ПОЛИРОВАЛЬНАЯ СУСПЕНЗИЯ И СПОСОБ ПОЛИРОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ
POLISHING SUSPENSION AND METHOD OF CERAMIC PART POLISHING

Область техники.
Данное изобретение, в общем, относится к полировальным суспензиям и способам полирования изделий или деталей и, в частности, к полировальным суспензиям, содержащим жидкую среду и абразивные частицы, и к способам их применения.
Предпосылки создания изобретения.
В различных областях промышленности часто применяется механическая обработка изделий или деталей, включая металлические и керамические детали, а также детали из композиционных материалов. В одной из развивающихся областей промышленности используется полирование полупроводниковых подложек способом, который известен как химико-механическое полирование (СМР) и согласно которому суспензия является как механически, так и химически активной, чтобы удалять осажденные материалы с полупроводниковых подложек. Другие области техники концентрируются на чисто механическом удалении при применении абразивных суспензий (известных также как свободные абразивы), содержащих частицы абразивного материала, такого как алмаз, а также первичные кристаллы керамических окисных и неокисных материалов.
Среди многих видов керамических и металлических деталей, которые подвергаются машинной обработке после их изготовления, особенную трудность представляют детали, полученные из твердых керамических материалов, таких как карбид кремния. Такие детали нашли промышленное применение в различных областях, включая структурные, кислотоупорные детали и детали, используемые в технологии изготовления полупроводников. Из-за ограничений, связанных с обычной керамической технологией, включающей естественные допуски на параметры процесса, керамические детали, такие как детали из карбида кремния, часто требуют последующей механической обработки, когда детали находятся в уплотненном виде, но требуют обработки поверхности. С учетом твердости типичных керамических деталей это обычно является трудоемким, дорогим и длительным процессом финишной механической обработки, которая часто включает полирование.
В свете сказанного выше многие отрасли промышленности нуждаются в полировальных суспензиях или свободных абразивах и в разработке методов, связанных с их применением, которые позволяют достичь высокой скорости удаления материала (MRR), а также тонкой обработки, такой как небольшая шероховатость поверхности и высокая степень плоскостности и параллельности поверхности. Такая необходимость является особенно острой в случае керамических деталей, особенно из твердой керамики, как указано выше.
Сущность изобретения.
В соответствии с одним аспектом изобретения предусмотрена полировальная суспензия, которая включает жидкую среду и частицы абразива, которые являются комбинацией мягких абразивных частиц, твердых абразивных частиц и коллоидных частиц двуокиси кремния. Мягкая абразивная частица может иметь твердость по Моосу не более 8, твердые абразивные частицы могут иметь твердость по Моосу не менее 8. Мягкие абразивные частицы обычно содержатся в большем количестве, чем твердые абразивные частицы, отношение мягких частиц к твердым абразивным частицам составляет, например, 2:1.
Согласно другому варианту полировальная суспензия содержит жидкую среду и частицы абразива, включая частицы окиси церия, алмазные частицы и коллоидные частицы двуокиси кремния. Частицы окиси церия составляют не менее 50 вес.% от частиц абразива.
Согласно другому варианту полировальная суспензия содержит жидкую среду и абразивные частицы, включающие мягкие абразивные частицы и коллоидные частицы двуокиси кремния. Частицы содержатся в количествах x вес.%, y вес.% и z вес.%, где x+z≥2y.
Согласно еще одному варианту полировальная суспензия содержит жидкую среду и абразивные частицы, включающие мягкие и твердые абразивные частицы и коллоидные частицы двуокиси кремния. Твердые абразивные частицы имеют твердость по Моосу больше, чем твердость мягких абразивных частиц и, по меньшей мере, один вид из мягких и твердых абразивных частиц имеет на поверхности положительный заряд, при этом происходит флоккуляция их с коллоидными частицами двуокиси кремния.
Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен способ полировки керамической детали, включающий помещение одной из полировальных суспензий, описанных выше, между керамической деталью и механическим станком и перемещение керамической детали и механического станка относительно друг друга для удаления материала с поверхности керамической детали.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1-4 иллюстрируют скорости полирования монокристалла SiC различными суспензиями.
Примеры осуществления изобретения.
В соответствии с одним вариантом изобретения предусмотрена полировальная суспензия, которая включает жидкую среду, в которой содержатся абразивные частицы. Частицы абразива имеют обычно структуру композита, включая несколько различных видов абразивных частиц. По одному из вариантов полировальная суспензия содержит жидкую среду и абразивные частицы, включающие мягкие абразивные частицы, твердые абразивные частицы и коллоидные частицы двуокиси кремния. Твердые абразивные частицы имеют твердость по Моосу больше, чем твердость мягких абразивных частиц. Например, твердость по Моосу твердых абразивных частиц может составлять не менее 8, например не менее 9, и в действительности, она может быть равна 10. В противоположность этому, мягкие абразивные частицы могут иметь твердость не более 8, например не более 7 или даже не более 6. Согласно одному конкретному варианту мягкие абразивные частицы, в основном, получены из окиси церия, в то время как твердые абразивные частицы, в основном, являются частицами алмаза. Другие твердые абразивные частицы включают карбид бора, карбид кремния и окись алюминия.
Варианты суспензии, содержащей окись церия в качестве материала мягких абразивных частиц, можно рассматривать как суспензию для СМР, которая является и механически, и химически активной. В этом случае окись церия может действовать как окислитель во время полирования, способствуя удалению материала.
Наиболее часто абразивные частицы включают заметно большее количество мягких абразивных частиц по сравнению с твердыми абразивными частицами, например, при весовом отношении мягкие : твердые частицы не менее 2:1, например не менее 5:1, 10:1 и даже 15:1. В действительности, некоторые варианты суспензий содержат большое количество мягких абразивных частиц, например, указанное выше весовое отношение бывает не менее 20:1.
Мягкие абразивные частицы могут содержаться как основной компонент абразивных частиц, составляя не менее 50 вес.% в расчете на абразивные частицы. По другим вариантам абразивные частицы содержат x вес.% мягких абразивных частиц, y вес.% твердых абразивных частиц и z вес.% коллоидных частиц двуокиси кремния, при этом x+z≥2y. Например, некоторые варианты могут содержать даже более высокие концентрации мягких абразивных частиц и коллоидных частиц двуокиси кремния по отношению к твердым абразивным частицам, что выражается уравнением x+z≥3y или даже 5y, 8y, 10y или даже ≥12y. В действительности некоторые суспензии могут иметь даже большую нагрузку мягких абразивных частиц и коллоидных частиц двуокиси кремния по сравнению с твердыми абразивными частицами, например, выраженную уравнением x+z≥15y или даже 20y.
Обращаясь к более конкретным параметрам, касающимся состава различных полировальных суспензий согласно различным вариантам изобретения, следует указать, что суспензия может содержать абразивные частицы, которые содержат 50-95 вес.% мягких абразивных частиц, 0,5-15 вес.% твердых абразивных частиц и 4,5-35 вес.% коллоидных частиц двуокиси кремния. По другому варианту они включают 70-95 вес.% мягких абразивных частиц, 0,5-15 вес.% твердых абразивных частиц и 4,5-29,5 вес.% коллоидных частиц двуокиси кремния. Согласно другому варианту частицы абразива включают 75-95 вес.% мягких абразивных частиц, 0,5-10 вес.% твердых абразивных частиц и 4,5-24,5 вес.% коллоидных частиц двуокиси кремния.
2
Рассматривая более конкретно различные частицы, которые составляют абразивные частицы, следует указать, что твердые абразивные частицы являются сравнительно мелкодисперсными со средним размером около 0,02-50 мкм, например 0,05-10 мкм и даже 0,05-1,0 мкм. Могут быть применены различные коммерчески доступные частицы алмаза, имеющие средние размеры в пределах, упомянутых выше. Что касается мягких абразивных частиц, то эти частицы могут иметь очень мелкодисперсную морфологию, имея размер в пределах около 3-800 нм, например в пределах около 10-300 нм или даже 10-200 им. Как отмечено выше, одним из видов мягких абразивных частиц, применяемых по изобретению, является СеО (окись церия). Что касается коллоидных частиц двуокиси кремния, то термин «коллоидные» применяется здесь для обозначения частиц материала, которые обычно диспергированы в жидкой среде и которые остаются диспергированными при отсутствии взаимодействия с другими видами частиц при броуновском движении. То есть как отдельный ингредиент для введения в суспензию с другими видами частиц коллоидная двуокись кремния обычно практически не склонна к агломерации и может быть, по существу, монодисперсной. Однако состояние дисперсии коллоидной двуокиси кремния может быть изменено в контексте применения дисперсии, описанной более подробно ниже. По одному из вариантов коллоидная двуокись кремния представляет собой образовавшиеся в растворе частицы, полученные золь- или золь - гелевым способом, предназначенным для получения частиц наноразмера. Коллоидная двуокись кремния обычно состоит из очень мелких частиц, обычно субмикронного размера, обычно даже они имеют средний размер в пределах около 3-200 нм, например в пределах около 10-100 нм или даже 10-75 им.
Обычно содержание твердых веществ или количество абразивных частиц в полировальной суспензии находится в пределах около 2-50 вес.%, например 2-35 вес.% или 5-25 вес.%. Указанные цифры представляют общее содержание твердых веществ в суспензии в расчете на общий вес суспензии, включающей и твердые частицы, и жидкие компоненты. Жидкая среда может быть водой (водная), органической жидкостью или комбинацией воды и органической жидкости. Типичные примеры жидкой среды включают деионизированную воду, глицерин и/или TEA.
Пример.
В одном примере получали суспензию следующего состава:
Коллоидная двуокись кремния
0,0177 вес.ч.
Глицерин
0,2474 вес.ч.
Вода
0,62277 вес.ч.
TEA
0,0032 вес.ч.
Окись церия
0,1100 вес.ч.
Алмаз
0,0045 вес.ч.
Общее содержание твердых частиц составляло около 0,1322 ч. или 13,22 вес.%, они состоят из 3,4 вес.% алмазных частиц, 83 вес.% частиц окиси церия и 13,4 вес.% коллоидных частиц двуокиси кремния. Частицы коллоидной двуокиси кремния имеют средний размер менее 100 нм, отдельные частицы имеют размер около 40 нм и около 50 нм. Частицы окиси церия имеют средний размер менее 200 нм, около 165 нм. Частицы алмаза имеют средний размер около 0,10 мкм.
Согласно еще одному аспекту данного изобретения предусмотрены способы механической обработки (в частности, полирования) керамической детали. Согласно одному способу полировальная суспензия помещается между керамической деталью для полирования и механическим станком, и керамическая деталь и механический станок перемещаются относительно друг друга для осуществления удаления материала с поверхности керамической детали. В этом случае механический станок может перемещаться относительно неподвижной керамической детали, керамическая деталь может перемещаться относительно механического станка или же и керамическая деталь, и механический станок могут перемещаться или передвигаться поступательно, во всех случаях оба компонента (керамическая деталь и механический станок) движутся относительно друг друга, даже если один из них является неподвижным. Полировальная суспензия, включающая жидкую среду и абразивные частицы, может быть любой из различных суспензий, упомянутых выше. Что касается самой операции полирования, то может быть применено любое из различных полирующих устройств, обычно доступных в этой области. Механическое устройство может быть выполнено, например, в виде полировальной прокладки, в виде множества полировальных прокладок или непрерывной ленты. Механическое устройство располагается напротив керамической детали, и между ними помещается полировальная суспензия. Механическое устройство может быть даже в виде фиксированного абразива, такого как наждачная бумага и абразив со связкой, хотя обычно механическое устройство само по себе не является абразивным компонентом, так как суспензии, описанные в данной заявке, имеют специально созданную структуру частиц композита, как уже подробно обсуждалось выше.
Изобретатели обнаружили, что в соответствии с различными вариантами данного изобретения, особенно включающими абразивные композиционные частицы, описанные выше, достигаются желательные характеристики, касающиеся скорости удаления материала и отделки поверхности. Различные варианты привели к достижению скорости удаления материала не менее примерно 0,5 мкм/ч, например не менее примерно 1,0 мкм/ч и даже не менее чем 1,25 мкм/ч. Действительно, проведенные испытания показали, что скорость удаления материала (MRR) составляет примерно 1,5 мкм/ч. Кроме того, была получена желательная степень отделки поверхности, когда среднеквадратичная шероховатость поверхности (rms) составляла не более 100 , например не более 50 , 20  и даже не более 10 . В действительности, шероховатость поверхности была равна примерно 4-5  (среднеквадратичная).
В противоположность этому были осуществлены сравнительные примеры, которые проводились с частицами, не содержащими все три вида абразивных частиц: мягких абразивных частиц (например, окиси церия), твердых абразивных частиц (например, алмазных) и частиц коллоидной двуокиси кремния. В каждом из этих сравнительных примеров скорости удаления материала были низкими. Например, было установлено, что суспензия, содержащая алмазные частицы и частицы коллоидной двуокиси кремния, и суспензия, содержащая окись церия и коллоидную двуокись кремния, характеризовались скоростью удаления материала на целый порядок ниже, чем в случае суспензии по изобретению, обычно это были величины порядка 0,2 мкм/ч при идентичных условиях обработки.
Не основываясь на какой-либо конкретной теории, полагают, что применяемая коллоидная двуокись кремния содержит на поверхности отрицательный заряд, вызывая за счет этого небольшую флоккуляцию вследствие взаимодействия с положительно заряженными мягкими абразивными частицами, такими как частицы окиси церия. Считается, что флоккуляция приводит к образованию агломератов мягких частиц, которые содержат распределенные в них (в небольшом количестве) твердые абразивные частицы (например, алмазные). Полагают, что алмазные частицы могут находиться на внешней поверхности агломератов, при этом агломераты объединяют свойства больших мягких частиц (уменьшается царапание) и твердых частиц (достигаются высокие значения MRR).
Описание флоккуляции с образованием агломератов, приведенное выше, заметно отличается от образования агрегатов твердых частиц, таких как агрегаты, описанные в патенте США №6081483. Здесь термин «агломерат» относится к массе слабо связанных частиц, где каждый из видов частиц в агломерате еще идентифицируется в отдельности, и эти частицы связаны друг с другом не прочно, в противоположность агрегатам, которые состоят из ковалентно связанных частиц, обычно получающихся при тепловой обработке и в которых компонент какого-либо вида может быть уже не в виде частиц (например, коллоидная двуокись кремния образует слой связующего, не содержащий отдельных частиц). Согласно вариантам данного изобретения коллоидная двуокись кремния обычно остается в виде частиц, хотя коллоидная двуокись кремния может агломерировать с частицами других видов в суспензии. Следует также отметить, что обычно варианты суспензий не содержат практически агрегатов, которые включают твердые частицы (например, алмаза), мягкие частицы (например, окиси церия) и коллоидные частицы двуокиси кремния.
Дополнительные примеры.
Получали различные суспензии 11-42 (см. фиг.1-4) и ими обрабатывали в идентичных условиях обработки деталь монокристалла карбида кремния, закрепленную на полировальном приспособлении Strasbaugh 6CA. Описание суспензий приведено в таблице.
Механизм: Strasbaugh 6CA
Суспензия
рН
Описание
Вес удаленного материала
11
12
Только окись церия
0,00020
12
12
Только двуокись кремния
0,00033
13
12
Окись церия / двуокись кремния
0,00070
14
12
CER/D/CS1
0,00617
15
12
D/CSI/50ct/L
0,00220
16
12
CER/D/CS1
0,00730
17
12
CER/CS1
0,00010
18
12
Al203/D/CS2
0,00123
41
9
pH9 CER-D CS1
0,00220
42
12
PH12 CER-D CS1
0,00637
31
12
CER/D/CSl/std
0,00730
32
12
CER/D/CSI/50ct/L
0,00840
33
12
CER/D/CSl/25ct/L
0,00643
34
12
CER/D/CSl/100ct/L
0,00325
35
12
CER/D/CSl/100ct/L
0,00627
21
12
CER/D/CS1/std
0,00730
22
12
CER/D/нет SiO<sub>2</sub>/25ct
0,00287
23
12
CER/D/нет GLYC/25ct
0,00833
24
12
CER/D/нет TEA/25 ct
0,00830
25
12
CER/D/CS2/25ct
0,00513
26
12
9240/D/CS2
0,00123
Выше в таблице CER означает окись церия, D - алмаз, CS1 - первая добавка на основе коллоидной двуокиси кремния (в виде суспензии) и CS2 - вторая добавка на основе коллоидной двуокиси кремния (также в виде суспензии).
На фиг.1 видно, что могут быть достигнуты значительные изменения скорости полирования (увеличение) при использовании комбинации коллоидной двуокиси кремния, твердого абразива (в этом случае алмаза) и положительно заряженных мягких абразивных частиц (в этом случае окиси церия). Скорости полирования при помощи трехкомпонентной системы были заметно выше скорости полирования суспензиями, содержащими только один или два компонента, а суспензия 18 свидетельствует, что отрицательно заряженный материал, такой как окись алюминия, не является особенно эффективным по сравнению с положительно заряженным материалом, таким как окись церия.
Фиг.2 показывает, что активный ингредиент в суспензиях, содержащих двуокись кремния CS1 и CS2, действительно представляет собой двуокись кремния. См., в особенности, суспензию 22, в которой не содержится двуокиси кремния.
Фиг.3 свидетельствует, что более высокие концентрации алмаза в суспензии были недостаточно эффективны.
Фиг.4 показывает, что более высокая величина рН приводит к повышению скоростей полирования, с заметно более высокой скоростью полирования при рН 12 по сравнению с этим показателем при рН 9.
Хотя подробно были описаны варианты данного изобретения, оно не ограничивается ими, так как, не выходя за рамки изобретения, можно осуществить различные модификации и изменения. Например, можно применять дополнительные или эквивалентные заместители и дополнительные или эквивалентные стадии в способах. Как таковые дальнейшие модификации и эквиваленты изобретения, описанного в данной заявке, специалисты в данной области могут применять на основании рутинных экспериментов, и все такие модификации и эквиваленты должны считаться охватываемыми данным изобретением, объем которого определен формулой изобретения.