专利名称：硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种化学机械抛光加工过程中使用的抛光液，尤其是一种用于化学机 械抛光的无磨料抛光液，具体地说是一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液。
背景技术：
化学机械抛光技术广泛应用于半导体、晶体、陶瓷、玻璃、金属等材料的精密超精 密加工，是目前能够实现局部和全局平坦化的唯一实用技术。然而传统化学机械抛光的抛 光液含有硬质磨粒，抛光过程中，抛光液中的硬质颗粒容易划伤、嵌入或吸附在被加工材料 表面形成加工缺陷，有凹坑、划痕、微裂纹、颗粒嵌入或吸附等表面损伤。为了避免颗粒损伤 被加工材料表面，无磨料化学机械抛光技术应运而生，其区别于传统化学机械抛光的是抛 光液，无磨料化学机械抛光采用的抛光液不含硬质磨料只有化学作用，其中包括氧化剂、 表面活性剂、腐蚀剂和腐蚀抑制剂等而没有磨料。正由于其没有磨料，所以不会产生划痕等 表面损伤。同时，其加工成本低，设备和工件清洗简单，对环境要求低。因此，目前无磨料抛 光液受到了极大地关注。中国专利100335581公开了一种硫系相变材料化学机械抛光的无磨料抛光液。该 抛光液包含氧化剂，螯合剂，PH调节剂，抗蚀剂，表面活性剂，消泡剂，杀菌剂，溶剂组成。此 发明针对硫系化合物GeSbTe薄膜材料的化学机械抛光，对于硬脆材料，难以加工去除率 小，无法获得超光滑表面。中国专利101481586公开了一种用于软脆易潮解晶体的非水基 无磨料抛光液。此抛光液由油相溶液、去离子水和表面活性剂组成。此抛光液针对软脆材 料，且不含腐蚀剂，腐蚀抑制剂，所以，对于硬脆材料，去除率小，无法获得超光滑的表面。美 国专利7435356公开了无磨料抛光液的构成及其相关理论方法。该抛光液包含氧化剂，抑 制剂，有机溶剂组成。此发明针对有色金属材料，而对于硬脆材料，难以加工去除率小，无法 获得超光滑表面。美国专利6800218和20070147551分别公开了无磨料抛光液，均是针对 化学机械抛光铜及其相关材料。以上公布的无磨料抛光液都是针对某一种或某几种特定的 材料，对于硬脆难加工材料，其去除率低或没有去除，更难获得超光滑表面。
发明内容
本发明目的是针对现有的硬脆材料化学机械抛光液由于添加有磨料，因此在化学 机械抛光过程中会对抛光表面产生划痕并且抛光后不易清洗，同时现有的抛光液功能单 一，通用性差，需针对不同的被加工材料专门配制相应的抛光液等缺陷和不足，提供一种通 用性好，不会对被加工表面产生划痕，易于清洗，成本低的硬脆材料化学机械抛光用无磨料 抛光液。本发明的技术方案是
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，其特征在于它是由腐蚀剂，腐蚀抑制剂， 表面活性剂，PH调节剂以及作为溶剂的去离子水混合组成，其质量百分比分别为 腐蚀剂0. 5%-40% ；腐蚀抑制剂ο. 5%-20% ；
表面活性剂0. 5%-15% ；
PH 调节剂0. 1%-10% ；
去离子水30%-95%。上述所说的腐蚀剂可为氢氟酸，磷酸，磷酸盐和焦磷酸盐的混合液，也可以是 草酸，浓硫酸，硝酸，盐酸，醋酸中一种或多种的混合液。上述所说的腐蚀抑制剂可以是氯化铵，氟化铵，溴化铵中的一种或几种的组合。上述所说的表面活性剂可为聚氧乙烯烷基酚，脂肪酸聚氧乙烯脂，聚氧乙烯脂肪酸脂，聚氧乙烯酰胺，聚氧乙烯胺，烷基酚聚氧乙烯醚，高碳脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或 几种组合。上述所说的PH调节剂可以是氢氧化钾，氢氧化钠，氨水，羟基胺，四甲基氢氧化 铵，三乙醇胺，乙醇钠、乙酸钠中的一种或几种的组合。
本发明的有益效果是
本发明的无磨料抛光液由于包含至少一种腐蚀剂，而腐蚀剂与硬脆材料表面会发生化 学反应，在材料表面生成反应物或使表面材料溶解，反应物在抛光垫的作用下很容易被去 除而不损伤基体表面。针对硬脆材料，选用的抛光剂为氢氟酸，磷酸，磷酸盐和焦磷酸盐的 混合液，草酸，浓硫酸，硝酸，盐酸，醋酸中一种或多种的混合液。本发明涉及的无磨料抛光液由于包含至少一种腐蚀抑制剂，而腐蚀抑制剂有一种 抗腐蚀的作用，无磨料抛光过程中抑制或平衡腐蚀速率，有助于超光滑表面的形成。所述的 腐蚀抑制剂可选用氯化铵，氟化铵，溴化铵中的一种或几种组合。本发明涉及的无磨料抛光液由于包含至少一种表面活性剂，而表面活性剂具有固 定的亲水基团，能使表面张力显著下降，能够使抛光液均勻的分布在抛光材料表面。表面活 性剂具有较强的渗透作用，能够加快抛光液与脆性材料之间的质量交换，从而提高去除速 率，而且表面活性剂渗透在被抛光材料表面和被腐蚀掉的材料之间，避免了加工表面的污 染。所述表面活性剂包括聚氧乙烯烷基酚，脂肪酸聚氧乙烯脂，聚氧乙烯脂肪酸脂，聚氧乙 烯酰胺，聚氧乙烯胺，烷基酚聚氧乙烯醚，高碳脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种组合。本发明涉及的无磨料抛光液由于包含至少一种PH调节剂，而PH调节剂可以调节 抛光液的PH值，使抛光液的PH稳定，使腐蚀剂腐蚀更加稳定，有助于得到较高的表面质量， 同时，通过调节PH值，可以尽量减少酸性环境对抛光设备的腐蚀。所述的PH调节剂包括 氢氧化钾，氢氧化钠，氨水，羟基胺，四甲基氢氧化铵，三乙醇胺，乙醇钠、乙酸钠中的一种或 几种组合。本发明由于采用去离子水作为溶剂，使添加的各组分容易均勻混合，抛光过程起 润滑和帮助排泄抛光残渣的作用。本发明的无磨料抛光液可广泛应用于半导体、玻璃、光学晶体、陶瓷等硬脆材料的 化学机械抛光加工，加工后的表面损伤小、表面质量高。将本发明的抛光液用于化学机械抛光时，与传统的游离磨料化学机械抛光相比， 加工过程是抛光液与被抛光材料表面发生化学反应，通过与抛光垫的机械作用实现材料去 除，加工中无磨料颗粒参与，不产生划痕、麻点等损伤，无亚表面损伤。而传统游离磨料化学机械抛光是通过磨料颗粒和抛光垫的机械磨削实现材料去除，容易产生颗粒吸附、凹陷、腐蚀和微观划痕等表面损伤。所以，采用本发明的无磨料抛光液加工有利于提高表面质量。另 外采用本发明的无磨料抛光液，抛光过程中对抛光材料具有选择性，不需要复杂的CMP后 清洗技术、只需简单刷洗，无颗粒参与对环境要求低、环保，不需要磨料供给系统、超清洁环 境和CMP后清洗系统等，降低了加工成本、提高了加工效率。
具体实施例方式以下通过实施例对本发明的实质性特点以及相对于传统游离磨料抛光液的优势 作进一步的说明。实施例1
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，它由氢氟酸(腐蚀剂，具体实施时还可 用磷酸、磷酸盐和焦磷酸盐的混合液或草酸、浓硫酸、硝酸、盐酸和醋酸中的一种或多种的 混合液代替)6kg，氟化铵(腐蚀抑制剂，具体实施时还可用氯化铵和/或溴化铵代替)3kg， 烷基酚聚氧乙烯醚(表面活性剂，具体实施时也可用聚氧乙烯烷基酚、脂肪酸聚氧乙烯脂、 聚氧乙烯脂肪酸脂、聚氧乙烯酰胺、聚氧乙烯胺和高碳脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种 的组合来代替)1. 5kg，四甲基氢氧化铵(PH值调节剂，具体实施时也可用氢氧化钾、氢氧化 钠、氨水、羟基胺、三乙醇胺、乙醇钠和乙酸钠中的一种或几种的组合来代替)Ikg和去离子 水(溶剂)88. 5kg混合组成，将上述组份置于容器中充分搅拌即可使用(下同)，上述无磨料 抛光液与氧化铈游离磨料抛光液在相同加工条件下，分别化学机械抛光抛光K9玻璃。氧 化铈游离磨料抛光液加工K9玻璃的材料去除率为0. lSym/min，表面粗糙度为1. 56nm, 表面损伤严重；而无磨料抛光液加工K9玻璃的材料去除率为0. 23 μ m/min,表面粗糙度为 0. 91nm，表面损伤小。表面质量和加工效率均优于游离磨料抛光。 实施例2
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，它由磷酸三钾(腐蚀剂具体实施时还可 用氢氟酸、草酸、浓硫酸、硝酸、盐酸和醋酸中的一种或多种的混合液代替)2kg，焦磷酸钾 (腐蚀剂)10kg，氯化铵(腐蚀抑制剂，具体实施时还可用氟化铵和/或溴化铵代替)0. 5kg, 烷基酚聚氧乙烯醚(表面活性剂，具体实施时也可用聚氧乙烯烷基酚、脂肪酸聚氧乙烯脂、 聚氧乙烯脂肪酸脂、聚氧乙烯酰胺、聚氧乙烯胺和高碳脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种 的组合来代替)1. 5kg，氢氧化钾(PH值调节剂，具体实施时也可用氢氧化钠、氨水、羟基胺、 四甲基氢氧化铵、三乙醇胺、乙醇钠和乙酸钠中的一种或几种的组合来代替)2. 5kg，去离子 水83. 5kg混合组成。上述无磨料抛光液与金刚石游离磨料抛光液在相同加工条件下，分别 化学机械抛光抛光硅片。金刚石游离磨料抛光液加工硅片的材料去除率为2. 3ym/min，表 面粗糙度为12nm，表面划伤大、凹坑多、损伤严重，；而无磨料抛光液加工硅片的材料去除率 为0. 15 μ m/min，表面粗糙度为1. 61nm，表面基本无划伤、凹坑、损伤小。表面质量优于游离 磨料抛光，清洗容易。 实施例3
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，它由盐酸(腐蚀剂，具体实施时还可用 氢氟酸、磷酸、磷酸盐和焦磷酸盐的混合液或草酸、硝酸和醋酸中的一种或多种的混合液代 替)6kg，浓硝酸(腐蚀剂)4kg，聚氧乙烯烷基酚(表面活性剂，具体实施时也可用脂肪酸聚氧乙烯脂、聚氧乙烯脂肪酸脂、聚氧乙烯酰胺、聚氧乙烯胺、烷基酚聚氧乙烯醚和高碳脂肪醇 聚氧乙烯醚中的一种或几种的组合来代替)3. 5kg，氯化铵(腐蚀抑制剂，具体实施时还可用 氟化铵和/或溴化铵代替)1. 5kg，四甲基氢氧化铵(PH值调节剂，具体实施时也可用氢氧 化钾、氢氧化钠、氨水、羟基胺、三乙醇胺、乙醇钠和乙酸钠中的一种或几种的组合来代替) lkg，去离子水84kg混合组成。上述无磨料抛光液与金刚石游离磨料抛光液在相同加工条 件下，分别化学机械抛光抛光微晶玻璃。金刚石游离磨料抛光液加工微晶玻璃的材料去除 率为1. 4μ m/min，表面粗糙度为3. 5nm，表面划伤大、凹坑多、损伤严重；而无磨料抛光液加 工硅片的材料去除率为1.53 μ m/min，表面粗糙度为1. 89nm，表面基本无划伤、凹坑、损伤 小。表面质量和加工效率均优于游离磨料抛光，清洗容易。 实施例4
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，它由氢氟酸(腐蚀剂，具体实施时还 可用磷酸、磷酸盐和焦磷酸盐的混合液或草酸、浓硫酸、硝酸、盐酸和醋酸中的一种或多种 的混合液代替)40kg，氟化铵(腐蚀抑制剂，具体实施时还可用氯化铵和/或溴 化铵代替) 20kg，烷基酚聚氧乙烯醚(表面活性剂，具体实施时也可用聚氧乙烯烷基酚、脂肪酸聚氧乙 烯脂、聚氧乙烯脂肪酸脂、聚氧乙烯酰胺、聚氧乙烯胺和高碳脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或 几种的组合来代替)10kg，四甲基氢氧化铵(PH值调节剂，具体实施时也可用氢氧化钾、氢 氧化钠、氨水、羟基胺、三乙醇胺、乙醇钠和乙酸钠中的一种或几种的组合来代替)5kg和去 离子水(溶剂)25kg混合组成，上述无磨料抛光液与氧化铈游离磨料抛光液在相同加工条件 下，分别化学机械抛光抛光K9玻璃。氧化铈游离磨料抛光液加工K9玻璃的材料去除率为 0. 18 μ m/min,表面粗糙度为1. 56nm,表面损伤严重；而无磨料抛光液加工K9玻璃的材料去 除率为1. 30 μ m/min，表面粗糙度为0. 81nm，表面损伤小。表面质量和加工效率均优于游离 磨料抛光。 实施例5
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，它由磷酸三钾(腐蚀剂具体实施时还可 用氢氟酸、草酸、浓硫酸、硝酸、盐酸和醋酸中的一种或多种的混合液代替)10kg，焦磷酸钾 (腐蚀剂)10kg，氯化铵(腐蚀抑制剂，具体实施时还可用氟化铵和/或溴化铵代替)IOkg, 烷基酚聚氧乙烯醚(表面活性剂，具体实施时也可用聚氧乙烯烷基酚、脂肪酸聚氧乙烯脂、 聚氧乙烯脂肪酸脂、聚氧乙烯酰胺、聚氧乙烯胺和高碳脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种 的组合来代替)10kg，氢氧化钾(PH值调节剂，具体实施时也可用氢氧化钠、氨水、羟基胺、 四甲基氢氧化铵、三乙醇胺、乙醇钠和乙酸钠中的一种或几种的组合来代替)10kg，去离子 水50kg混合组成。上述无磨料抛光液与金刚石游离磨料抛光液在相同加工条件下，分别化 学机械抛光抛光硅片。金刚石游离磨料抛光液加工硅片的材料去除率为2. 3ym/min，表面 粗糙度为12nm，表面划伤大、凹坑多、损伤严重，；而无磨料抛光液加工硅片的材料去除率为 0. 18 μ m/min，表面粗糙度为1. 31nm，表面基本无划伤、凹坑、损伤小。表面质量优于游离磨 料抛光，清洗容易。 实施例6
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，它由盐酸(腐蚀剂，具体实施时还可用 氢氟酸、磷酸、磷酸盐和焦磷酸盐的混合液或草酸、硝酸和醋酸中的一种或多种的混合液代 替)0. 5kg，浓硝酸(腐蚀剂)0. 5kg，聚氧乙烯烷基酚(表面活性剂，具体实施时也可用脂肪酸聚氧乙烯脂、聚氧乙烯脂肪酸脂、聚氧乙烯酰胺、聚氧乙烯胺、烷基酚聚氧乙烯醚和高碳脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种的组合来代替)15kg，氯化铵(腐蚀抑制剂，具体实施时还 可用氟化铵和/或溴化铵代替)0. 5kg，四甲基氢氧化铵(PH值调节剂，具体实施时也可用 氢氧化钾、氢氧化钠、氨水、羟基胺、三乙醇胺、乙醇钠和乙酸钠中的一种或几种的组合来代 替)0. Ikg,去离子水83. 4kg混合组成。上述无磨料抛光液与金刚石游离磨料抛光液在相 同加工条件下，分别化学机械抛光抛光微晶玻璃。金刚石游离磨料抛光液加工微晶玻璃的 材料去除率为1. 4μ m/min，表面粗糙度为3. 5nm，表面划伤大、凹坑多、损伤严重；而无磨料 抛光液加工硅片的材料去除率为1.63 μ m/min，表面粗糙度为1. 09nm，表面基本无划伤、凹 坑、损伤小。表面质量和加工效率均优于游离磨料抛光，清洗容易。
实施例7
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，它由盐酸(腐蚀剂，具体实施时还可用 氢氟酸、磷酸、磷酸盐和焦磷酸盐的混合液或草酸、硝酸和醋酸中的一种或多种的混合液代 替)1. 5kg，浓硝酸(腐蚀剂)2. 5kg，聚氧乙烯烷基酚(表面活性剂，具体实施时也可用脂肪酸 聚氧乙烯脂、聚氧乙烯脂肪酸脂、聚氧乙烯酰胺、聚氧乙烯胺、烷基酚聚氧乙烯醚和高碳脂 肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种的组合来代替)5kg，氯化铵(腐蚀抑制剂，具体实施时还可 用氟化铵和/或溴化铵代替)0. 5kg，四甲基氢氧化铵(PH值调节剂，具体实施时也可用氢氧 化钾、氢氧化钠、氨水、羟基胺、三乙醇胺、乙醇钠和乙酸钠中的一种或几种的组合来代替) 15kg，去离子水75. 5kg混合组成。上述无磨料抛光液与金刚石游离磨料抛光液在相同加工 条件下，分别化学机械抛光抛光微晶玻璃。金刚石游离磨料抛光液加工微晶玻璃的材料去 除率为1. 4 μ m/min，表面粗糙度为3. 5nm，表面划伤大、凹坑多、损伤严重；而无磨料抛光液 加工硅片的材料去除率为1.48 μ m/min，表面粗糙度为1. 29nm，表面基本无划伤、凹坑、损 伤小。表面质量和加工效率均优于游离磨料抛光，清洗容易。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，其特征在于它是由腐蚀剂，腐蚀抑制剂，表面活性剂，PH调节剂以及去离子水混合组成，其质量百分比分别为腐蚀剂 0.5%-40%；腐蚀抑制剂 0.5%-20%；表面活性剂 0.5%-15%；PH调节剂 0.1%-10%；去离子水 30%-95%。
2.根据权利要求1所说的无磨料抛光液，其特征在于所说的腐蚀剂为氢氟酸、磷酸、磷 酸盐和焦磷酸盐的混合液或草酸、浓硫酸、硝酸、盐酸和醋酸中的一种或多种的混合液。
3.根据权利要求1所说的无磨料抛光液，其特征在于所说的腐蚀抑制剂为氯化铵、氟 化铵和溴化铵中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所说的无磨料抛光液，其特征在于所说的表面活性剂为聚氧乙烯烷 基酚、脂肪酸聚氧乙烯脂、聚氧乙烯脂肪酸脂、聚氧乙烯酰胺、聚氧乙烯胺、烷基酚聚氧乙烯 醚和高碳脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所说的无磨料抛光液，其特征在于所说的PH调节剂包括氢氧化 钾、氢氧化钠、氨水、羟基胺、四甲基氢氧化铵、三乙醇胺、乙醇钠和乙酸钠中的一种或几种 的组合。
全文摘要
一种硬脆材料化学机械抛光用无磨料抛光液，其特征在于它是由腐蚀剂0.5%-40%，腐蚀抑制剂0.5%-20%，表面活性剂0.5%-15%，pH调节剂0.1%-10%以及去离子水组成。无磨料抛光液不含任何磨料，对被抛光材料表面损伤小，可以获得无损伤超光滑表面，而且不会产生沉淀，能够长时间的保存和使用。其次，无磨料抛光液稳定性好，不易挥发，流动性好，易清洗，对设备腐蚀小。本发明是专门针对硬脆材料化学机械抛光而制备的一种无磨料抛光液，不但兼具无磨料抛光液的优点，还针对硬脆材料有较大的去除率，能得到更高的表面质量，并且成本低，方法简便易行。
文档编号C09G1/04GK101864247SQ20101023130
公开日2010年10月20日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者周睿洋, 左敦稳, 张彦, 朱永伟, 李军, 杨涛, 王军, 蒋毕亮, 高平 申请人:南京航空航天大学