工艺参数对稀土抛光液分散性能的影响.pdf

2 0 1 3 年l 期 有色金属 冶炼部分 h t t p [ [ y s y l 。b g r i m m ．c n ‘3 7 。 d o i 1 0 。3 9 6 9 ／j ．i s s n 。1 0 0 7 。7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 1 2 工艺参数对稀土抛光液分散性能的影响 舒硕，李梅，柳召刚，胡艳宏，王觅堂 内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要用B Y K l 8 0 分散剂和稀土抛光粉配制抛光液，借助吸光度和沉降体积等指标研究了分散剂用量、 p H 、搅拌速率和时间等参数对稀土抛光液分散性能的影响。结果表明，随着B Y K l 8 0 用量、搅拌速率和 搅拌时问的增加，抛光液的分散性先增加后降低。p H 一6 ．8 为此抛光液的等电点，在一定p H 范围内， 偏离等电点越远，抛光液吸光度越大，且碱性体系的吸光度略大于酸性体系。当抛光液酸性和碱性过强 时，吸光度又变小。获得最佳分散效果抛光液的工艺参数为B Y K l 8 0 用量0 ．7 5 ％，溶液p H 一9 ．5 ，搅拌 速率20 0 0r ／m i n ，搅拌时间1 2 0r a i n 。 关键词抛光液；工艺参数；分散剂；p H ；搅拌速率；性能 中图分类号T Q 0 2 7 ．3 16文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 1 0 0 3 7 0 4 E f f e c to fP a r a m e t e r so nD i s p e r s i t yo fR a r eE a r t hB e a r i n gP o l i s h i n gS l u r r y S H US h u o ，L IM e i ，L I UZ h a o g a n g ，H UY a n h o n g ，W A N GM i t a n g S c h o o lo fM a t e r i a l s ＆．M e t a l l u r g y ，I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g y ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a A b s t r a c t P o l i s h i n gs l u r r yw a sp r e p a r e df r o mB Y K l 8 0d i s p e r s i n ga g e n ta n dr a r ee a r t hb e a r i n gp o l i s h i n g p o w d e r ．T h ee f f e c to fp a r a m e t e r si n c l u d i n gd o s a g eo fB Y K l 8 0 ，p Hv a l u e ，s t i r r i n gs p e e da n dt i m eo nd i s p e r s i t yo ft h ep o l i s h i n gs l u r r yw a ss t u d i e dw i t ht h ea s s i s t a n c eo fi n d e x e so fa b s o r b a n c ea n ds e d i m e n tv o l u m e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fB Y K l 8 0d o s a g e ，s t i r r i n gs p e e da n dt i m e ，t h ed i s p e r s i t yo f t h ep o l i s h i n gs l u r r yr i s e sa tf i r s ta n dt h e nd e c l i n e s ．p Hv a l u eo f6 ．8i st h ei s o e l e c t r i cp o i n to ft h ep o l i s h i n g s l u r r y ．W i t h i nac e r t a i nr a n g eo fp Hv a l u e ，t h ef a r t h e rd e v i a t i o nf r o mt h ei s o e l e c t r i cp o i n ti s ，t h el a r g e r a b s o r b a n c eo ft h ep o l i s h i n gs l u r r yi so b t a i n e d ，a n dt h ea b s o r b a n c ei nb a s i cs y s t e mi ss l i g h t l ys t r o n g e rt h a n t h a ti na c i ds y s t e m ．T h ea b s o r b a n c es t a r t st od e c l i n ew h e nt h ea c i d i t yo rb a s i c i t yo ft h ep o l i s h i n gs l u r r yi s e x t r e m e l ys t r o n g ．T h eo p t i m a lp a r a m e t e r sf o rt h ed i s p e r s i t yo ft h ep o l i s h i n gs l u r r yi n c l u d eB Y K l 8 0d o s a g e o f0 ．2 5 ％，p Hv a l u eo f9 ．5 ，s t i r r i n gs p e e do f20 0 0r ／m i na n ds t i r r i n gt i m eo f1 2 0m i n ． K e yw o r d s p o l i s h i n gs l u r r y ；p a r a m e t e r s ；d i s p e r s i n ga g e n t ；p Hv a l u e ；s t i r r i n gs p e e d ；p r o p e r t y 化学机械抛光 C h e m i c a lM e c h a n i c a lP o l i s h i n g ，简称C M P 技术是仅有的一种固体表面全局 平坦化方法，广泛应用于I C 电路元器件和精密光学 仪器的超精密加工领域阻“。在化学机械抛光过程 中，抛光液起着重要的作用。C M P 抛光液一般由磨 料、p H 调节剂、分散剂、添加剂和去离子水组 成‘} 6 I 。分散性能、抛光工件的去除速率和工件抛光 表面质量通常是评价C M P 抛光液性能的重要指 标，其中分散性能良好是抛光液的基本要求口3 。已 有研究表明，选用合适的分散剂及用量，可以降低抛 收稿日期2 0 1 20 8 1 6 基金项目国家杰出青年基金项目 5 1 0 2 5 4 1 6 ；教育部创新团队项目 I R T l 0 6 5 ； 内蒙古自治区高等学校创新团队发展计划项目 N M G I R T l l 0 4 作者简介舒硕 1 9 8 6 一 。女，四川武胜入，硕士研究生． 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年1 期 光表面的粗糙度哺。9 ] ，提高材料的去除率[ 10 | 。 目前，广泛应用的抛光液磨料有A l 0 。、S i O 、 硅溶胶及稀土氧化物等。稀土氧化物尤其是C e O 。 因其硬度适中、抛光效率高、抛光质量好等优点，具 有极大发展潜力∞，1 1 - 1 2 ] 。国际上对生产高品质C M P 抛光液实行技术封锁，而国内生产的抛光液质量欠 佳，致使国内使用的高品质C M P 抛光液主要依赖 进E l 【1 3 ] 。 为此，本文以B Y K l 8 0 分散剂和稀土抛光粉配 制化学机械抛光液，借助吸光度和沉降体积等指标 研究了各工艺参数对稀土抛光液分散性能的影响， 为研究高品质C M P 抛光液提供理论基础。 1 试验原料和方法 采用稀土X Y 一2 3 2 P 抛光粉和B Y K l 8 0 分散剂， 以去离子水为溶剂配制抛光液，抛光粉质量分数为 2 0 ％。配制过程用电子天平称量一定量的 B Y K l 8 0 并置于烧杯中，用5 0m L 去离子水溶解， 用U 4 0 0 ／8 0 2 2 0 型高速分散机以10 0 0r ／m i n 转速 搅拌1 0m i n ，再加入2 0g 抛光粉和3 0m L 去离子水 稍加搅拌使其成悬浮液，并用盐酸或氢氧化钠溶液 调节抛光液的p H ，将分散机转速调至试验转速并 持续搅拌一定时间，即得到配制的抛光液。 配制好抛光液后，立刻采用T U 一1 9 0 1 双光束紫 外可见分光光度计测量吸光度，此后每隔一定时间 测试一次。另外，取1 0m L 刚制备好的抛光液倒人 1 0m L 小量筒中，静置一定时间后，记录静置时问和 抛光液体系对应的沉降体积。 2结果分析与讨论 2 ．1B Y K l 8 0 用量对分散性的影响 调整溶液p H 为9 ．5 ，控制搅拌速率20 0 0 r ／m i n ，搅拌时间1 2 0m i n ，不同B Y K l 8 0 用量的抛 光液在不同时间的吸光度和沉降体积测定结果分别 见图1 ～2 。 从图1 可看出，随着B Y K l 8 0 用量的增加，抛 光液的吸光度先增加后降低，当B Y K l 8 0 用量达j , k J 0 ．7 5 ％时，吸光度达到最大值。 从图2 町孑亍出，不同时间的沉降体积均呈现先 降低再增加的趋势，当B Y K l 8 0 用量达到0 ．7 5 ％ 时，沉降体积达到最小值，与吸光度最大相对应。 图3 为不同分散剂用量的抛光液静置7 2h 后 的照片。 从图3 可看出，静置7 2h 后，分散剂用量为 4 j 置 魁2 蚕z ． 1 ． 1 { l 肘J 刨／t l 图1不同分散剂用量的抛光液在 不同时间的吸光度 F i g ．1 A b s o r b a n c eo fp o l i s h i n gs l u r r y w i t hd i f f e r e n td i s p e r s i n ga g e n ta m o u n t s a td i f f e r e n tt i m e 图2 不同分散剂用量的抛光液在 不同时间的沉降体积 F i g ．2 S e d i m e n tv o l u m eo fp o l i s h i n gs l u r r y w i t hd i f f e r e n td i s p e r s i n ga g e n ta m o u n t s a td i f f e r e n tt i m e 0 ．7 5 ％的抛光液最为稳定，发生的沉降也最少，其余 的均有明显的沉积物。因此，最佳的B Y K l 8 0 分散 剂用量为0 ．7 5 ％。 综上所述，少量B Y K l 8 0 可有效改善抛光液的 分散性能，且存在最佳使用量。B Y K l 8 0 是具有酸 性基团的烷基铵盐嵌段共聚物，一方面其长分子链 可吸附在抛光粉固体颗粒表面，起到空间位阻稳定 作用；另一方面长分子链上的可离解基团可增加颗 粒表面带电量，起到静电排斥稳定作用。因此，少量 的B Y K l 8 0 有利于改善抛光液分散性能。当 B Y K l 8 0 用量超过一定值 0 ．7 5 ％ 时，过多的 B Y K l 8 0 会形成胶团，降低抛光液稳定性，且在水溶 液中可离解基团增加，使颗粒表面带电量减少，导致 万方数据 2 0 1 3 年1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p n y s y l ．b g r i m m ．c n 3 9 静电斥力减小，颗粒团聚沉降的程度增大，从而使抛 光液分散性能变差，吸光度略有降低。、 图3不同分散剂用量的抛光液静置7 2h 后的照片 F i g ．3 P h o t o so fp o l i s h i n gs l u r r yw i t hd i f f e r e n td i s p e r s i n ga g e n ta m o u n t sa f t e rs t a n d i n g7 2h o u r s a 0 ．1 0 ％； b 0 ．5 0 ％；【C 0 ．7 5 ％； d 1 ．0 0 ％ 2 ．2 p H 对分散性的影响 控制B Y K l 8 0 用量0 ．7 5 ％，搅拌速率20 0 0 r ／r n i n ，搅拌时间1 2 0m i n ，调整溶液p H 在2 ．0 ～ 1 0 ．5 进行试验，不同p H 的抛光液在不同时刻的吸 光度如图4 所示。 图4 不同p H 抛光液在不同时刻的吸光度 F i g ．4 A b s o r b a n c eo fp o l i s h i n gs l u r r yw i t h d i f f e r e n tp Hv a l u e sa td i f f e r e n tt i m e 由图4 可看出，抛光液在刚制备好时 oh 其吸 光度在p H 一6 ．8 时有一极小值。试验中，肉眼亦可 观察到此时抛光液发生了剧烈的絮沉现象，溶液很 快变为澄清透明状。在等电点处，抛光液中氧化物 固体颗粒表面净电荷为零，静电斥力与吸引力相抵 消，颗粒会发生剧烈团聚沉降现象，这说明p H 一 6 ．8 即为此抛光液的等电点。 颗粒受重力作用而发生沉降，且其因表面能较 高，颗粒间易发生团聚生成大颗粒，使沉降作用加 剧，因此制备好的抛光液静置2 4h 后的吸光度明显 小于刚制备好的。2 4h 时抛光液在不同p H 体系中 的吸光度差异变大。由图4 可看出，在一定p H 范 围内，偏离等电点越远，抛光液吸光度越大，且碱性 体系的吸光度略大于酸性体系。但当抛光液为强酸 p H i 3 和较强碱性 p H 1 0 ．5 体系时吸光度又 变小。p H 一9 ．5 的抛光液分散性能最好。 B Y K l 8 0 长分子链中的酸性基团和铵盐基团离 解后分别带负电和正电，在酸性条件下铵盐基团的 离解起主要作用，而在碱性环境下酸性基团的离解 起主要作用。因此在酸性或碱性环境下，不同基团 的离解均使固体颗粒电荷密度增加，增强颗粒间静 电斥力，从而改善抛光液的分散性能。当酸性和碱 性过强时，抛光液吸光度出现低值，这是因为 B Y K l 8 0 长分子链功能基团的过多离解反而使吸附 层厚度变小[ 1 “，抛光液颗粒分散效果变差。 2 ．3 搅拌速率对分散性的影响 在B Y K l 8 0 用量0 ．7 5 ％，溶液p H 一9 ．5 ，搅拌 时间1 2 0m i n 的条件下，搅拌速率对抛光液吸光度 和沉降体积 静置2 4h 后 的影响如图5 所示。 搅拌速度， r m i n 一- 图5 搅拌速率对抛光液吸光度和 沉降体积的影响 F i g ．5 E f f e c to fs t i r r i n gs p e e do na b s o r b a n c e a n ds e d i m e n tv o l u m eo fp o l i s h i n gs l u r r y 由图5 可知，随着搅拌速率的增大，抛光液吸光 度先增大后减小，对应沉降体积先减小再增加。当 万方数据 4 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年1 期 搅拌速率为20 0 0r ／m i n 时，抛光液的吸光度最大， 沉降体积最小，分散效果最好。在相同搅拌时间下， 机械分散的速率增大，抛光液的剪切力及压应力随 之增加[ 15 | ，也就有更多的颗粒团聚体被碎解，并以 单颗粒形态均匀分散开来，沉降作用减小，从而吸光 度逐渐变大。当转速大于20 0 0r ／m i n 时，碎解的单 颗粒过多，颗粒会重新团聚，沉降作用增大，从而吸 光度降低。 2 ．4 搅拌时间对分散性的影响 在B Y K l 8 0 用量为0 ．7 5 ％，溶液p H 一9 ．5 ，搅 拌速率20 0 0r ／m i n 时，搅拌时问对抛光液吸光度和 沉降体积 静置2 4h 后 的影响如图6 所示。 J 暑 、 雕 篷 壁 避 图6 搅拌时间对抛光液吸光度和 沉降体积的影响 F i g ．6 E f f e c to fs t i r r i n gt i m eo na b s o r b a n c ea n d s e d i m e n tv o l u m eo fp o l i s h i n gs l u r r y 由图6 可知，随着搅拌时间延长，抛光液体系吸 光度先增大后减小，对应沉降体积先减小再增大。 当搅拌时间为1 2 0m i n 时，抛光液的吸光度最大，沉 降体积最小，分散效果最好。随着搅拌时间的延长， 团聚颗粒因机械力而被碎解后，越来越多的单颗粒 稳定分散在水介质中，从而吸光度逐渐变大；而当搅 拌时间过长，导致介质中单颗粒过量，反而重新团聚 生成大颗粒而沉降，使吸光度减小。 3结论 1 随B Y K l 8 0 用量、搅拌速率和搅拌时间的增 加，抛光液的分散性先增加后降低。 2 p H 一6 ．8 为此抛光液的等电点。在一定p H 值范围内，偏离等电点越远，抛光液吸光度越大，且 碱性体系的吸光度略大于酸性体系。当抛光液酸性 和碱性过强时，吸光度又变小。 3 获得最佳分散效果抛光液的参数为 B Y K l 8 0 用量0 ．7 5 ％，溶液p H 一9 ．5 ，搅拌速率 20 0 0r ／m i n ，搅拌时间为1 2 0m i n 。 参考文献 [ 1 ] S c h u l e rJ ．C M Pt e c h n o l o g ya n dm a r k e t s [ C ] ／／S E M I C O NC h i n a9 9 ，T e c h n i c a lS y m p o s i u m ，B e i j i n g ，1 9 9 9 1 7 1 8 ． [ 2 3A l iI ，R o ySR ，S h i n nG ．C h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g o fi n t e r l a y e rd i e l e c t r i c ar e v i e w r J ] ．S o l i dS t a t eT e c h n o l o g y ，1 9 9 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