[发明专利]一种平均粒径可调的超细氧化铈抛光粉的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于稀土材料制备技术领域，涉及精密抛光用微纳米氧化铈抛光粉的制备 方法。

背景技术

化学机械抛光（CMP）是高精密光学器件和超大规模集成电路制造技术中最为有效 的平坦化技术之一，CMP技术的发展引起对具有可控物理特性和化学组成的抛光磨料的迫 切需要。相比于SiO₂和Al₂O₃，CeO₂磨料具有抛光速率高、对被抛表面损伤小、抛光表面粗糙 度低等优点，被广泛用于玻璃精密抛光、超大规模集成电路介质层抛光和单晶硅片以及半 导体衬底材料抛光等。

抛光粉的形貌、粒度、粒度分布等参数直接影响被抛工件的表面性能。现代精密光 学器件和超大规模集成电路需要抛光工件表面平整度达到纳米级的苛刻要求，传统抛光磨 料在抛光选择性、表面精度、浆料稳定性方面存在较大的挑战和局限性，而使用亚微米级和 纳米级抛光磨料是必然的发展趋势。

中国发明专利CN1699282A以可溶性铈盐为原料，尿素为沉淀剂，经均匀沉淀和煅 烧制备了平均粒径在300nm左右的球形亚微米氧化铈抛光粉。中国发明专利CN1821314A将 含有铈离子和表面活性剂的溶液与碱性物质接触，控制体系pH值，生成沉淀物I，沉淀物I用 草酸转化，控制反应终点pH值，得到沉淀物II，沉淀物II在600~1000℃下煅烧得到超细氧化 铈抛光粉，该方法制备过程比较复杂，得到的产品粒径分布在10nm~3μm之间。中国发明专利 CN101284983A以可溶性铈盐为原料，氨水、碳酸氢铵、碳酸铵中的一种或几种的混合物为沉 淀剂制备前驱体，通过调节沉淀母液的离子强度，增大前驱体颗粒的表面电性，然后经高温 陈化、过滤、干燥、煅烧、球磨过筛得到分散性好、球化度高、超细的氧化铈抛光粉，该方法的 制备步骤也比较复杂，制得的产品粒度分布在20nm~2μm之间。

目前，微纳米氧化铈抛光粉的制备大多采用沉淀-煅烧法，即沉淀法合成Ce(III) 沉淀物作为前驱体，然后煅烧Ce(III)沉淀物得到CeO₂抛光粉，所制备的产品粒度分布较 宽，在形貌和粒径控制方面仍存在困难。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种形貌均匀、粒度分布窄、平均粒径可调的微纳 米氧化铈抛光粉的制备方法，首先水热合成氧化铈Ce(IV)作为前驱体，然后对前驱体进行 煅烧和后处理得到抛光粉产品，通过调节水热合成参数控制前驱体的形态和尺寸从而实现 对成品氧化铈抛光粉形态和粒度的控制。利用本发明制备的氧化铈抛光粉形貌为类球形， 中位粒径d50在100nm~1.5μm之间可调，0<粒度分布R<0.8。

本发明的具体合成步骤如下：

1)水热合成氧化铈前驱体：将六水硝酸铈和聚乙烯吡咯烷酮溶于蒸馏水形成均匀混合 溶液，其中Ce³⁺浓度为0.005~0.5mol/L，六水硝酸铈与聚乙烯吡咯烷酮质量比为1:0.25~1， 搅拌下用酸或碱调节溶液pH值至2~8，然后将该溶液转移至反应釜内，在150~220℃温度下 反应4~24h，反应完毕，离心分离，洗涤，所得固体产物为氧化铈前驱体；所用聚乙烯吡咯烷 酮平均分子量为10000~1300000；调节溶液pH值所用的酸为硝酸、盐酸、硫酸中任一种，所用 的碱为氢氧化钠、氢氧化钾中任一种；通过控制水热合成体系pH值，可获得粒径可调的类球 形氧化铈前驱体。

2)前驱体煅烧和后处理：前驱体在45~65℃温度下充分干燥，再在600~1200℃煅烧 0.5~6h，所得粉体湿法球磨0.5~4h，然后离心分离、低温干燥得到氧化铈抛光粉。

取制得的氧化铈抛光粉配成固含量0.5~5wt%抛光液，抛光液pH=~7，使用UNIPOL- 802型精密研磨抛光机（沈阳科晶）对K9玻璃进行抛光；按以下公式计算材料去除速率 （MRR），

MRR(nm/min)=(m₀-m)/(ρts)

其中m₀为抛光前工件材料的质量(g)，m为抛光后工件材料的质量(g)，ρ为K9材料的密 度，t为抛光时间(min)，s为工件材料与抛光垫的接触面积(cm²)。

本发明所述粒度分布定义为：

R=(d90-d10)/2d50