅。另一種實施方式包括7095wt^的軟磨粒、0.515wt^的硬磨粒和4.529.5wt^的膠態氧化硅。又在另一種實施方式中，所粒磨料包括7595wt%的軟磨粒、0.510wt%的硬磨粒和4.524.5wt%的膠態氧化硅。更特別的，對于組成顆粒磨料的各種顆粒，通常硬磨粒相對細，具有約0.0250jjrn的平均粒度，例如0.0510,，甚至在0.05~1.0,的較窄范圍內。本文中，各種可以在市場上得到的，平均粒度在上述范圍內的金剛石都可以使用。對于軟磨粒，顆粒可以具有非常細的形態，顆粒尺寸在約3800nm的范圍內，例如在約10300nm的范圍內，或甚至10200nm。如上所述，在本文中4頓的一種軟磨粒的具體例子是Ce02(鈰土或二氧化鈰)。對于膠態氧化硅，本文使用的術語"膠態"是指通常分散在液體介質中，在沒有與其它顆粒相互作用的條件下通過布朗運動分散的顆粒材料。即作為獨立成分與其它顆粒一起集合成漿料，通常膠態氧化硅基本上不會團聚，可以基本上是單分散的。然而，在準備使用下文更詳細描述的漿料的情況下可以改變膠態氧化硅的分散狀態。在一種實施方式中，膠態氧化硅是一種溶液形成的顆粒材料，由溶膠或溶膠-湊艦過禾驟成納米尺寸的顆粒。通常膠態氧化硅具有非常細的平均粒度，通常是亞株妹顆粒，甚至更特別的是在約3-200nm的范圍內，例如在約10-100nm的范圍內，或甚至10-75nm。特別的，在拋光漿料中固體裝載量，粒磨料的百分比在約2-50重量％內，例如2-35wtX，或5-25wtX。上述的固體裝載量，以包括固體顆粒成分和液體成分的漿液總重量計，漿液中總固體含量。在這方面，液體介質可以是水(水性的)、有機物或水與有機物的組合。液體介質的具體例子包括去離子水、甘油禾口/或TEA。實施例在一個實施例中，形成如下的漿料組合物。膠態氧化硅0.0177重量份甘油0.2474重量份水0.62277重量份TEA:0.0032重量份鈰土0.1100重量份金剛石0.0045重量份總固體裝載量是約0.1322份或13.22wt%，由3.4wt。/。金剛石、83wt。/。鈰土禾口13.4wto/。膠態氧化硅纟賊。膠態氧化硅的平均粒度在100nm以下，微粒二氧化硅為約40nm和約50nm。鈰土的平均粒度在200nm以下，約165nm。金剛石具有約0.10,的平均粒徑。又根據本發明的另一方面，提供一種機械加工(具體包括拋光)陶瓷零件的方法。根據一種方法，在要經受拋光的陶瓷零件和機械工具之間提供一種拋光漿料，陶瓷零件和機械工具彼此相對運動，以從陶瓷零件表面除去材料。在本文中，機械工具可以相對于固定的陶瓷零件運動，陶瓷零件可以相對于固定的機械工具運動，或陶瓷零件與機械工具都可以運動或變動(translate);盡管如此，在所有情況下，即使一個保持不動，兩個零件(陶瓷零件和機械工具)也彼此相對運動。包括液體介質和顆粒磨料的拋光漿料可以是，各種漿料實施方式中的任意一種。為了對特另蹈構體進行拋光操作，可以4頓各種會g通常在現有技術中獲得的各種拋光儀器中的一種。舉例來說，機械工具可以具體是一個拋光墊、多個拋光墊或傳動皮帶。通常，機械工具偏壓在陶瓷零件上，在它們之間存在漿料。機械工具甚至可以具體是一種固定的磨料，例如涂敷磨料或粘合磨料，盡管機械工具通常本身不是磨料成分，因為本文公開的漿料具有特別設計的復合顆粒磨料結構，在上文已經詳細論述。本發明人發現根據本發明的不同實施方式，特別包括如本文所述的復合顆粒磨料，在材料去除率和表面拋光方面提供了期望的性能。不同的實施方式已經證明了材料去除率不小于約0.5Mm/小時，例如不小于約1.0—小時，甚至不小于1.25—小時。實際上，特別的拋;)tii轉提供了約1.5—小時的材料去除率(MRR)。此外，根據本發明的實施方式，期望的表面拋光已經證明表面粗^t均方根值不大于IOOA，例如不大于50A、20A和甚至不大于10A。實際上，根據本文實施例的拋光運轉，表現出了約45A均方根值的表面粗糙度。相比之下，生產不含有軟磨粒成分(如鈰土)、硬磨粒成分(如金剛石)和膠態氧化硅這所有三種成分的比較例。在這些比較例的任一個中，材料去除率是相當低的。例如，一種含有金剛石和膠態氧化硅的漿料和一種含有鈰土和膠態氧化硅的漿料，己經發現在相同的加工條件下，它們的材料去除率比本文的實施例低了整一個等級，通常約0.2—小時。不想依靠任何特別的理論，但相信本文使用的膠態氧化硅在其表面具有負電荷，由于與帶正電荷的軟磨粒例如鈰土微粒相互作用，從而引起輕微的絮凝作用。絮凝作用被認為是引起了柔軟團聚物的形成，柔軟團聚物包括分布(以較少的量)的硬磨粒(如金剛石)。人們相信金剛石顆粒多半暴驗團聚物的外表面，團聚物結合了大的柔，粒(M^、刮痕)和硬顆粒(得到高MRR)的特性。作為在本文中使用的，對形成團聚物的絮凝作用的說明顯著不同于硬磨料聚集體，像那樣一類聚集體公開在US6,081，483中。在本文中，術語"團聚物'是指弱粘合的顆粒塊，與粘合的聚集體相反，其中顆粒的每種組成類別在團聚物中仍然可以單獨辨認，不會緊密粘合在一起，聚集體由典型的通過熱處理形成的共價結合的顆粒組成，其中多個種類中的一個可能不再，粒形式(如膠態氧化硅形成非顆粒粘合層)。根據本文的實施方式，膠態氧化硅通常保持微粒形式，盡管膠態氧化硅可以與漿液中其它類別的磨粒相互凝聚。而且，通常實施方式基本沒有含有硬種類(如金剛石)、軟種類(如鈰土)和膠態氧化硅的聚集體。另外的實施例通過圖M，在安翻Strasbaugh6CA拋光工具上的單晶碳化硅工件上，在相同的工藝條件下，生產和評價各種漿液11"42。漿液的說明提供在下面的表格中。表<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>在上面使用的CER表示鈰土，Dg金剛石，CS1是基于第一膠態氧化硅的添加劑(以懸浮液的形式存在)，CS2是基于第二膠態氧化硅的添加劑(也以懸浮液的形式存在)。圖i表^fflai膠態氧化硅、硬磨料(在這種情況下，金剛石)和帶正電荷的軟磨料(在這種情況下，鈰土)的組合獲ffM光率的顯著改善。值得注意的^H組分配方的拋光率遠遠艦只具有一或兩種組分的漿液的拋光率，漿液18表示帶負電荷的材料例如氧化鋁與使用帶正電荷的材料如鈰土相比沒有特別的效果。圖2^在含二氧化石a:浮液CSl和CS2中的活性成分實際上是二氧化硅。特別參見漿液22，含有無二氧化硅的懸浮液。圖3表示在漿料中金剛石的濃度變高會限制有效性。圖4表示pH變高改,光率，在pH12時相比于pH9顯著的更加優良。本發明特殊例舉和說明了發明的實施方式，但本發明并非是要限定于所展示的詳細內容，因為可以以任何方式在不背離本發明范圍的情況下進行各種改進和替代。例如，可以J^共額外或等效的替代物，以M用額外或等效的生產步驟。同樣地，本文涉及的本發明的進一步的改進和等效對于本領域技術人員僅僅用例行實驗就可以想到，所有這些改進和等效能夠認為是在下面的權利要求限定的本發明的范圍內。權利要求1.一種拋光漿料，包括液體介質；和顆粒磨料，所述顆粒磨料包括軟磨粒、硬磨粒和膠態氧化硅顆粒，其中軟磨粒具有不大于8的Mohs硬度，硬磨粒具有不小于8的Mohs硬度，以及其中的軟磨粒和硬磨粒的重量比不小于2∶1。2、根據權利要求1的拋光漿料，其中軟磨粒具有不大于7的Mohs硬度。3、根據權利要求2的拋光漿料，其中軟磨粒具有不大于6的Mohs硬度。4、根據權利要求3的拋光漿料，其中軟磨粒包括鈽土。5、根據權利要求1的拋光漿料，其中硬磨粒具有不小于9的Mohs硬度。6、根據權利要求5的拋光漿料，其中硬磨粒具有的Mohs硬度為10。7、根據權利要求6的拋光漿料，其中硬磨粒包括金剛石。8、根據權禾腰求1的拋光漿料，其中軟磨粒和硬磨粒的重量比不小于5:1。9、根據權利要求8的拋光漿料，其中軟磨粒和硬磨粒的重量比不小于10:10、根據權利要求9的拋光漿料，其中軟磨粒和硬磨粒的重量比不小于15:1。11、根據權禾腰求10的拋光漿料，其中軟磨粒和硬磨粒的重量比不小于20:1。12、根據權禾腰求1的拋光漿料，其中顆粒磨料包括5095wt^的軟磨粒，0.515wt^的硬磨粒和4.535wtX的膠態氧化硅。13、根據權利要求12的拋光槳料，其中顆粒磨料包括7095wt^的軟磨粒，0.515wt^的硬磨粒和4.529.5wt^的膠態氧化硅。14、根據權利要求13的拋光漿料，其中顆粒磨料包括7595wt柳勺軟磨粒，0.510wt^的硬磨粒和4.524.5wt^的膠態氧化硅。15、根據權利要求1的拋光漿料，其中膠態氧化^^粒具有亞'平均粒度。16、根據權利要求15的拋光漿料，其中膠態氧化石彌粒的平均禾娘在約3200nm的范圍內。17、根據權利要求16的拋光漿料，其中膠態氧化硅顆粒的平均粒度在約10100nm的范圍內。18、根據權利要求17的拋光漿料，其中膠態氧化自粒的平均粒度在約1075nm的范圍內。19、根據權利要求1的拋光漿料，其中漿料部分絮凝,，具有團聚物，戶腿團聚物含有軟磨料、硬磨料和膠態氧化石镚粒。20、根據權利要求1的拋光漿料，其中漿料包括裝載量在約235wt^之間的顆粒磨料。21、根據權利要求20的拋光漿料，其中漿料包括裝載量在約525wt^之間的顆粒磨料。22、根據權利要求1的拋光漿料，其中硬磨粒的平均粒度在約0.02~50,的范圍內。23、根據權禾腰求22的拋光漿料，其中硬磨粒的平均粒度在約0.05~10,的范圍內。24、根據權利要求23的拋光漿料，其中硬磨粒的平均粒度在約0.051,的范圍內。25、根據權利要求1的拋光漿料，其中漿料^7K性的，液體介質包括水。26、根據權利要求1的拋光漿料，其中液體介質包括一種有機液體。27、根據權利要求1的拋光漿料，其中漿料基本上不含團聚物，所述團聚物含有軟磨粒、硬磨粒和膠態氧化5粒。28、一種拋光漿料，包括液體介質；和顆粒磨料，所M粒磨料包括鈽土顆粒、金剛石顆粒和膠態氧化硅顆粒，其中鈰i^粒占顆粒磨料的50wt。/。或更高。29、根據權利要求28的拋光漿料，其中鈰i^粒和金剛石顆粒的重量比不小于2:1。30、根據權利要求29的拋光漿料，其中鈽土顆粒和金剛石顆粒的重量比不小于5:1。31、根據權利要求30的拋光槳料，其中鈰±^粒和金剛石顆粒的重量比不小于10:1。32、根據權利要求31的拋光漿料，其中鈰zW粒和金剛石顆粒的重量比不小于15:1。33、根據權禾腰求32的拋光漿料，其中鈰預粒和金剛石顆粒的重量比不小于20:1。34、根據權利要求28的拋光漿料，其中膠態氧化硅的量能夠^^料至少發生部膽凝。35、根據權利要求28的拋光漿料，其中顆粒磨料包括5095wt^的鈰i^粒、0.515wtX的金剛石顆粒和4.535wt^的膠態氧化硅。36、根據權利要求35的拋光漿料，其中顆粒磨料包括7095wt^的鈰預粒、0.515wtX的金剛石顆粒和4.529.5wt^的膠態氧化硅。37、根據權禾腰求36的拋光漿料，其中顆粒磨料包括7595wt^的鈰預粒、0.510wtX的金剛石顆粒和4.524.5wt^的膠態氧化硅。38、根據權利要求28的拋光漿料，其中膠態氧化ffl粒具有亞i^t平均粒度。39、根據權利要求38的拋光漿料，其中膠態氧化石，粒的平均粒度在約3200nm的范圍內。40、根據權利要求39的拋光漿料，其中膠態氧化自粒的平均粒度在約10100nm的范圍內。41、根據權利要求40的拋光槳料，其中膠態氧化硅顆粒的平均粒度在約1075nm的范圍內。42、根據權利要求28的拋光漿料，其中槳料部膽凝，具有團聚物，戶脫團聚物含有鈰土、金剛石和膠態氧化^^粒。43、根據權利要求28的拋光漿料，其中漿料包括裝載量為約235wt^的顆粒磨料。44、根據權利要求43的拋光漿料，其中漿料包碟載量為約525wt^的顆粒磨料。45、根據權利要求28的拋光漿料，其中金剛石顆粒的平均粒度在約0.0250,的范圍內。46、根據權利要求45的拋光漿料，其中金剛石顆粒的平均粒度在約0.05~10,的范圍內。47、根據權利要求46的拋光槳料，其中金剛石顆粒的平均粒度在約0.051[om的范圍內。48、根據權利要求28的拋光漿料，其中漿料是水性的，液體介質包括水。49、根據權禾腰求28的拋光漿料，其中液體介質包括有機液體。50、根據權禾腰求28的拋光漿料，其中拋光漿料不含含有金剛石微粒、鈰土微粒和膠態氧化硅微粒的聚集體。51、一種拋光槳料，包括液體介質；和顆粒磨料，所粒磨料包括以xwt。/。的量存在于顆粒磨料中的軟磨粒，以ywt。/。的量存在于顆粒磨料中的硬磨粒,，和以zwt。/。的量存在于顆粒磨料中的膠態氧化自粒，其中所述硬磨粒的Mohs硬度大于戶;f^軟磨粒的Mohs硬度，且x+z^2y。52、根據權利要求51的拋光漿料，其中x+z23y。53、根據權利要求52的拋光漿料，其中x+z25y。54、根據權利要求53的拋光漿料，其中x+z上8y。55、根據權利要求54的拋光漿料，其中x+z210y。56、根據權禾腰求55的拋光漿料，其中x+z212y。57、根據權利要求56的拋光漿料，其中x+z^15y。58、根據權利要求57的拋光漿料，其中x+z蘭20y。59、一種拋光漿料，包括液絲質；和顆粒磨料，所述顆粒磨料包括軟磨粒、硬磨粒和膠態氧化石粒，其中硬磨粒具有高于軟磨粒的Mohs硬度，以及軟磨粒和硬磨粒中的至少一種具有正表面電荷，從而與膠態氧化M粒絮凝。60、一種拋光陶瓷零件的方法，包括在陶瓷零件和機械工具之間樹共根據權利要求159中任意一項的拋光漿料；使陶瓷零件和機械工具之間相對運動，以從陶瓷零件表面去除材料。61、根據權利要求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戶;Ma行拋光的表面。62、根據權利要求61的方法，其中硬陶瓷材料包括SiC。63、根據權利要求60的方法，其中所述表面在完成拋光后具有不大于100A均方根值的表面粗^it。64、根據權利要求63的方法，其中所述表面在完成拋光后具有不大于50人均方根值的表面粗f，。65、根據權利要求64的方法，其中所述表面在完成拋光后具有不大于20A均方根值的表面粗^^。66、根據權利要求65的方法，其中所述表面在完成拋光后具有不大于10A均方根值的表面粗M^。67、根據權利要求66的方法，其中所述表面在完成拋光后具有不大于5A均方根值的表面粗糙度。68、根據權利要求60的方法，其中從表面除去材料的速率不小于0.5—小時。69、根據權利要求68的方法，其中從表面除去材料的速率不小于I.OmitV小時。70、根據權利要求69的方法，其中從表面除去材料的速率不小于1.25—小時。全文摘要一種拋光漿料，包括液體介質和顆粒磨料。顆粒磨料包括軟磨粒、硬磨粒和膠態氧化硅顆粒，其中軟磨粒具有不大于8的Mohs硬度，硬磨粒具有不小于8的Mohs硬度，以及其中存在的軟磨粒和硬磨粒的重量比不小于2∶1。文檔編號H01L21/02GK101273105SQ200680035643公開日2008年9月24日申請日期2006年9月29日優先權日2005年9月30日發明者A·G·赫爾勒,R·W·拉孔托申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司