Le développement rapide des technologies de l'information et de l'optoélectronique a favorisé la modernisation constante des procédés de polissage chimico-mécanique (CMP). Outre les équipements et les matériaux, l'obtention de surfaces ultra-précises repose de plus en plus sur la conception et la production industrielle de particules abrasives à haut rendement, ainsi que sur la préparation de la suspension de polissage correspondante. Avec l'amélioration continue des exigences en matière de précision et d'efficacité du traitement de surface, les exigences relatives aux matériaux de polissage à haut rendement sont également de plus en plus élevées. Le dioxyde de cérium est largement utilisé pour l'usinage de précision des surfaces de dispositifs microélectroniques et de composants optiques de précision.
La poudre de polissage à l'oxyde de cérium (VK-Ce01) présente les avantages suivants : forte capacité de coupe, efficacité de polissage élevée, précision de polissage élevée, bonne qualité de polissage, environnement de fonctionnement propre, faible pollution, longue durée de vie, etc. Elle est largement utilisée dans le polissage optique de précision et le CMP, etc., et occupe une place extrêmement importante dans ce domaine.
Propriétés fondamentales de l'oxyde de cérium :
L'oxyde de cérium (CeO₂) est un oxyde de cérium. Le cérium y est à l'état d'oxydation +4. Le produit pur se présente sous forme de poudre blanche dense ou de cristaux cubiques, tandis que le produit impur est une poudre jaune clair, voire rose à brun rougeâtre (en raison de traces de lanthane, de praséodyme, etc.). À température et pression ambiantes, l'oxyde de cérium est stable. Le cérium peut également former Ce₂O₃ (état d'oxydation +3), une forme instable qui se combine avec O₂ pour former CeO₂ (état d'oxydation stable). L'oxyde de cérium est légèrement soluble dans l'eau, les bases et les acides. Sa densité est de 7,132 g/cm³, son point de fusion de 2 600 °C et son point d'ébullition de 3 500 °C.
Mécanisme de polissage de l'oxyde de cérium
La dureté des particules de CeO₂ est relativement faible. Comme le montre le tableau ci-dessous, la dureté de l'oxyde de cérium est bien inférieure à celle du diamant et de l'oxyde d'aluminium, et également inférieure à celle de l'oxyde de zirconium et de l'oxyde de silicium, équivalente à celle de l'oxyde ferrique. De ce fait, d'un point de vue purement mécanique, le dépolissage de matériaux à base d'oxyde de silicium, tels que le verre silicate ou le verre de quartz, avec de la cérine de faible dureté n'est pas envisageable. Cependant, l'oxyde de cérium est actuellement la poudre de polissage de choix pour les matériaux à base d'oxyde de silicium, voire même pour les matériaux à base de nitrure de silicium. On constate ainsi que le polissage à l'oxyde de cérium présente d'autres avantages que ses seuls effets mécaniques. La dureté du diamant, matériau de meulage et de polissage couramment utilisé, est généralement due à la présence de lacunes d'oxygène dans le réseau cristallin du CeO₂, ce qui modifie ses propriétés physico-chimiques et influe sur ses propriétés de polissage. Les poudres de polissage à base d'oxyde de cérium couramment utilisées contiennent également une certaine quantité d'autres oxydes de terres rares. L'oxyde de praséodyme (Pr₆O₁₁) possède une structure cristalline cubique à faces centrées, ce qui le rend adapté au polissage, contrairement à d'autres oxydes de terres rares lanthanides. Sans modifier la structure cristalline du CeO₂, il peut former une solution solide avec celui-ci dans une certaine limite. Pour la poudre de polissage d'oxyde de cérium nanométrique de haute pureté (VK-Ce01), plus la pureté de l'oxyde de cérium (VK-Ce01) est élevée, plus le pouvoir polissant et la durée de vie sont importants, notamment pour les lentilles optiques en verre dur et en quartz. Lors de polissages cycliques, il est conseillé d'utiliser une poudre de polissage d'oxyde de cérium de haute pureté (VK-Ce01).
Application de la poudre de polissage à l'oxyde de cérium :
La poudre de polissage à l'oxyde de cérium (VK-Ce01), principalement utilisée pour le polissage des produits en verre, est principalement utilisée dans les domaines suivants :
1. Lunettes, polissage des lentilles en verre ;
2. Lentille optique, verre optique, lentille, etc. ;
3. Verre d'écran de téléphone portable, surface de montre (porte de montre), etc. ;
4. Moniteur LCD : tous types d'écrans LCD ;
5. Strass, diamants scintillants (cartes, diamants sur jeans), boules lumineuses (lustres luxueux dans le grand hall) ;
6. Artisanat en cristal ;
7. Polissage partiel du jade
Les dérivés actuels du polissage à l'oxyde de cérium :
La surface de l'oxyde de cérium est dopée à l'aluminium afin d'améliorer significativement son polissage du verre optique.
Le département Recherche et Développement Technologique d'UrbanMines Tech. Limited a proposé que la formulation et la modification de surface des particules de polissage constituent les principales méthodes et approches pour améliorer l'efficacité et la précision du polissage chimico-mécanique (CMP). En effet, les propriétés des particules peuvent être ajustées par la formulation de plusieurs éléments, et la stabilité de dispersion ainsi que l'efficacité de polissage de la suspension de polissage peuvent être améliorées par modification de surface. La préparation et les performances de polissage de la poudre de CeO₂ dopée au TiO₂ permettent d'améliorer l'efficacité de polissage de plus de 50 %, tout en réduisant les défauts de surface de 80 %. L'effet de polissage synergique des oxydes composites CeO₂-ZrO₂ et SiO₂-2CeO₂ confère à la technologie de préparation des oxydes composites micro-nano de cérium dopés une grande importance pour le développement de nouveaux matériaux de polissage et l'étude du mécanisme de polissage. Outre la quantité de dopant, l'état et la distribution du dopant dans les particules synthétisées influencent fortement leurs propriétés de surface et leurs performances de polissage.
Parmi ces méthodes, la synthèse de particules de polissage à structure gainée est particulièrement intéressante. Le choix des méthodes et des conditions de synthèse est donc crucial, notamment pour privilégier les méthodes simples et économiques. À partir de carbonate de cérium hydraté comme matière première principale, des particules de polissage d'oxyde de cérium dopées à l'aluminium ont été synthétisées par voie mécanochimique humide en phase solide. Sous l'effet d'une force mécanique, les grosses particules de carbonate de cérium hydraté sont fragmentées en fines particules, tandis que le nitrate d'aluminium réagit avec l'ammoniaque pour former des particules colloïdales amorphes. Ces particules colloïdales adhèrent facilement aux particules de carbonate de cérium, et après séchage et calcination, un dopage à l'aluminium est réalisé à la surface de l'oxyde de cérium. Cette méthode a permis de synthétiser des particules d'oxyde de cérium présentant différents taux de dopage à l'aluminium, et leurs performances de polissage ont été caractérisées. L'ajout d'une quantité appropriée d'aluminium à la surface des particules d'oxyde de cérium augmente la valeur négative du potentiel de surface, ce qui favorise l'espacement entre les particules abrasives. La répulsion électrostatique accrue favorise la stabilité de la suspension abrasive. Parallèlement, l'adsorption mutuelle entre les particules abrasives et la couche molle chargée positivement, via l'attraction coulombienne, est également renforcée, ce qui améliore le contact entre l'abrasif et la couche molle à la surface du verre poli et, par conséquent, la vitesse de polissage.