Полировальный состав для химико-механического полирования

 

Изобретение относится к полировальным составам для суперфинишной обработки материалов электронной, лазерной и оптической техники и направлено на повышение эффективности обработки и улучшения качества обрабатываемых поверхностей. Это достигается за счет ведения в водно-органическую основу 0,1-15% ультрадисперсных клоидных частиц алмаза с размером микрокристаллитов 2-20 нм плотностью поверхностных адсорбционно-активных центров кислотно-водной природы 1-20 мкг-экв/мг. Дополнительно водно-органическая основа содержит добавки электролитов в количестве 1-20% мас-основн. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к полировальным составам, предназначенным для финишной и суперфинишной обработки материалов и деталей электронной, лазерной и оптической техники.

Изобретение относится также к полировальным суспензиям и пастам, содержащим микро- и субмикропорошки алмазов, и может быть использовано в различных областях точного приборостроения в технологиях обработки ответственных поверхностей материалов.

Известны алмазные абразивные полировальные составы для механической обработки различных синтетических материалов в оптической, керамической и электронной промышленности (авт. св. СССР N 1578169), а также для металлов и сплавов (авт. св. СССР N 1199780). Однако, абразивные алмазные зерна оставляют на обрабатываемых поверхностях сетку царапин /т.п. алмазный фон/, глубина и плотность которых зависит от зернистого абразива.

В результате возникает необходимость последующих операций полирования поверхности с использованием более мягких, чем алмаз, абразивов, что приводит к увеличению трудозатрат и снижению производительности процесса полирования.

Известны составы для химико-механического полирования материалов электронной техники, например, полупроводниковых пластин, включающие субмикронные порошки оксидов кремния, циркония или алюминия, взвешенные в водно-органических щелочных растворах, содержащих гидроксиды натрия, калия, аммония или органические основания амины (авт. св. СССР N 1568567, кл. C 01 1/02).

Размер зерна используемых оксидов не превышает 0,1 мкм; процесс полирования полупроводников носит механо-химический характер.

А именно: из-за малого размера абразивных зерен контакт между ними и обрабатываемой поверхностью минимален, полирование осуществляется преимущественно за счет химического взаимодействия активных компонентов жидкой среды с полируемым веществом.

Таким образом получают поверхности без рисок и микроцарапин с минимальным нарушением приповерхностным слоем 0,1 мкм.

Недостатками указанных полировальных составов являются низкая производительность, нестабильность во времени недостаточное качество поверхности и приповерхностных структур для целей электронной техники и высокоточной оптики.

Наиболее близким предлагаемому полировальному составу является состав на основе ультрадисперсного коллоидного диоксида кремния (аэросила) в водно-органической среде, содержащей добавки кислот, оснований и окислителей (авт. св. СССР N 3344852).

Недостатком известного состава является химическая неустойчивость ультрадисперсных частиц диоксида кремния в реакционных средах. Процесс полирования переходит в режиме химического травления и на обрабатываемых поверхностях формируются характерные для этого процесса дефекты, ямки травления, матирование, выявление границ блоков и т.п.

В кислых средах частицы склонны к коагуляции с образованием силикагелей. При этом растет вероятность механических повреждений обрабатываемой поверхности.

Кроме того, полировальные составы на основе аэросила нестабильны при использовании и хранении.

Задача изобретения повышение стабильности полировальных составов, повышение качества обрабатываемых поверхностей и повышение технологичности процесса химико-механического полирования.

Цель достигается тем, что полировальный состав, включающий ультрадисперсные коллоидные частицы, диспергированные в водноорганической среде с добавками электролитов, в качестве коллоидных частиц содержит ультрадисперсные частицы алмазов с размером микрокристаллитов 2-20 нм, имеющий плотность поверхностных адсорбционно-активных центров кислотно-основной природы 1-20 мкг-экв/м², при следующем соотношении компонентов состава, мас.

Коллоидные ультрадисперсные алмазы 0,1-15 Водно-органическая основа Остальное Цель достигается также тем, что водно-органическая основа содержит добавки электролитов в количестве 0,1-20% от массы основы.

Отличительными признаками изобретения являются: 1. Полировальный состав для химико-механического полирования содержит коллоидные ультрадисперсные алмазы с размером частиц 2-20 нм.

2. Ультрадисперсные алмазы имеют плотность поверхностных адсорционно-активных центрова кислотно-основной природы 1-20 мкг-экв/м².

3. Содержание компонентов полировального состава, мас.

Коллоидные ультрадисперсные алмазы 0,1-15 Водно-органическая основа остальное Использование ультрадисперсных алмазов (УДА) -признак 1 известно из ряда решений науки и техники. Так, описано применение УДА как компонента упрочняющих гальванических покрытий (авт. св. СССР N 1694710, C 25 D 15/00), антифрикционной добавки к смазочным маслам (авт. св. СССР N 1658641, C 10 M 101/00; 113/02). Конкретных сведений о применении УДА в полирующих составах для химико-механического полирования нами не обнаружено. Признак 2 отражает существенное свойство применяемых УДА и не известен из других решений науки и техники. Признак 3 также не известен из других решений науки и техники.

УДА представляют собой частицы округлой изометрической формы без выраженной кристаллической огранки; имеют средний размер микрокристаллитов в пределах 2-20 нм. В отличие от аэросилов и многих других оксидов УДА устойчивы к действию кислот и щелочей, а также к действию жидкофазных травителей и окислителей как при комнатной, так и при повышенной температуре. Это позволяет включить в полировальные композиции наряду с УДА сильные кислоты (азотную, соляную, серную, плавиковую и их смеси), а также едкие щелочи и сильные окислители в концентрациях до 20% При это не наблюдалось ни растворения, ни агломерации алмазов и соответственно дефектов обработки полируемых поверхностей. Экспериментальные данные по химической и коллоидной стабильности УДА в химических активных средах приведены в табл.1.

Кроме того, химическая стабильность УДА открывает возможность регенерации алмазов из отработанных составов, что положительно влияет на экономические характеристики процесса полирования с помощью предложенного состава. Химическая и коллоидная стабильность УДА позволяет также приготавливать единовременно укрупненные партии полировального состава, выдерживающие длительные сроки хранения и использования без ухудшения потребительских качеств, что повышает технологичность процесса полирования с использованием предлагаемого состава по сравнению с прототипом.

УДА, используемые для приготовления предлагаемых полировальных составов, характеризуются адсорбционной и ионообменной активностью, а именно: плотность адсорбционных центров кислотно-основной природы составляет 1-20 мкг-экв/м². Статическая обменная емкость УДА по ионам Na составляет 0,1-365 мг-экв/г. Будучи введен в полировальные композиции, УДА специфически сорбирует ионы, образующиеся в качестве продуктов полирования тех или иных материалов, препятствуя их накоплению в растворе и возможному осаждению на обрабатываемую поверхность. Тем самым поддерживается постоянство состава жидкой среды, стабилизируется режим полирования и повышается технологичность и качество обработки поверхности.

Порошки УДА, не обладающих необходимой адсорбционной активностью (плотность адсорбционных центров менее 0,1 мкг-экв/м²). не обеспечивают высокой скорости полирования, а в сочетании с высокими концентрациями активных химических добавок не могут препятствовать появлению таких дефектов обработки, как ямки травления, ласины, выявление блочности образцов. Повышение адсорбционной способности УДА до 20 мкг-экв/м² в целом способствует повышению эффективности предлагаемого полировального состава, что является, на наш взгляд, проявлением специфического механизма полирующего действия УДА. Плотность адсорбционных центров 20 мкг-экв/м² является, по-видимому, предельной для кислотно-основных функций на поверхности УДА. Указанная характеристика определяется по стандартным методикам потенциометрического титрования порошков УДА в растворе фонового электролита.

Полировальный состав на основе УДА содержит 0,1-15% алмазов. В указанном интервале концентраций реализуются специфические структурообразующие свойства кластерных частиц УДА, благодаря которым в объеме полирующего слоя происходит эффективное рассеяние энергии локальных нагрузок, возникающих при сближении рабочих поверхностей полировальника и обрабатываемого материала. При этом, благодаря структурной разупорядоченности поверхностных слоев частиц УДА и отсутствию жестких режущих граней, алмаз не проявляет традиционных абразивных свойств, а выступает в качестве упругой и очень живучей частицы, регулирующей механо-химические процессы на субмолекулярном уровне. Частицы УДА не оказывают деформирующего воздействия на обрабатываемый материал, в результате последний сохраняет упорядоченную и ненапряженную структуру вплоть до граничных слоев. Это обеспечивает высокое качество поверхности, в частности значения ряда электрофизических свойств, приближаются к теоретическим. Уменьшение концентрации УДА ниже 0,1% значительно снижает скорость полирования и повышает вероятность появления дефектов, связанных с процессами химического травления поверхности. Превышение содержания УДА более 15% делает полировальный состав нетехнологичным как с точки зрения его приготовления, так и с точки зрения, применения, так как консистенция таких составов приближается к пастообразной. В пределах предлагаемой концентрации УДА существуют эмпирические зависимости между полирующими свойствами состава и содержанием алмазов. Можно предположить, что скорость полирования является функцией так называемой "частичной" концентрации алмазных частиц, которая в предлагаемом составе находится в пределах: 5·10¹⁵ 8·10¹⁹ см³, что превышает аналогичные расчетные данные для прототипа (10¹³ - 10¹⁶ см³) и аналогов. В ходе испытаний предлагаемого состава скорость полирования составляла в зависимости от прочих условий от 5-7 до 80-100 мкм/ч.

В качестве водно-органической основы для состава используют смеси деионизованной воды с одно- и многоатомными спиртами (глицерин, этиленгликоль), органическими аминами (моно- и диэтаноламин, водорастворимыми олиго- и полимерами (поливиниловый спирт). Соотношение воды и органического компонента обеспечивает активное состояние поверхности УДА диссоциацию поверхностных кислородсодержащих функциональных групп.

В качестве добавок электролитов используют кислоты (соляную, азотную, фосфорную, плавиковую), основания (гидроксиды натрия, калия, аммония), окислители (перекись водорода, перманганат калия) и др. В отличие от прототипа и аналогов, использующих такие же добавки, в предлагаемом составе концентрация добавки может достигать до 20% что способствует повышению производительности полирования. Это связано с адсорбционными и структурообразующими свойствами коллоидных частиц УДА.

Пример 1. Полировальный состав, содержащий 5% УДА в водно-глицериновой смеси (10: 1), используют для химико-механического полирования кремниевой пластины, предварительно обработанной по схеме: α-Al₂O₃_→M7__→ACM 3/2_→АСМ 2/0__→АСМ 1/0,5. Время полирования 40 мин, характеристики поверхности: среднеквадратичное отклонение высот неровностей σ 1,5 3,0 нм, отсутствие дефектов обработки.

Пример 2. Полировальный состав, содержащий 1% УДА в смеси вода:этиленгликоль (2:1), к которой добавлено 1,5% КОН, используют для полирования кремниевой пластины, предварительно обработанной, как в примере 1. Время полирования 35 мин, 1,2-2,4 нм, отсутствие дефектов обработки.

Другие примеры конкретного исполнения приведены в табл.2.

Состав прошел испытания при обработке полупроводниковых и оптических материалов в лабораторных и опытно-промышленных условиях, рекомендован для внедрения на БелОМО.

Формула изобретения

Полированный состав для химико-механического полирования, включающий ультрадисперсные колоидные частицы, диспергированные в водно-органической основе с добавками электролитов, отличающийся тем, что в качестве ультрадисперсных колоидных частиц он содержит ультрадисперсные частицы алмазов с размером микрокристаллитов 2 20 нм и плотностью поверхностных адсорбционно-активных центров кислотно-основной природы 1 20 мкмоль/м², а в качестве водно-органической основы смесь воды и многоатомного спирта, выбранного из группы этиленгликоль, глицерин и диэтиленгликоль, при следующем соотношении компонентов, мас.

Ультрадисперсные частицы алмазов с размером микрокристаллитов 2 20 нм и плотностью поверхностных адсорбционно-активных центров кислотно-основной природы 1 20 мкмоль/м² 0,1 15,0 Смесь воды и многоатомного спирта Остальное 2. Состав по п.1, отличающийся тем, что водно-органическая основа содержит добавки электролитов в количестве 0,1 20,0% от массы основы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2