一种α-纳米氧化铝蓝宝石抛光液的制备工艺及其制品和应用的制作方法

本发明涉及一种α-纳米氧化铝蓝宝石抛光液的制备工艺，属于化学机械抛光（cmp）领域。

背景技术：

1、蓝宝石是一种集优良光学性能、物理性能和化学性能于一身的独特晶体，是现代工业重要的基础材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体照明（led）、大规模集成电路soi和sos及超导纳米结构薄膜等理想的衬底材料；同时，蓝宝石强度高、硬度大、耐冲刷，其作为屏幕材料被广泛应用于智能设备、红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光窗口等领域。蓝宝石晶体的主要成分是氧化铝，属于中性化合物，即既能和含氢氧根的碱性物质反应，又能和含氢离子的酸性物质反应，蓝宝石是自然界硬度尽次于金刚石的物质，所以必须先让蓝宝石软化才能达到磨削的目的，目前业界普遍是用含碱性的抛光液，能达到更好的表面效果。

2、现代社会的信息化进程和高密度、高精细化半导体技术的进步密不可分。在晶圆、芯片、记录媒体等半导体材料和元器件的加工中，化学机械抛光(cmp)是一道重复使用，必不可少的工序。例如，随逻辑芯片制程的提高，单片晶圆的抛光次数从28nm工艺所需要的约400次提升至5nm工艺的超过1200次。cmp抛光液属于日常耗材，故随着精细化、多层结构的推进，cmp步骤以及抛光次数的增长， 对于cmp抛光液性能的需求也将大幅提升和显著增加。而cmp抛光液组成中具有高结晶性，高alpha相含量氧化铝纳米粒子占有很大比重，其特性左右了cmp抛光液的最终性能。

3、由于蓝宝石晶体的高硬度，高化学稳定性，导致蓝宝石的高效低损伤加工技术成为阻碍蓝宝石广泛应用的主要障碍。目前，单体在100kg以上大小的蓝宝石晶体的生长技术趋于成熟，为了获得可以作为蓝光led芯片的衬底片，或作为其他应用的蓝宝石窗口片，蓝宝石晶体在经过掏棒，切割，研磨过程后，需要进行精密抛光以获得最终的表面粗糙度。目前只有化学机械抛光技术（chemical mechanical polishing,cmp)可以在较低成本下获得较低的表面粗糙度以及较高的材料去除速率。

4、抛光液当前的全球主流供应商为：美国 cabot、日本 fujimi、日本hinomotokenmazai、美国杜邦（陶氏）、等公司，占据全球约 80%的市场份额。而国内晶圆厂需求除了安集科技以外，主要依赖进口。向高端制程的晶圆抛光应用上，即要达成接近原子水平的表面平坦性，又不能有划痕。显而易见对抛光液中的主要成分α-纳米氧化铝的小粒径(含粒径分布)，单分散性，形貌等都有了更苛刻的要求。以目前的文献报道，许多氧化物纳米粒子都可以得到单分散状态，唯独α-纳米氧化铝难以制备单分散纳米粒子。

5、al2o3有许多过渡型相，而α-al2o3是最稳定、硬度和密度也最高的结晶结构。alpha相通常经过由其它过渡相在1200-1400°c的高温处理的相变化获得。在这样的高温条件下，烧结过程也快速进行，α-纳米氧化铝一旦形成就立即长大，通常很难控制在一次粒径在100nm以下，且容易伴随粒子间的相互团聚，产生烧结颈，形成树枝状的顽固团聚结构。而超过100nm的大颗粒，顽固的团聚，不规则的形貌显然不符合高端cmp用抛光液中对α-纳米氧化铝纳米粒子的要求。

技术实现思路

1、本发明的技术目的是提供一种α-纳米氧化铝蓝宝石抛光液的制备方法。

2、本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种α-纳米氧化铝蓝宝石抛光液的制备方法，其方法包括以下步骤：α-纳米氧化铝（α-al2o3）前驱体溶液的制备、喷雾干燥工艺制备前驱体、低温烧结获得α-纳米氧化铝粉体、抛光液的制备.

4、作为优选，步骤（1）α-纳米氧化铝前驱体溶液的制备

5、准备粒径在100-300nm的α-纳米氧化铝晶种和γ-alooh，将两种粉料混合，以去离子水为介质，mgo为添加剂，用氧化锆研磨球、粉料、水球磨，过筛得到前驱体溶液；

6、步骤（2）喷雾干燥工艺制备前驱体；

7、步骤（3）低温烧结获得α-纳米氧化铝粉体；

8、步骤（4）调整ph和二次颗粒的大小；

9、步骤（5）抛光液的制备

10、作为优选，步骤（1）α-纳米氧化铝前驱体溶液的制备

11、采用改良后的方法合成前驱体溶液：100-300nm的alpha-氧化铝通过晶种法、溶胶凝胶法制得，并使用球磨法，以γ-alooh作为α-纳米氧化铝粉体的前驱体制备本发明的前驱体溶液，其中α-纳米氧化铝晶种的质量份数为0.3-1份，γ-alooh的质量份数为12-18份，mgo的质量份数为0.5-1份，去离子水质量份数为20-50份，氧化锆研磨球质量份数为45-65份，球磨后过筛网滤去氧化锆研磨球，得到γ-alooh和α-纳米氧化铝前驱体溶液。

12、本发明先通过晶种法降低前驱体氧化铝晶种的粒径，再与γ-alooh球磨后喷雾干燥得到前驱体粉体，950℃低温转相后制备抛光液，得到平均粒度小、粒度分布窄的成品α-al2o3，并考察了不同粒径α-al2o3原料对产品粒径大小、α相含量和抛光效果的影响。

13、采用本发明，优点在于由晶种法、溶胶凝胶法制得的前驱体α-纳米氧化铝的粒径更小，在后续与γ-alooh作为前驱体制备前驱体溶液产物粒径也会更细，有效降低转相温度；采用γ-alooh作为另一前驱体合成材料的优点在于γ相的铝离子在氧离子立方晶格中的有序度比θ相中有所提高，这种转变过程只需要相当少的能量，在相对低的温度下就可以完成，可实现低温转相；球磨法进一步减小前驱体粒径。

14、作为优选，步骤（2）喷雾干燥工艺制备前驱体

15、步骤（1）中得到的前驱体溶液，在进风温度50-60℃、出风温度90-110℃的条件下送入喷雾干燥塔，液滴吸热蒸发出部分液体，体系因失去溶剂达到过饱和状态开始析出固体，继续吸热，溶剂继续蒸发，外壳开始形成，这时的液滴离开雾化器来到腔体中部或底部，出风温度继续提供热源，溶剂继续蒸发直至产品颗粒外壳完全形成，得到前驱体粉体。

16、采用本发明，优点在于喷雾干燥是一种高处理量的工艺，因为与其他干燥技术相比，其干燥速度非常快。喷雾干燥具有两大优点：减轻重量，减小体积。只需一步即可将液体产品转化为干粉，该方法在成本、等比扩大和工艺简化方面独具优势；喷雾干燥工艺温和，可以处理多种化合物；喷雾干燥可以有效控制产品性能和质量，并且很容易地生产出球形和相对均匀的颗粒；与冷冻干燥等其他干燥技术相比，喷雾干燥过程更短、更经济，即提高了生产效率和降低了制作成本。

17、作为优选，步骤（3）低温烧结获得α-纳米氧化铝粉体

18、步骤（2）制得的前驱体粉体放入马弗炉在950°cx2hr条件下进行煅烧，煅烧温度分三个阶段：第一阶段从室温25℃升温至400℃，升温速率5℃每分钟，保温0min；第二阶段从400℃升温至600℃，升温速率1℃每分钟，保温0min；第三阶段从600℃升温至950℃，升温速率3℃每分钟，保温2h，得到成品α-纳米氧化铝粉体。

19、采用本发明，优点在于是以适合低温转相生成alpha相al2o3纳米粒子为特征的非晶型纳米al2o3前驱体的制备。由于cmp抛光液在半导体加工中属消耗材料，适用alpha-al2o3纳米粒子的需求量也越来越大，低成本大量合成纳米氧化铝的工艺具有非常重要的现实意义。

20、作为优选，步骤（4）调整ph和二次颗粒的大小

21、步骤（3）得到的α-纳米氧化铝粉料声分散均匀后与锆石一起放入研磨钵体中研磨2-6小时，转速4000rpm，将研磨完成后滤去锆石的溶液放入离心机离心，离心完成放入烘箱中烘干，得到粒径更小的二次颗粒。

22、采用本发明，优点在于对煅烧制得的α-纳米氧化铝粉料进行ph调整与二次处理，能改善α-纳米氧化铝粉料在烧结过程中出现的团聚现象，使得到α-纳米氧化铝粉料的颗粒更细且分散更均匀。

23、采用本发明，优点在于可获得在水中稳定独立分散，平均粒径d50<100nm, d99<180nm的纯alpha-al2o3（α相含量>99%）纳米粒子。

24、作为优选，步骤（5）抛光液的制备

25、步骤（4）制得的α-纳米氧化铝粉料与表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵ctab、碱性调节剂绿色有机碱氨基丙醇amp、铝离子络合剂乙二胺四乙酸二钾edta-2k和酒石酸钾钠、触变剂均匀分散到去离子水中，最后得到α-纳米氧化铝蓝宝石抛光液。

26、采用本发明，优点在于表面活性剂ctab由于静电引力而表现出磨料颗粒在一定范围内，浆料的表面张力与蓝宝石mrr成正比，添加ctab的抛光液抛光效果优秀，几乎是不含表面活性剂浆料的两倍。

27、采用本发明，优点在于当抛光液ph为11时，绿色有机碱氨基丙醇(amp)的抛光效果更好，amp可以取代蓝宝石uv-cmp中的koh作为绿色碱性ph调节剂可以增强抛光液的抛光效果。

28、采用本发明，优点在于铝离子络合剂乙二胺四乙酸二钾edta-2k与铝离子反应生成可溶性al-edta络合物，促进al表面的腐蚀速率，从而提高al的去除率，有效解决了抛光完成后蓝宝石表面的杂质问题。

29、综上所述，本发明具有以下有益效果：

30、1、使用100-300nm的α-al2o3和γ-alooh制备前驱体溶液，达到低温转、相合成小粒径的产物的目的；

31、2、采用喷雾干燥工艺，提高了生产效率和降低了生产成本；

32、3、低温转相减少能量损耗，节约生产成本；

33、4、二次颗粒和ph值等的后续处理进一步使产物具有高结晶性，高alpha相含量，粒径分布狭窄，类球形，减少α相的团聚现象即尽可能独立分散的特性。