用碱性抛光液化学机械抛光304不锈钢片研究

用碱性抛光液化学机械抛光304不锈钢片研究
陈佳鹏;陈绍坤;李庆;秦洪权;苏建修
【摘要】To improve the effect of chemical mechanical polishing(CMP),the influence of oxidant and pH value on the material removal rate (MRR) and surface roughness has been studied.The results show that different oxidants obtain maximum MRRs at different optimal pH values,namely 181 nm∕min for hydrogen peroxide at pH = 9,177 nm∕min for chromic oxide at pH = 1 1,172 nm∕min for sodium dichromate at pH = 1 1,and 147 nm∕min for sodium hypochlorite oxidant at pH =1 1.It is also shown that the type of oxidant,the content of oxidant and the pH value in CMP slurry have little influence on the surface roughness of stainless steel in CMP 304 stainless steel.Due to high MRR, hydrogen peroxide and chromic oxide can be used as oxidants of alkaline slurry for polishing 304 stainless steel.%为提高化学机械抛光的加工效果,我们研究了 pH 值、氧化剂种类和氧化剂含量对材料去除率和表面粗糙度的影响。

结果表明：不同氧化剂的抛光液在各自的最佳 pH 值时达到最大的材料去除率,分别为181 nm/min(H 2 O 2抛光液,pH=9),177 nm/min(Cr2 O 3抛光液,pH=11),172 nm/min(Na2 Cr2 O 7抛光液,pH=11)和147
nm/min(NaClO 抛光液,pH=13)；抛光液中氧化剂含量、pH 值对抛光后不锈钢的表面粗糙度影响较小。

其中,材料去除率较高的H 2 O 2和Cr2 O 3可作为304不锈钢化学机械抛光碱性抛光液的氧化剂。

【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》
【年(卷),期】2016(036)002
【总页数】5页(P6-9,23)
【关键词】304 不锈钢;碱性抛光液;pH 值;氧化剂;化学机械抛光;材料去除率
【作者】陈佳鹏;陈绍坤;李庆;秦洪权;苏建修
【作者单位】河南科技学院机电学院，河南新乡 453003;驻马店技师学院机械工程系，河南驻马店 463000;河南科技学院机电学院，河南新乡 453003;河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454000;河南科技学院机电学院，河南新
乡 453003
【正文语种】中文
【中图分类】TG732;TH162;TN27
随着科学技术的进步，柔性显示正逐渐取代平板显示，成为下一代显示技术的研究热点。

柔性显示器以柔性材料为衬底，对衬底的表面质量及性能要求非常严格：表面粗糙度值小于5 nm，波纹度小于0.1 μm，热稳定性高，轻质超薄，高强度、
高柔性和高韧性等。

高效地获得高质量、高精密的大尺寸柔性显示衬底，满足现在和未来柔性显示器的要求，是柔性显示产业的当务之急[1]。

国内外众多学者对不锈钢表面的抛光技术进行了大量的深入研究。

其中，化学机械抛光(CMP)技术被认为是能兼顾表面粗糙度和表面平整度的最好的工艺方法，已成为实现硬脆性晶体材料表面超光滑无损伤加工的最实用技术之一，并已广泛应用于超大规模集成电路、半导体照明等领域[2]。

化学机械抛光技术完全能用于大尺寸
超薄不锈钢柔性显示衬底表面的高效超精密加工中，获得超光滑无损伤的加工表面。

化学机械抛光系统由抛光液、抛光机、工件等3个要素组成，过程复杂，影响因
素很多。

其中，抛光液是化学机械抛光的重要组成部分，它的成本占化学机械抛光
总成本的60%～70%，它的质量决定了化学机械抛光的效率和质量。

所以，研究
环保高效的不锈钢化学机械抛光液是当务之急。

为了研制环保高效的不锈钢化学机械抛光液，我们在不同氧化剂种类、含量和pH 值的条件下，进行了一系列化学机械抛光实验。

1 实验条件与方法
取φ60 mm、厚1 mm的304不锈钢片若干，通过研磨及抛光工序，使其表面粗糙度值Ra达到4～7 nm。

化学机械抛光实验在1000级的超净室中进行，温度控制在22 ℃，实验用水为18.24 MΩ的去离子水，用德国Sartorius CP225D型精密电子天平(精度0.0l mg)检测抛光前、后的304不锈钢片质量，计算材料去除率，用台湾产SWIM-1510MS纳米扫描白光干涉显微仪(分辨率为0.1 nm)测量抛光后不锈钢片表面的粗糙度值和表面形貌，用莱卡金相显微镜(分辨率1 nm)观察抛光
后的样品表面情况。

实验在国产ZYP300型抛光机上进行，将样品粘在不锈钢载
物盘上，载物盘的直径φ115 mm，每盘粘1片，抛光盘转速np=40 r/min，载
物盘转速nw=40 r/min，载物台摆动周期设定为10 s，实验时间设定为30 min，抛光压力P=13.79 kPa。

抛光垫选用Rodel IC1000抛光垫，每次抛光前用金刚
石修整器对抛光垫修整15 min。

每次实验配制500 mL的抛光液，用磁力搅拌器进行搅拌，用恒流泵输送抛光液，抛光液流量调节为17 mL/min，每个实验重复
3次，抛光结果取其平均值。

2 抛光液基本成分选择
抛光液成分主要有磨粒、氧化剂、分散剂、缓蚀剂、pH值调节剂等组成。

根据前期的研究及不锈钢化学机械抛光液正交设计实验结果，抛光液成分选择如下：(1)磨粒的选择。

实验用磨料在金刚石、白刚玉、碳化硼、二氧化硅中选取。

经过
实验，在相同条件下，这几种磨料的材料去除率，由大到小依次为：金刚石、白刚玉、碳化硼、二氧化硅。

由于白刚玉磨料价格便宜，材料去除率仅次于金刚石，所
以在配制抛光液时，选用F1500的白刚玉进行研究。

(2)分散剂选择。

根据前期的研究结果，丙三醇不仅价格便宜、无毒，磨粒分散效果较好，还具有较好的润滑性能和渗透性能，且能提高抛光液的使用效果、促进材料的去除[3-4]。

因此，我们选用丙三醇作为分散剂进行实验。

(3)pH值调节剂选择。

碱性抛光液一般选用氢氧化钾、氢氧化钠强碱作为pH值调节剂。

我们选用氢氧化钾为pH值调节剂。

(4)氧化剂的选择。

氧化剂种类较多，根据前期的研究及参考资料，确定效果较好的H2O2、NaClO、Cr2O3、Na2Cr2O3四种氧化剂作为实验对象进行研究。

(5)缓蚀剂的选择。

根据金属化学机械抛光研究结果，BTA(苯并三氮唑)作为缓蚀剂的效果较好，我们也选用BTA作为缓蚀剂进行实验。

3 实验结果与分析
3.1 抛光液pH值对材料去除率和表面粗糙度值的影响
为了研究抛光液pH值对材料去除率和表面粗糙度值的影响，配制了四种不同氧化剂的抛光液，来研究不同氧化剂种类在不同pH条件下对材料去除率和表面粗糙度值的影响。

四种基本抛光液成分及含量见表1所示。

每次配制500 mL抛光液，用KOH调节抛光液的pH值进行实验，其结果见图1。

其中，H2O2和NaClO 均为市售标准试样。

H2O2溶液中H2O2的质量分数为30%，NaClO溶液中Cl 元素的质量分数为10%。

表1 抛光液成分 (500 mL)序号氧化剂种类含量磨粒质量m1/g分散剂质量
m2/g缓蚀剂质量m3/g余量1H2O220mL363去离子水2NaClO20mL363去离子水3Cr2O31g363去离子水4Na2Cr2O31g363去离子水
图1 抛光液pH值对材料去除率的影响Fig. 1
The influence of pH value on MRR in slurry
由图1可知，用不同氧化剂制备的抛光液，其获得最佳材料去除率时的pH值也不同。

用H2O2作氧化剂，材料去除率随着pH值的增加先减小而后又增大，当pH 值为9、13的时候材料去除率较大，而pH值为11时材料去除率最小；用NaClO作为氧化剂时，材料去除率随着pH值的增大而逐渐增大，当pH值为13时，材料去除率最大；用Cr2O3作为氧化剂时，材料去除率随着pH值的增大先
增大而后又减小，pH值为11时材料去除率最大；用Na2Cr2O3为氧化剂时，材料去除率随着pH值的增大先增大而后又减小，pH值为11时材料去除率最大，
其变化趋势与用Cr2O3作为氧化剂时相同。

对每次实验后样品的表面粗糙度值进行检测，抛光后不锈钢片表面粗糙度值均在4～7 nm，变化不大，说明了在超精密化学机械抛光中，不锈钢化学机械抛光液
的氧化剂、pH值对抛光后不锈钢的表面粗糙度值影响较小。

因此，由图1可以看出，在4种实验的抛光液中，当其他条件不变时，最大的去
除率发生在H2O2基抛光液pH=9时，此时材料去除率为181 nm/min；其次是Cr2O3基抛光液在 pH=11时，材料去除率达177 nm/min，与H2O2基抛光液的最大材料去除率接近。

因此，配制304不锈钢化学机械抛光液，根据材料去除率，可选H2O2作或Cr2O3作为氧化剂。

3.2 抛光液中氧化剂含量对材料去除率和表面粗糙度值的影响
在pH=11的条件下，配制了4种不同氧化剂的抛光液，其成分及含量见表2所示。

改变每种基本抛光液的氧化剂含量来研究不同氧化剂含量对材料去除率和表面粗糙度值的影响。

实验结果见图2、图3所示。

表2 不同种类、不同含量的氧化剂的抛光液(500 mL)序号氧化剂种类含量磨粒
质量m1/g分散剂质量m2/g缓蚀剂质量m3/g余量
5H2O25mL10mL20mL30mL363去离子水6NaClO5mL10mL20mL30mL363
去离子水7Cr2O30.5g 1.0g 1.5g 2.0g 363去离子水8Na2Cr2O30.5g 1.0g 1.5g
2.0g 363去离子水
由图2可知：随着氧化剂含量的增加，材料去除率是先增加后减小。

在pH=11时，对于H2O2、NaClO抛光液，当氧化剂含量在10 mL (500 mL中)时，材料去除
率达到最大值，分别为100、141 nm/min；对于Cr2O3、Na2Cr2O3抛光液，
当氧化剂含量在1 g (500 mL中)时，材料去除率达到最大值，其值分别为177、162 nm/min。

每次抛光后，对不锈钢片表面粗糙度值进行检测，Ra均在4～7 nm，变化不大，说明氧化剂含量对抛光后不锈钢的表面粗糙度值影响较小。

(a) 5、6号抛光液实验结果
(b) 7、8号抛光液实验结果图2 相同pH值下氧化剂含量对材料去除率的影响Fig. 2 Influence of oxidant content on MRR at the same pH value
根据3.1节的研究结果，为了寻求最优氧化剂及其含量，又配制了两种抛光液，研究最佳pH值时，H2O2及NaClO抛光液对材料去除率的影响，其成分及含量见表3所示，实验结果见图3所示。

由图3可知，在pH=9时，H2O2基抛光液在H2O2含量20 mL (500 mL中)时，材料去除率达到最大值，其值为181 nm/min； pH=13时，NaClO抛光液在NaClO含量1 g (500 mL中)时，材料去除率达到最大值147 nm/min。

根据上述实验结果及分析，氧化剂H2O2、Cr2O3的最大材料去除率较NaClO、Na2Cr2O3的大，宜选为304不锈钢化学机械抛光液的氧化剂。

表3 氧化剂含量变化的抛光液(500 mL)序号pH氧化剂种类含量磨粒质量m1/g 分散剂质量m2/g缓蚀剂质量m3/g余量99H2O25mL10mL20mL30mL363去
离子水1013NaClO5mL10mL20mL30mL363去离子水
图3 最佳pH值下氧化剂含量对材料去除率的影响Fig. 3
Influence of oxidant content on MRR at optimal pH value
4 结论
为了研究304不锈钢碱性化学机械抛光液，我们在前期研究的基础上，提出了化学机械抛光液的基本成分，然后研究氧化剂种类、含量、pH值等因素对材料去除率和表面粗糙度值的影响，研究结果表明：
(1)不同氧化剂的抛光液有不同的最佳pH值。

氧化剂H2O2和Cr2O3抛光液的最大材料去除率较NaClO、Na2Cr2O3的大，H2O2和Cr2O3可作为304不锈钢化学机械抛光碱性抛光液的氧化剂，实现较大的材料去除率。

(2)H2O2基抛光液在pH=9时，有最大的材料去除率，为181 nm/min；Cr2O3基抛光液在pH=11时，可获得最大的材料去除率，达177 nm/min。

(3)在304不锈钢化学机械抛光中，抛光液的氧化剂含量、种类及pH值对抛光后不锈钢的表面粗糙度值影响较小。

参考文献：
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