化学机械抛光304不锈钢用抛光液成分研究

刘振辉， 陈绍坤， 彭亚男， 李洁静， 苏建修

(1. 河南科技学院 机电学院， 河南 新乡 453003)(2. 驻马店技师学院 机械工程系， 河南 驻马店 463000)

随着科技的快速发展，柔性显示器已成为研究热点。传统显示器质量较重、不可弯曲及储存量小，而柔性显示将打破这些局限，使其具有质量轻、可挠曲、储存量大、超薄等优良特性[1-2]，可广泛应用于工业、民用及军事行业[3-6]。柔性显示器衬底要求表面粗糙度Ra必须小于5 nm，波纹度必须小于0.1 μm。不锈钢材料由于成本低廉、性能较好，未来将是柔性大尺寸显示器衬底的主要材料，但其性能同样受表面加工质量和精度的影响[7-9]。

国内外很多学者对于不锈钢表面的抛光进行了大量且深入的研究。现有的抛光方法中，化学抛光、机械抛光、电化学抛光后的表面粗糙度往往达不到要求，而且表面损伤层较深；不锈钢电化学机械抛光的加工装置比较复杂，且受电流流动特性的影响，表面质量也很难达到要求[10-11]。因此，现在多采用化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)技术，它可以满足对材料表面粗糙度和表面平整度的要求，已经成为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，可超精密加工大尺寸超薄不锈钢柔性衬底表面，满足超光滑无损伤的加工表面要求[12-13]。

在化学机械抛光中，抛光液是重要组成部分，对抛光效果起关键作用，且其成本占总抛光成本的60%～70%。因此，研究环保高效的化学机械抛光液是化学机械抛光中研究的重点。目前，国内外对化学机械抛光不锈钢方面的研究，集中在温度、压力、转速、时间等抛光工艺参数，抛光液pH值，氧化剂，缓蚀剂等方面来提高抛光速率和表面质量[14-15]。

本研究采用单因素实验研究不同氧化剂在不同pH值下的材料去除率和表面粗糙度，找出最佳的pH值；在此pH值下，研究各氧化剂含量对抛光效果的影响，从而得到抛光液成分的配比，为进一步研究不锈钢化学机械抛光液提供参考。

1 实验条件和方法

实验在22 ℃恒温且无尘超净的实验室内进行，所使用的化学机械抛光机为沈阳麦科ZYP300型，抛光盘直径300 mm。实验中所用的304不锈钢样品为直径60 mm的圆片，将其用键连接固定在直径为115 mm的压块上，压块放在抛光盘上，使样品表面与抛光盘上的抛光垫表面充分接触。

实验前样品的表面粗糙度为0.02～0.03 μm。选用的抛光垫为Rodel IC1000。为保证实验前抛光垫的表面平整度一致，每次实验前都要用金刚石修整器修整15 min。每个实验重复3次，最后取其结果的平均值。实验参数如下：抛光机转速60 r/min，抛光压力13.79 kPa，抛光液流量17 mL/min，抛光时间30 min。

用分辨率为1 nm的TR200表面粗糙度仪测量样品的表面粗糙度；用分辨率为0.1 mg的德国Sartorius CP225D型精密电子天平称量抛光前后样品的质量，计算材料去除率；用徕卡金相显微镜(分辨率为0.1 nm)观察抛光后样品表面的情况。

抛光液的成分包括磨粒、氧化剂、分散剂、缓蚀剂、pH值调节剂等。本实验研究的磨粒选用白刚玉，分散剂选用丙三醇，缓蚀剂选用苯并三氮唑，用草酸和氢氧化钠调节pH值。

为研究氧化剂和pH值对抛光效果的影响，分别以Fe2O3、KMnO4、H2O2、FeCl3为氧化剂，配制4种抛光液并研究各氧化剂在不同pH值条件下的加工效果。每次实验配制500 mL的抛光液，配置过程中用磁力搅拌器进行搅拌；用草酸和氢氧化钠调节pH值。4种不同氧化剂的抛光液成分及配比见表1所示。

表1 抛光液成分

2 实验结果和分析

2.1 抛光液pH值对材料去除率和表面粗糙度的影响

图1为抛光液pH值对材料去除率和表面粗糙度的影响。

(a) 抛光液pH值对材料去除率的影响

(b)抛光液pH值对表面粗糙度的影响

从图1a中可看出：对于Fe2O3型抛光液，随pH值的增大，材料去除率减小，在pH=8时材料去除率最小；pH值继续增大，材料去除率又有所增大。对于KMnO4型抛光液，在pH=2时材料去除率较大；随pH的增大，呈现先减小后增大的趋势，在pH=10之后，又出现减小的趋势。从图1b可看出：对于Fe2O3型抛光液，随pH值的增大，表面粗糙度值逐渐增大；对于KMnO4型抛光液，随pH值的增大，表面粗糙度值先增大后减小。

综合材料去除率和表面粗糙度，Fe2O3型抛光液在pH=2时，有最大的材料去除率和最小的表面粗糙度；KMnO4型抛光液在pH=10时，有最大的材料去除率和较好的表面粗糙度；H2O2和FeCl32种抛光液都是在pH=2时材料去除率最大，表面粗糙度最小。

2.2 氧化剂含量对材料去除率和表面粗糙度的影响

根据前述成果，研究在pH=2时，不同含量的Fe2O3、H2O2和FeCl3，以及在pH=10时，不同含量的KMnO4对不锈钢化学机械抛光效果和速率的影响。不同氧化剂及其不同成分抛光液见表2所示。

表2 不同氧化剂及其不同成分的抛光液

3种氧化剂的质量浓度对材料去除率的影响如图2所示。由图2可以看出：随着氧化剂质量浓度的升高，含Fe2O3和KMnO4的抛光液的材料去除率在一个很小的范围内上下波动，说明这2种抛光液氧化剂的质量浓度对材料去除率的影响较小；含FeCl3抛光液的材料去除率随氧化剂质量浓度的升高而增大，在氧化剂质量浓度为4.0 g/L时，达到最大(209 nm/min)。

图2 3种氧化剂的质量浓度对材料去除率的影响

氧化剂H2O2体积浓度对材料去除率的影响如图3所示。从图3可以看出：随H2O2体积浓度的升高，材料去除率先增大后减小，在H2O2体积浓度为20 mL/L时，达到最大(119 nm/min)。

图3 氧化剂H2O2体积浓度对材料去除率的影响

3种氧化剂的质量浓度对表面粗糙度的影响如图4所示。从图4中可以看出：随着Fe2O3和KMnO4质量浓度的升高，含Fe2O3的抛光液抛光后的表面粗糙度值在7～12 nm间波动，含KMnO4的抛光液抛光后的表面粗糙度值在10～14 nm间波动，变化均很小；随FeCl3质量浓度的升高，含FeCl3抛光液抛光后的表面粗糙度值先增大后减小，在FeCl3质量浓度为4.0 g/L时，达到最小(6 nm)。

图 4 3种氧化剂的质量浓度对表面粗糙度的影响

H2O2体积浓度对表面粗糙度的影响如图5所示。从图5中可看出：随H2O2体积浓度的升高，含H2O2的抛光液抛光后的表面粗糙度值在4～6 nm间波动，在H2O2体积浓度为10 mL/L时，达到最小(4 nm)。

分析实验结果发现：含H2O2和FeCl3抛光液的抛光效果比含Fe2O3和KMnO4的抛光液要好。对于材料去除率来说，含FeCl3氧化剂的抛光液比含H2O2氧化剂的抛光液好；对于表面粗糙度来说，含H2O2氧化剂的抛光液比含FeCl3氧化剂的抛光液好。

图5 H2O2体积浓度对表面粗糙度的影响

3 结论

为提高304不锈钢化学机械抛光的速率和质量，我们研究了氧化剂种类及其质量浓度或体积浓度在不同pH值下对材料去除率和表面粗糙度的影响，得出如下结论：

(1)不同pH值下，各氧化剂的表现并无统一规律。氧化剂Fe2O3、H2O2和FeCl3的最佳pH值为2，KMnO4的最佳pH值为10。

(2)在最佳pH值的基础上，比较了各氧化剂质量浓度或体积浓度对抛光效果的影响。H2O2和FeCl3等2种氧化剂的影响比Fe2O3和KMnO4等2种氧化剂的影响更大。

(3)在pH值为2、使用质量浓度4 g/L的FeCl3时，抛光液的材料去除率最高，为209 nm/min；在pH值为2、使用体积浓度为10 mL/L的H2O2时，表面粗糙度Ra最小，为4 nm。

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