镁合金化学机械抛光中缓蚀剂的研究_宋浩
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词 化学机械抛光 缓蚀剂 电化学ｓｉｏｎ Ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ Ｍｇ Ａｌｌｏｙ
ＳＯＮＧ Ｈａｏ１，ＹＡＮＧ Ｄａｌｉｎ２，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｔｉｎｇ２
点和难点问题之一 。 ［６－８］ 众多研究学 者 对 镁 合 金 的 缓 蚀 进 行 了 研 究。李 凌 杰
等 的 ［９］ 研 究 表 明 十 二 烷 基 苯 磺 酸 钠 （ＳＤＢＳ）对 ＡＺ３１ 镁 合 金 在 ３．５％ＮａＣｌ溶 液 中 的 缓 蚀 率 达 到 ９０％ ，而 且 缓 蚀 率 不 受 温 度的影响。赵蕊等 探 ［１０］ 索 了 ＳＤＢＳ 对 酸 性 中 镁 合 金 缓 蚀 效 果的影响规律，并解释 了 ＳＤＢＳ 吸 附 机 理。 然 而 关 于 碱 性 抛 光液中缓蚀剂对镁合金的腐蚀的研究报道得较少。本实验 分别选取磷酸氢 二 纳 和 氟 化 钾 （ＫＦ）两 种 缓 蚀 剂，研 究 其 在 碱性抛光液中对镁合金基片的缓蚀性能。采用 Ｘ 射线光电 子能谱仪分析缓蚀剂在镁合金表面的膜层成 分，并 通 过 电 化 学分析法研究上述缓蚀剂在抛光液中对镁合金缓蚀的作用 机理。
（１ Ｗｕｘｉ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂｒａｎｃｈ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｘｉ ２１４０２８； ２ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｄｉｇｔａｌ Ｍｅｄｉａ，Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２）
镁 合 金 化 学 机 械 抛 光 中 缓 蚀 剂 的 研 究／宋 浩 等
· ５４１ ·
镁合金化学机械抛光中缓蚀剂的研究
宋 浩１，杨 大 林２，张 晓 婷２
（１ 江苏联合职业技术学院无锡机电分院，无锡 ２１４０２８；２ 江南大学数字传媒学院，无锡 ２１４１２２）
摘要 基于碱性氧化铈抛光液体系，研究了磷酸氢二 纳 和 氟 化 钾 两 种 缓 蚀 剂 对 镁 合 金 缓 蚀 影 响 的 基 本 规 律 。 采用扫描电镜、Ｘ 射线光电子能谱和电化学实验分析了化学机械抛光中镁合金表面微 观 形 貌 和 缓 蚀 机 理 。 发 现：１％ （质量分数）磷酸氢二纳电荷转移电阻最大为７４８１Ω·ｃｍ－２，电流密度最小为０．０１４４１ｍＡ／ｃｍ２，具有最佳缓蚀 能 力。 Ｎａ２ＨＰＯ４在镁合金表面生 成 完 整 的 钝 化 膜 ，具 有 很 好 的 缓 蚀 能 力 。 其 缓 蚀 机 理 是 ：Ｎａ２ＨＰＯ４ 在 镁 合 金 表 面 生 成 ＭｇＨＰＯ４ ，可 以 阻 挡 腐 蚀 介 质 向 镁 合 金 表 面 靠 近 ，有 效 抑 制 了 镁 合 金 基 片 的 腐 蚀 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ，ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ，ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ
０ 引 言
好的力学性能，使得镁合金在航天、航空以及 ３Ｃ 等 领 域 得到了广泛的应 用。 镁 合 金 所 表 现 出 的 轻 质、高 阻 尼 性、抗 振、高导热性、抗电磁干扰、高电负性和易于 回 收 等 性 能 优 势 有助于扩展 镁 合 金 在 工 程 上 的 应 用 范 围，但 是 镁 合 金 质 地 软、硬度低，使得镁合金在加工过 程中极 易 出 现 划 伤、磨 损 等 表面缺陷。特别是一些关键或者重要的精密零部件常需要 实现极高精度，近无缺陷的超精密加工。化 学 机 械 抛 光 技 术 （Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ，ＣＭＰ）作 为 一 种 超 精 密 加 工 技术，可以实现大 平 面 表 面 的 全 局 平 坦 化，得 到 完 美 的 镜 面 效果。通过化学 机 械 抛 光 可 以 实 现 镁 合 金 表 面 超 精 密 加 工 。 ［１－３］
化学机械抛光过程中的材料去除主要是由抛光液的化 学作用、磨粒以及抛光垫的机械 作用 共同 产 生。因 此 为 了 得 到高效高精度的表面抛光效果，一方面应利用机 械 和 化 学 的 协同作用有效提高基片凸处表面的 材料去除率，另 一 方 面 应 利用缓蚀剂有效保护基片的凹 处表面，降低其材 料 的 腐 蚀 速 度 。 ［４，５］ 镁合金性能 活 泼，因 此 缓 蚀 剂 的 选 择 在 镁 合 金 化 学 机械抛光中显得极 为 重 要，也 是 目 前 镁 合 金 ＣＭＰ 研 究 的 热
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｎａ２ＨＰＯ４ａｎｄ ＫＦ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｇ ａｌｌｏｙ ｉｎ ａｌｋａｌｉｎｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｓｌｕｒｒｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｅｓｔｓ，ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ １ｗｔ％ Ｎａ２ＨＰＯ４ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ （７４８１ Ω·ｃｍ－２）ａｎｄ ｌｏｗｅｓｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ （０．０１４４１ ｍＡ／ｃｍ２）．ＳＥＭ ａｎｄ ＸＰＳ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｋｉｎ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ Ｎａ２ＨＰＯ４ ｈａｓ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｇｏ－ ｖｅｒｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＭｇＨＰＯ４．
ＳＯＮＧ Ｈａｏ１，ＹＡＮＧ Ｄａｌｉｎ２，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｔｉｎｇ２
点和难点问题之一 。 ［６－８］ 众多研究学 者 对 镁 合 金 的 缓 蚀 进 行 了 研 究。李 凌 杰
等 的 ［９］ 研 究 表 明 十 二 烷 基 苯 磺 酸 钠 （ＳＤＢＳ）对 ＡＺ３１ 镁 合 金 在 ３．５％ＮａＣｌ溶 液 中 的 缓 蚀 率 达 到 ９０％ ，而 且 缓 蚀 率 不 受 温 度的影响。赵蕊等 探 ［１０］ 索 了 ＳＤＢＳ 对 酸 性 中 镁 合 金 缓 蚀 效 果的影响规律，并解释 了 ＳＤＢＳ 吸 附 机 理。 然 而 关 于 碱 性 抛 光液中缓蚀剂对镁合金的腐蚀的研究报道得较少。本实验 分别选取磷酸氢 二 纳 和 氟 化 钾 （ＫＦ）两 种 缓 蚀 剂，研 究 其 在 碱性抛光液中对镁合金基片的缓蚀性能。采用 Ｘ 射线光电 子能谱仪分析缓蚀剂在镁合金表面的膜层成 分，并 通 过 电 化 学分析法研究上述缓蚀剂在抛光液中对镁合金缓蚀的作用 机理。
（１ Ｗｕｘｉ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂｒａｎｃｈ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｘｉ ２１４０２８； ２ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｄｉｇｔａｌ Ｍｅｄｉａ，Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２）
镁 合 金 化 学 机 械 抛 光 中 缓 蚀 剂 的 研 究／宋 浩 等
· ５４１ ·
镁合金化学机械抛光中缓蚀剂的研究
宋 浩１，杨 大 林２，张 晓 婷２
（１ 江苏联合职业技术学院无锡机电分院，无锡 ２１４０２８；２ 江南大学数字传媒学院，无锡 ２１４１２２）
摘要 基于碱性氧化铈抛光液体系，研究了磷酸氢二 纳 和 氟 化 钾 两 种 缓 蚀 剂 对 镁 合 金 缓 蚀 影 响 的 基 本 规 律 。 采用扫描电镜、Ｘ 射线光电子能谱和电化学实验分析了化学机械抛光中镁合金表面微 观 形 貌 和 缓 蚀 机 理 。 发 现：１％ （质量分数）磷酸氢二纳电荷转移电阻最大为７４８１Ω·ｃｍ－２，电流密度最小为０．０１４４１ｍＡ／ｃｍ２，具有最佳缓蚀 能 力。 Ｎａ２ＨＰＯ４在镁合金表面生 成 完 整 的 钝 化 膜 ，具 有 很 好 的 缓 蚀 能 力 。 其 缓 蚀 机 理 是 ：Ｎａ２ＨＰＯ４ 在 镁 合 金 表 面 生 成 ＭｇＨＰＯ４ ，可 以 阻 挡 腐 蚀 介 质 向 镁 合 金 表 面 靠 近 ，有 效 抑 制 了 镁 合 金 基 片 的 腐 蚀 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ，ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ，ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ
０ 引 言
好的力学性能，使得镁合金在航天、航空以及 ３Ｃ 等 领 域 得到了广泛的应 用。 镁 合 金 所 表 现 出 的 轻 质、高 阻 尼 性、抗 振、高导热性、抗电磁干扰、高电负性和易于 回 收 等 性 能 优 势 有助于扩展 镁 合 金 在 工 程 上 的 应 用 范 围，但 是 镁 合 金 质 地 软、硬度低，使得镁合金在加工过 程中极 易 出 现 划 伤、磨 损 等 表面缺陷。特别是一些关键或者重要的精密零部件常需要 实现极高精度，近无缺陷的超精密加工。化 学 机 械 抛 光 技 术 （Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ，ＣＭＰ）作 为 一 种 超 精 密 加 工 技术，可以实现大 平 面 表 面 的 全 局 平 坦 化，得 到 完 美 的 镜 面 效果。通过化学 机 械 抛 光 可 以 实 现 镁 合 金 表 面 超 精 密 加 工 。 ［１－３］
化学机械抛光过程中的材料去除主要是由抛光液的化 学作用、磨粒以及抛光垫的机械 作用 共同 产 生。因 此 为 了 得 到高效高精度的表面抛光效果，一方面应利用机 械 和 化 学 的 协同作用有效提高基片凸处表面的 材料去除率，另 一 方 面 应 利用缓蚀剂有效保护基片的凹 处表面，降低其材 料 的 腐 蚀 速 度 。 ［４，５］ 镁合金性能 活 泼，因 此 缓 蚀 剂 的 选 择 在 镁 合 金 化 学 机械抛光中显得极 为 重 要，也 是 目 前 镁 合 金 ＣＭＰ 研 究 的 热
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｎａ２ＨＰＯ４ａｎｄ ＫＦ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｇ ａｌｌｏｙ ｉｎ ａｌｋａｌｉｎｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｓｌｕｒｒｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｅｓｔｓ，ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ １ｗｔ％ Ｎａ２ＨＰＯ４ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ （７４８１ Ω·ｃｍ－２）ａｎｄ ｌｏｗｅｓｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ （０．０１４４１ ｍＡ／ｃｍ２）．ＳＥＭ ａｎｄ ＸＰＳ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｋｉｎ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ Ｎａ２ＨＰＯ４ ｈａｓ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｇｏ－ ｖｅｒｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＭｇＨＰＯ４．