一种高粘度研磨液稳定化生产工艺及装置

技术领域

本发明属于超精密研磨抛光技术领域，具体涉及一种高粘度研磨液稳定化生产工艺及装置。

背景技术

粘度是研磨液的一项关键指标，它直接决定着研磨液体系的悬浮性能，加工过程中研磨液的存留、更新、升温、清洗等性能，进一步影响效率、划伤、粗糙度、TTV、破片率等关键应用性能指标。随三代半导体和特殊行业发展，越来越多的领域在使用高粘度研磨液产品。

高粘度研磨液的制备通常需借助强剪切作用结合分散悬浮剂等功能助剂的化学作用来实现。强剪切作用在实现磨料匀化分散的同时，往往会造成高分子功能助剂断链，导致研磨液产品变稀、粘度降低。强剪切作用也会伴随发生热量累积，导致过程温度升高，促进热和氧的自动催化氧化作用发生，进一步恶化大分子断链情况的发生。此外，因为粘度高，断链也会造成产品局部不均匀甚至随放置时间变化断链不均匀持续发生的问题。换言之，生产过程粘度和放置粘度的稳定性管控是一大难题，它直接决定着研磨液产品的均匀稳定性。基于此，研发了本申请。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种高粘度研磨液稳定化生产工艺及装置，可有效降低生产过程剪切力、缩短生产时间、控制生产过程温度，抑制剪切、高温断链问题的发生，解决过度剪切造成研磨液稀化，粘度大幅波动问题的发生。

本发明还公开了一种在高粘度研磨液稳定化生产工艺中使用的匀化装置，其可在更低工艺条件下，实现研磨液产品的匀化处理，提升生产效率，降低设备故障率。该匀化装置具有投入低、占地少等特征，提质增效效果显著。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，其包括如下步骤：

S1. 提前将高粘度助剂进行溶胀、溶解、活化、真空脱泡预处理，获得质量浓度≤5%的高粘度助剂溶液，备用；

S2. 将部分溶剂（10-50wt%的溶剂）与全部磨料混合，超声分散5-60min，形成分散液；

S3. 向分散液中加入乳化剂、消泡剂等低粘度功能助剂，并补足剩余的溶剂，匀化1-10min；

S4. 加入步骤S1预处理后获得的高粘助剂溶液，匀化1-30min，即得高粘度研磨液。该生产工艺用于高粘度研磨液生产时，可获得粘度均匀稳定的产品，批次间粘度差异由＞30%降低至＜10%以内。此工艺也同样适合于油性体系，即溶剂为植物油、矿物油、润滑油等体系。

具体的，步骤S1中，所述高粘度助剂包括丙烯酸类、膨润土、纤维素类、聚氧乙烯类、烷基醇酰胺类、氧化胺类等中的一种或多种的混合物。

进一步的，步骤S1中，所述溶胀是将高粘度助剂与溶剂水按0.1-5：99.9-95的质量比混合后，静置浸泡溶胀不少于24h。所述溶解是将溶胀后的高粘度助剂，在转速500-1500rpm下搅拌不少于30min，使高粘度助剂充分溶解。

具体的，步骤S1中，所述活化是根据高粘度助剂特性，在充分溶解后的高粘度助剂溶液中加入活化剂（醇类或碱类等），依靠羟基激活其表面官能团实现悬浮、增稠、保湿、润滑等功能。所述活化剂可以为甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钾、碳酸氢钠、硼砂、三乙醇胺等中的一种或多种的混合物。所述真空脱泡是根据溶液配置量选择真空脱泡搅拌机，在500-2500rpm转速条件下，将充分溶胀、溶解并活化后的高粘度助剂溶液内的气泡抽提出去，消除泡沫内空气的氧化作用，提升高粘度助剂溶液的化学稳定性。

进一步的，步骤S2中，所述溶剂为水，所述磨料选用本领域常规磨料，如可以是粒度≥0.1μm的金刚石、氧化铝、碳化硅、碳化硼、氧化铈、氧化硅等中的一种或多种的混合物。

进一步优选的，步骤S3和S4中，匀化时转速为7-10rpm。

本发明还提供了一种在上述高粘度研磨液稳定化生产工艺中使用的匀化装置，其包括中心搅拌杆、位于上层的椎体固定件和位于下层的平面固定件；

所述椎体固定件包括第一水平环和数量不少于三个的连接杆，连接杆向上倾斜设置，连接杆的顶端连接中心搅拌杆，连接杆的底端连接第一水平环；

所述平面固定件包括第二水平环和至少两个加固杆，所述加固杆穿过第二水平环的圆心且交叉设置；

所述中心搅拌杆穿过第二水平环和第一水平环的圆心，且伸出第一水平环外；

所述椎体固定件和平面固定件之间由内至外设置≥2圈层的搅拌组件，所述搅拌组件包括数量不少于三个且沿竖直方向延伸的辅助搅拌杆，辅助搅拌杆的顶端与连接杆连接，辅助搅拌杆的底端与加固杆连接。

进一步的，所述中心搅拌杆的底端与加固杆的交叉点连接。

进一步优选的，所述第一水平环和第二水平环同轴设置且大小相同。

本发明涉及一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，需注意以下几点：

1）分散与匀化工艺分离

分散的目标是使磨料颗粒在研磨液体系中呈单颗粒状态，主要克服颗粒间的静电作用，打开结团的颗粒；匀化的目标是使研磨液中各组分以均匀的姿态存在，重点保障物理溶解、扩散与复杂化学反应的均匀性。原理上讲，分散需要强剪切的能量克服颗粒间的作用力，而匀化有相对柔和的作用力就可以实现。但常规研磨液生产，并未分离分散与匀化工艺，而是统一按照分散的强剪切工艺来实现，这也是导致大分子断链问题发生和过程温度持续升高的关键原因之一。

本发明采用分散与匀化的分离工艺，通过强剪切作用实现磨料在溶剂体系中的单颗粒分散，结合相对较弱的柔性梳理作用实现研磨液体系中各组分的匀化处理，使得大分子物质可以避开强剪切作用，仅在弱柔性梳理过程中出现，从而避免强剪切作用导致的大分子断链问题发生。此外，因大分子物质仅出现在弱柔性梳理工艺中，也不会出现强剪切造成的热量累积温度升高现象出现，故大分子断链问题也可以得到更充分的控制。

2）所述分散工艺中，只添加磨料和溶剂，或者添加痕量的小分子分散剂，会发生粘度变化的大分子物质不在该工艺中出现。

3）所述匀化工艺中，涉及大分子预处理工艺和多方向多点位柔性梳理工艺。

4）所述大分子预处理工艺，主要保障大分子物质在溶剂体系中的充分溶胀溶解与化学反应，同时通过真空脱泡、浓度调节等管控生产影响因素，保障匀化粘度稳定、磨料单颗粒分散无结团。

5）所述多方向多点位柔性梳理工艺，涉及一款新型的匀化装置。

上述的匀化装置，依据原理如下。

通常匀化使物料呈环状流，产生强漩涡，呈螺旋状下降到涡流底部，粒子间产生强烈的剪切撞击和摩擦，达到迅速分散、溶解、均匀混合、简单乳化的功能。但匀化过程中，有机大分子在漩涡不同的水平液层间会存在一定的速度差，引起大分子扭曲变形甚至断链，匀化漩涡如图1所示。

高粘度流体剪切特性如图2所示：在第一牛顿区时，剪切速率小，聚合物内部无规相互缠绕虽会被破坏但破坏速率大致等于生成速率，因而粘度表现为不变；到了假塑区时，剪切破坏逐渐增大，无规缠绕的破坏与生成平衡被打破，故高聚物内部缠结点越来越少，表现为粘度逐渐下降；到第二牛顿区时，无规缠绕完全被破坏，高聚物内部分子取向达到极限状态，高分子链间相对运动变得很容易，粘度变为恒定的最低值。

常规分散一般处于假塑区，因粘度处于下降不平衡状态，故粘度波动性大，稳定性控制困难。第二牛顿区虽然可实现粘度的稳定，但因破坏严重，粘度达到最低值，基本也就失去了高粘度体系的意义。故，欲解决高粘度研磨液体系的剪切变稀问题，最好的办法是把剪切作用控制在第一牛顿区，即降低剪切速率，维护粘度处于平衡状态。

基于以上原理分析，所属柔性梳理匀化重点解决两个问题：其一是消除强漩涡，减少大分子断链发生；其二是降低剪切速率，实现缠绕梳理，维护粘度平衡。本发明所述的匀化装置，创新主要体现如下几个方面：

1）所述匀化分散装置各结构均使用圆柱体搅拌棒，改变常规的叶片式方案，利用多柱面的柔和梳理功能实现匀化，有效控制锋利剪切引发的变稀问题。

2）所述匀化装置，借鉴搅拌棒柔性匀化原理与搅拌漩涡反向抑制原理，主要通过设置多层次、多点位搅拌来实现。即垂直方向上，根据生产容器尺寸由内而外设置≥2圈层的搅拌组件；水平方向上，每个圈层的搅拌组件设置≥3个（点位）且沿竖直方向延伸的辅助搅拌杆。

本发明涉及的高粘度研磨液稳定化生产工艺，其将分散与匀化工艺分离。分散使用强剪切工艺实现磨料在溶剂体系中的单颗粒分散，分散工艺中仅涉及磨料、溶剂，必要时可添加痕量小分子分散剂，不涉及大分子高粘度物质。匀化采用本发明匀化装置进行柔性梳理，避免强剪切带来的大分子不均匀断链问题发生；同时辅以高粘度助剂预处理操作，减轻柔性梳理匀化工作量，保障匀化工作有效性。此外，也通过控温（控温是强剪切改柔性梳理匀化且分散与匀化工艺分离后，整个过程作用力降低，过程升温得到控制）、真空脱泡以控氧等措施，管控热氧自动催化氧化反应的发生，进一步抑制断链现象的发生。本发明也衍生出一种多方向多点位柱面柔性匀化装置，其可在更低的剪切工艺条件下，实现研磨液的匀化处理，提升生产效率，降低设备损耗与故障发生率。此外，该匀化装置具有设备投入低、场地占地少等特征，在保障产品质量的同时，可有效管控成本投入。

和现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明高粘度研磨液稳定化生产工艺，可有效降低生产过程剪切力、缩短生产时间、控制生产过程温度，抑制剪切、高温断链问题的发生，解决过度剪切造成研磨液稀化，粘度大幅波动问题的发生。该生产工艺用于高粘度研磨液生产时，可获得粘度均匀稳定的产品，批次间粘度差异由＞30%降低至＜15%以内。此工艺也同样适合于油性体系，即溶剂为植物油、矿物油、润滑油等的油性体系；

2）本发明还涉及一种匀化装置的改造，其可在更低工艺条件下，实现研磨抛光液产品的匀化分散，生产效率提升1倍，因极限运转、设备发热而产生的故障率大幅降低。本发明所涉及匀化装置设备还具有投入低、占地少等特征，提质增效效果显著。

附图说明

图1为匀化漩涡图；

图2为高粘度流体剪切特性；

图3为本发明所述匀化装置图；

图4为常规工艺产品与本发明工艺产品粘度波动性对比图；

图5为常规工艺产品与本发明工艺产品粘度稳定性对比图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

本发明的创新点和关键点在于高粘度研磨液稳定化生产工艺以及匀化装置，工艺过程中涉及的原料添加比例、以及添加的乳化剂、消泡剂种类可以直接购买普通市售产品或者采用本领域常规技术配方即可，如，所述乳化剂可以为烷基酚聚氧乙烯醚类、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪胺聚氧乙烯醚、脂肪酸环氧乙烷加成物、多元醇脂肪酸酯及其环氧乙烷加成物等中的一种或多种的混合物。所述消泡剂可以为聚醚类、聚硅氧烷类、聚醚改性有机硅类、疏水固体颗粒类等中的一种或多种的混合物。一般来讲，研磨液中，各组分的重量百分比为：磨料0.1-60wt%、消泡剂0.001-0.1wt%、乳化剂0.01-10wt%，高粘度助剂0.001-10wt%，活化剂添加量为高粘度助剂重量的0.01-10wt%，余量为溶剂。所述乳化剂、消泡剂的选择并不是本申请的创新之所在，故在不脱离本发明精神和范围内对乳化剂、消泡剂等种类的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

本发明还提供了一种在下述实施例所述高粘度研磨液稳定化生产工艺中使用的匀化装置，如图3所示，其包括中心搅拌杆1、位于上层的椎体固定件和位于下层的平面固定件；

所述椎体固定件包括第一水平环2和数量不少于三个的连接杆3，连接杆3左向上倾斜设置，连接杆3的顶端连接中心搅拌杆，连接杆3的底端连接第一水平环2；本实例中连接件3共设置四个且沿周向均匀分布；

所述平面固定件包括第二水平环4和两个加固杆5，所述加固杆5穿过第二水平环4的圆心且垂直交叉设置；

所述中心搅拌杆1穿过第二水平环4和第一水平环2的圆心，且中心搅拌杆1的顶端伸出第一水平环2外；

所述椎体固定件和平面固定件之间由内至外设置2圈层的搅拌组件，每一圈层的搅拌组件包括数量不少于三个且沿竖直方向延伸的辅助搅拌杆（本实例中，每圈层的辅助搅拌杆共设置四个且沿周向均匀分布，外圈层的四个辅助搅拌杆61和内圈层的四个辅助搅拌杆62），辅助搅拌杆的顶端与连接杆3连接，辅助搅拌杆的底端与加固杆5连接。所述中心搅拌杆1的底端与加固杆5的交叉点连接。所述第一水平环2和第二水平环4同轴设置且大小相同。

实施例1

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，其主要包括如下步骤：

S1. 高粘度助剂预处理：将高粘度助剂卡波姆941与水按3：97的质量比混合，静置浸泡溶胀48h，然后在转速1000rpm下搅拌2h充分溶解，再加入占卡波姆941重量1%的三乙醇胺活化官能团，最后使用真空脱泡搅拌机在1500rpm转速条件下进行真空脱泡5min，得高粘度助剂溶液；

S2. 将200g溶剂水与5g粒度1.5μm的金刚石磨料加入生产容器中，超声分散30min，形成分散液；

S3. 将分散液转入匀化装置中，依次加入1g TX10乳化剂和0.25g DF689型消泡剂等低粘度功能助剂，并补足剩余溶剂至体系为475g，使用本发明所述匀化装置匀化10min；

S4. 加入S1预处理后的高粘度助剂溶液25g，转速7-10rpm匀化10min，即得。

实施例2

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，其主要包括如下步骤：

S1. 高粘度助剂预处理：将高粘度助剂卡波姆941与水按3：97的质量比混合，静置浸泡溶胀48h，然后在转速1000rpm下搅拌2h充分溶解，再加入占卡波姆941重量1%的三乙醇胺活化官能团，最后使用真空脱泡搅拌机在1500rpm转速条件下进行真空脱泡5min，得高粘度助剂溶液；

S2. 将200g溶剂水与5g粒度10μm的金刚石磨料加入生产容器中，超声分散10min，形成分散液；

S3. 将分散液转入匀化装置中，依次加入1g TX10乳化剂和0.25g DF689型消泡剂等低粘度功能助剂，并补足剩余溶剂至体系为475g，使用本发明所述匀化装置匀化5min；

S4. 加入S1预处理后的高粘度助剂溶液25g，转速7-10rpm匀化5min，即得。

对比例1

一种研磨液生产工艺，其主要包括如下步骤：

S1. 将200g水与5g粒度1.5μm的金刚石磨料加入生产容器中，500W条件下超声分散30min，形成分散液；

S2. 依次加入0.75g卡波姆941、1g TX10乳化剂和0.25g聚醚消泡剂等功能助剂，并补足剩余溶剂至体系为500g，匀化30min（匀化采用本领域常规的叶片式匀化装置）。

常规的叶片式匀化剪切力强，会造成大分子断链；且此处还有超声匀化，超声也有强剪切作用，因此，常规工艺的粘度更不可控。此处也是对比的本发明的要点，一是分散匀化分离，分散用超声工艺，匀化去除超声且用本发明的匀化装置，整体管控强剪切力。

使用本发明的匀化装置，可以提高匀化效率，因其设置有多层搅拌，可以更好更快速地实现各点位的匀化。常规叶片式虽然剪切力强，但叶片主要在中心点，其余位置要靠漩涡带动，匀化效果会打折扣，甚至局部可能匀化不均匀。

对比例2

一种研磨液生产工艺，其主要包括如下步骤：

S1. 将200g水与5g粒度10μm的金刚石磨料加入生产容器中，500W条件下超声分散10min，形成分散液；

S2. 依次加入0.75g卡波姆941、1g TX10乳化剂和0.25g聚醚消泡剂等功能助剂，并补足剩余溶剂至体系为500g，匀化20min（匀化采用本领域常规的叶片式匀化装置）。

对比例1的磨料粒度1.5um，对比例2的磨料粒度10um，粒度越细越难分散和匀化，所需分散和匀化的时间就越长。

实施例3

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，该实施例参照实施例1，不同之处在于：步骤S1中将高粘度助剂卡波姆941替换为羧甲基纤维素。

实施例4

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，该实施例参照实施例1，不同之处在于：步骤S1中将高粘度助剂卡波姆941替换为聚氧乙烯醇。

实施例5

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，该实施例参照实施例1，不同之处在于：步骤S1中将高粘度助剂卡波姆941替换为羧甲基纤维素，磨料更换为氧化铝。

实施例6

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，该实施例参照实施例1，不同之处在于：步骤S1中将高粘度助剂卡波姆941替换为膨润土，磨料更换为碳化硅。

实施例7

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，该实施例参照实施例1，不同之处在于：步骤S1中将高粘度助剂卡波姆941替换为膨润土，活化剂更换为乙醇。

实施例8

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，该实施例参照实施例1，不同之处在于：步骤S3中将高粘度助剂卡波姆941替换为羧甲基纤维，活化剂更换为氢氧化钠。

实施例9

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，该实施例参照实施例1，不同之处在于：步骤S3中将TX10乳化剂替换为OP10，消泡剂更换为聚醚。

实施例10

一种高粘度研磨液稳定化生产工艺，该实施例参照实施例1，不同之处在于：步骤S3中将TX10乳化剂替换为TW20，消泡剂更换为聚硅氧烷。

性能测定

以下通过对实施例1、2以及对比例1、2制备所得研磨液的测定，来对比两者的性能指标差异。

按≥1%的比例抽取样品，不足1%的按1个样品计算，使用Brookfield LVDV-I型旋转粘度计，22℃检测研磨液样品的粘度。粘度检测结果如图4所示。

由图4可知：对比例1、2常规工艺条件生产的1.5μm研磨液粘度值范围为750-1050cp（批次间差异33%），10μm研磨液粘度值范围为1650-3000cp（批次间差异58%）；而采用本发明工艺条件生产的1.5μm研磨液粘度值范围为850-950cp（批次间差异11%），10μm研磨液粘度值范围为2600-2900cp（批次间差异11%）。换言之，1.5μm研磨液粘度波动范围由300cp降低至100cp，10μm研磨液粘度波动范围由1350cp降低至300cp，可分别管控67%和78%粘度降低空间。

图5 给出了常规工艺产品与本发明工艺产品的粘度稳定性对比图。由图5可知：随着放置时间的延长，常规工艺条件生产的1.5μm研磨液粘度由在1055cp降低至545cp（90天内），10μm研磨液粘度值范围为2265cp降低至1340cp（105天内）；而本发明工艺条件生产的1.5μm研磨液粘度由1100cp降低至980cp，10μm研磨液粘度由2285cp降低至2150cp。换言之，1.5μm研磨液粘度降幅由510cp降低至120cp，10μm研磨液粘度波动范围由925cp降低至135cp，可分别管控76%和85%的粘度波动。

此外，本发明还测定了实施例3至12生产所得研磨液批次间的粘度差异以及长时间放置时的粘度波动，其测试结果与实施例2相当。

综上，采用本发明高粘度研磨液稳定化生产工艺及匀化装置，可有效降低批次间的粘度差异，以及长时间放置时的粘度波动。

本发明产品并不局限于以上示例体系，凡是粘度≥100cp的研磨液体系，使用本申请工艺和装置的，均在本发明的保护范围内。