一种纳米碳化硅磨料的制备方法与流程

1.本发明涉及一种碳化硅的制备方法，特别是涉及一种纳米碳化硅磨料的制备方法。


背景技术：

2.当前主流的半导体表面精加工方法是机械研磨抛光法，所用到的磨削材料主要有刚玉、氧化锆、氧化硅等。然而，这种机械研磨抛光法存在一个技术瓶颈，高速发展的电子信息产业要求半导体具备更高的表面光洁度、更低的翘曲度以及更小的残余应力，这就要使磨料的粒度更细、磨削性能更好。与上述磨料相比，碳化硅由于其导热性好、耐腐蚀强、机械强度高、硬度大等优势在半导体表面加工领域也得到了一定的应用。
3.传统制备碳化硅的方法是将石英砂与焦炭混合，加入食盐和木屑，并通过2000
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c左右高温热处理后得到碳化硅微粉，此制备方法能耗高且难于控制碳化硅粒度，不利于高效碳化硅磨料的制备。利用直流等离子技术制备的碳化硅颗粒，粒径颗粒在10-30 nm的，但此制备方法产量较低，不利于大规模生产。采用化石燃料煤和硅酸钠为原料，以硝酸铁为催化剂在1300
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c氩气气氛下制备的碳化硅颗粒，粒径为20-60 nm，但此制备方法使用了储量有限的一次能源煤，不利于可持续发展。
4.公开号为cn105016342a的中国专利公开了一种碳化硅微米管的制备方法，其通过硅溶液凝胶的碳热还原制备，其制备的是微米级的碳化硅颗粒，难以应用于半导体的研磨抛光工艺。


技术实现要素：

5.针对上述技术需求，本发明提供一种纳米碳化硅磨料的制备方法，主要是解决满足半导体表面研磨抛光加工要求的碳化硅磨料的规模化生产问题。
6.本发明的技术方案如下：一种纳米碳化硅磨料的制备方法，以生物质碳为碳源，正硅酸乙酯为硅源，硝酸铁为催化剂，通过碳热还原制备出碳化硅纳米颗粒，对所述碳化硅纳米颗粒进行酸洗并在1000～1200 ℃下回火制得所述纳米碳化硅磨料，所述生物质碳是由干燥的生物质原料经过高温碳化得到。
7.进一步地，包括步骤：取硝酸铁溶于乙醇溶液中均匀搅拌后加入所述生物质碳搅拌分散，然后加入正硅酸乙酯和草酸溶液进行水解，水解后的溶胶加入六次甲基四胺溶液得到凝胶，将所述凝胶进行干燥后在氮气保护下升温至1200～1500 ℃保温后再冷却至室温，然后再升温至600～900 ℃保温去除未反应的碳，最后制得所述碳化硅纳米颗粒。
8.进一步地，所述回火的升温速率为5～15 ℃/min，保温时间为1～3h。
9.进一步地，所述生物质原料为棉花、剑麻、花生壳中的一种。
10.进一步地，所述生物质原料经过高温碳化时的温度为600～800 ℃，时间为2～5h。
11.进一步地，所述乙醇溶液中的乙醇与所述硝酸铁的质量比为80～120∶1，所述生物质碳与所述硝酸铁的质量比为10～15∶1。
psi，下盘转速60 rpm，抛光液流量12 l/min，抛光时间120 min，抛光速率达到6.5 μm/h，表面粗糙度为0.35 nm。
25.实施例2
26.称取洗净干燥后的生物质剑麻为原料，在管式炉中进行碳化，在氮气保护下600 ℃碳化并保温2 h，获得棉花的碳化产物。
27.称取1 g硝酸铁溶于80 g乙醇溶液中，磁力搅拌一段时间后得到均匀溶液；随后加入10 g剑麻的碳化产物，磁力搅拌至均分分散，然后加入40 g正硅酸乙酯和6 g草酸溶液（3.0 wt%），促进正硅酸乙酯水解。充分搅拌20 h后，加入6 g六次甲基四胺溶液促进凝固。待凝固后，在110 ℃下干燥12 h。
28.将干燥后的产物充分研磨后置于管式炉中，在氮气保护下以5 ℃/min的升温速率升至1200 ℃，保温6 h后，在氮气气氛保护下冷却至室温。随后，将样品置于马弗炉中，以5 ℃/min的升温速率升至700 ℃，保温3 h后，除去未反应的碳。然后用浓度比为1:1的盐酸和氢氟酸的混合酸洗去杂质。再次，通过数次水洗、过滤，冷冻干燥得到纳米碳化硅磨料。最后，将样品置于马弗炉中，以5 ℃/min的升温速率升至1000 ℃，保温1 h进行回火热处理。将实施例2制备得到的磨料和水按照质量比1:4混合均匀，然后在1200-db抛光机（昌宏机电）上加工直径为10 cm的圆形硅片，使用suba 600抛光垫，压力4 psi，下盘转速60 rpm，抛光液流量12 l/min，抛光时间120 min，抛光速率达到5.8 μm/h，表面粗糙度为0.45 nm。
29.实施例3
30.称取洗净干燥后的生物质花生壳为原料，在管式炉中进行碳化，在氮气保护下800 ℃碳化并保温5 h，获得棉花的碳化产物。
31.称取1 g硝酸铁溶于120 g乙醇溶液中，磁力搅拌一段时间后得到均匀溶液；随后加入15 g花生壳的碳化产物，磁力搅拌至均分分散，然后加入00 g正硅酸乙酯和10 g草酸溶液（4.0 wt%），促进正硅酸乙酯水解。充分搅拌26 h后，加入10 g六次甲基四胺溶液促进凝固。待凝固后，在130 ℃下干燥15 h。
32.将干燥后的产物充分研磨后置于管式炉中，在氮气保护下以15 ℃/min的升温速率升至1500 ℃，保温10 h后，在氮气气氛保护下冷却至室温。随后，将样品置于马弗炉中，以15 ℃/min的升温速率升至900 ℃，保温5 h后，除去未反应的碳。然后用浓度比为1:1的盐酸和氢氟酸的混合酸洗去杂质。再次，通过数次水洗、过滤，冷冻干燥得到纳米碳化硅磨料。最后，将样品置于马弗炉中，以15 ℃/min的升温速率升至1200 ℃，保温3 h进行回火热处理。将实施例3制备得到的磨料和水按照质量比1:4混合均匀，然后在1200-db抛光机（昌宏机电）上加工直径为10 cm的圆形硅片，使用suba 600抛光垫，压力4 psi，下盘转速60 rpm，抛光液流量12 l/min，抛光时间120 min，抛光速率达到5.9 μm/h，表面粗糙度为0.42 nm。
33.对比例1称取洗净干燥后的生物质棉花为原料，在管式炉中进行碳化，在氮气保护下700 ℃碳化并保温3 h，获得棉花的碳化产物。
34.称取1 g硝酸铁溶于100 g乙醇溶液中，磁力搅拌一段时间后得到均匀溶液；随后加入12 g棉花的碳化产物，磁力搅拌至均分分散，然后加入50 g正硅酸乙酯和8 g草酸溶液（3.5 wt%），促进正硅酸乙酯水解。充分搅拌20 h后，加入8 g六次甲基四胺溶液促进凝固。
待凝固后，在120 ℃下干燥12 h。
35.将干燥后的产物充分研磨后置于管式炉中，在氮气保护下以10 ℃/min的升温速率升至1300 ℃，保温8 h后，在氮气气氛保护下冷却至室温。随后，将样品置于马弗炉中，以10 ℃/min的升温速率升至700 ℃，保温3 h后，除去未反应的碳。然后用浓度比为1:1的盐酸和氢氟酸的混合酸洗去杂质。最后，通过数次水洗、过滤，冷冻干燥得到纳米碳化硅磨料。将对比例1制备得到的磨料和水按照质量比1:4混合均匀，然后在1200-db抛光机（昌宏机电）上加工直径为10 cm的圆形硅片，使用suba 600抛光垫，压力4 psi，下盘转速60 rpm，抛光液流量12 l/min，抛光时间120 min，抛光速率达到5.4 μm/h，表面粗糙度为0.39 nm。
36.对比例2称取1 g硝酸铁溶于100 g乙醇溶液中，磁力搅拌一段时间后得到均匀溶液；随后加入60 g洗净干燥棉花粉碎后的粉末，磁力搅拌至均分分散，然后加入50 g正硅酸乙酯和8 g草酸溶液（3.5 wt%），促进正硅酸乙酯水解。充分搅拌20 h后，加入8 g六次甲基四胺溶液促进凝固。待凝固后，在120 ℃下干燥12 h。
37.将干燥后的产物充分研磨后置于管式炉中，在氮气保护下以10 ℃/min的升温速率升至1300 ℃，保温8 h后，在氮气气氛保护下冷却至室温。随后，将样品置于马弗炉中，以10 ℃/min的升温速率升至700 ℃，保温3 h后，除去未反应的碳。然后用浓度比为1:1的盐酸和氢氟酸的混合酸洗去杂质。再次，通过数次水洗、过滤，冷冻干燥得到纳米碳化硅磨料。最后，将样品置于马弗炉中，以10 ℃/min的升温速率升至1100 ℃，保温2 h进行回火热处理。将对比例2制备得到的磨料和水按照质量比1:4混合均匀，然后在1200-db抛光机（昌宏机电）上加工直径为10 cm的圆形硅片，使用suba 600抛光垫，压力4 psi，下盘转速60 rpm，抛光液流量12 l/min，抛光时间120 min，抛光速率达到5.3 μm/h，表面粗糙度为0.38 nm。
38.对比例3称取1 g硝酸铁溶于100 g乙醇溶液中，磁力搅拌一段时间后得到均匀溶液；随后加入60 g洗净干燥棉花粉碎后的粉末，磁力搅拌至均分分散，然后加入50 g正硅酸乙酯和8 g草酸溶液（3.5 wt%），促进正硅酸乙酯水解。充分搅拌20 h后，加入8 g六次甲基四胺溶液促进凝固。待凝固后，在120 ℃下干燥12 h。
39.将干燥后的产物充分研磨后置于管式炉中，在氮气保护下以10 ℃/min的升温速率升至1300 ℃，保温8 h后，在氮气气氛保护下冷却至室温。随后，将样品置于马弗炉中，以10 ℃/min的升温速率升至700 ℃，保温3 h后，除去未反应的碳。然后用浓度比为1:1的盐酸和氢氟酸的混合酸洗去杂质。最后，通过数次水洗、过滤，冷冻干燥得到纳米碳化硅磨料。将对比例3制备得到的磨料和水按照质量比1:4混合均匀，然后在1200-db抛光机（昌宏机电）上加工直径为10 cm的圆形硅片，使用suba 600抛光垫，压力4 psi，下盘转速60 rpm，抛光液流量12 l/min，抛光时间120 min，抛光速率达到4.2 μm/h，表面粗糙度为0.41 nm。