胶体溶胶及其制备方法技术

胶体溶胶和制备胶体溶胶的方法，所述方法能够控制所得的粒径且更详细地讲，所述方法使用氢氧化钾方法来获得具有单个平均粒径峰的胶体溶胶。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对现有申请的交叉引用该PCT专利申请要求保护在2013年4月17号提交的题目为“ColloidalSolAndMethodOfMakingSame”（“胶体溶胶及其制备方法”）的美国临时专利申请第61/812936号的益处，且要求保护在2014年4月17号提交的题目为“ColloidalSolAndMethodOfMakingSame”（“胶体溶胶及其制备方法”）的美国专利申请第14/255447号的益处，这些申请的全部内容被认为是本申请公开的一部分且通过引用结合到本文中。专利
本专利技术涉及胶体溶胶和制备胶体溶胶的方法，所述方法能够控制所得粒径，且更详细地讲，涉及使用氢氧化钾方法来获得具有单个平均颗粒分布尺寸峰的高纯度胶体溶胶的方法。专利技术背景许多方法可以用于制备胶体溶胶，然而，这些方法中的大多数导致粒径具有多个峰，造成粒径明显差异。当前，对几乎不含杂质的用于各种用途(特别是用于电子行业)的高纯度胶体溶胶存在高需求。胶体溶胶可以用于各种处理，其包括例如用于半导体器件的硅片的晶片的最后抛光，原因是高纯度胶体溶胶不污染硅片。具有小的二氧化硅颗粒的胶体溶胶具有抛光材料的高精度能力，所述抛光材料需要无刮痕和微结构。因此，需要具有总体上一致的单尺寸峰分布的小二氧化硅颗粒的高浓缩胶体溶胶，其中精密地控制二氧化硅颗粒的尺寸。当前制备胶体溶胶的方法生成不同尺寸的颗粒，所述不同尺寸的颗粒提供不同的抛光性能，且大多数胶体溶胶具有至少两个粒径峰分布，如图1中所说明。更详细地讲，具有已知粒径的胶体溶胶是合乎需要的，原因是胶体溶胶的抛光特征可以重复地用于抛光高精度硅片，结果具有一致性。虽然存在许多方法用于生产胶体溶胶，其中大多数具有三个主要问题。如上文所述，第一个问题为大多数胶体溶胶造成多个粒径峰分布，即当对强度与尺寸的函数关系作图时，如图1中所说明，粒径包括至少两个峰，使得出现通常至少两个大的粒径峰。还有，如图1中所说明，当前大多数方法形成一个较大颗粒的峰和一个较小颗粒的峰，其中一个峰大于另一个峰。虽然这些双峰粒径组合物可以重复制备，这使得在抛光中具有一定程度的一致性，然而它们在用于抛光中并不象单峰粒径组合物一样合乎需要。对于当前的二氧化硅溶胶，即使获得单峰尺寸分布，批次间的尺寸分布峰的中心点仍不同，当前二氧化硅溶胶最好能够获得±10nm的尺寸，其对于50-70nm颗粒(常见尺寸)为高至20%的尺寸变化，这导致显著不同的性能特征。第二，通常控制颗粒的尺寸以提供所需要的抛光特征；然而，许多用于控制胶体溶胶的粒径的方法使用与半导体器件结合使用时被认为是杂质的成分。因此，这些方法对于用于半导体器件的胶体溶胶并不合乎需要。痕量金属也会引起不合乎需要和易变的抛光特征。第三，大多数胶体溶胶产品具有随时间粒径生长的趋势，其造成不期望的抛光特征。生长速率可以不一致地变化，这取决于储存和运输条件以及从制造以来的时间，这对甚至具有相同组成且有时甚至来自相同批次的均一胶体溶胶的抛光特征造成不一致。因此，必须严格控制从储存到运输到在目标使用设施的储存的所有因素以确保一致的品质，这是很昂贵的。另外，难以大量定购和大量储存以及经一段时间周期使用并取出该储备，原因是颗粒尺寸会随时间生长。而且，在制造胶体溶胶之后控制粒径和降低生长特征的许多努力提高了胶体溶胶的粘度，提高粘度降低了胶体溶胶有效抛光半导体的能力。目前可得到的大多数二氧化硅溶胶确实存在其他问题。许多二氧化硅溶胶包含钠，在电子行业中对于许多用途，钠被认为是不合乎需要的杂质。许多二氧化硅溶胶还需要窄范围的特定储存和运输温度，以便不降低溶胶的品质。当温度降到低于5℃时，当前的溶胶经历品质问题，且应当不允许二氧化硅溶胶冻结。这些温度局限性可能需要加热或冷却的运输，这是困难或昂贵的。考虑到以上问题，本专利技术提供了具有长期稳定性、长期粒径稳定性和低粘度的高纯度、高浓缩胶体溶胶，其使得能够在生产之后长期储存且具有一致的性能特征。本专利技术还提供将粒径控制成主要为单个粒径峰的能力，从而产品对于半导体行业具有优异的抛光性能。附图简述图1图示调节步骤之前的双粒径峰；图2图示调节步骤之后的单粒径峰；和图3为流程图。专利技术概述本专利技术涉及胶体溶胶和制备胶体溶胶的方法，所述方法能够控制所得粒径，且更详细地讲，涉及使用氢氧化钾方法来获得具有单个平均颗粒分布尺寸峰的高纯度胶体溶胶的方法。本专利技术还涉及生产二氧化硅溶胶材料的方法，其具有以下步骤：(1)将二氧化硅源（例如TMOS和TEOS中的至少一种）水解以形成二氧化硅溶胶；(2)蒸馏二氧化硅溶胶以除去甲醇、乙醇和水中的至少一种；和通过将二氧化硅溶胶的pH从碱性调节到酸性再回到碱性来调节粒径以形成单尺寸分布峰。二氧化硅溶胶在KOH溶液中。水解步骤在至少9.0、通常约9.0-11、优选9.5-10.5、更优选9.6-10.4且更优选约10.0的pH下进行，且下文所说明的大多数实施例在10.0下进行。调节pH的步骤将pH降到小于7.0或将pH从碱性降到酸性，通常降到6.0-7.0，优选6.2-6.9，更优选6.4-6.8或约6.6且在所说明的实施例中降到6.6。随后提高二氧化硅溶胶的pH从酸性回到碱性，通常回到与之前一样的pH，例如回到至少9.0，通常约9.0-11，优选9.5-10.5，更优选9.6-10.4，且更优选约10.0，且大多数下文所说明的实施例在10.0下进行。将pH调节到酸性的步骤一般用酸来进行，优选有机酸且如实施例中所说明用柠檬酸。为了容易加入，酸与之后加入的碱的浓度类似，例如加入10%酸直到二氧化硅溶胶为酸性且随后使用10%KOH溶液并加到溶液直到二氧化硅溶胶为碱性。水解步骤包括加入KOH且通过将二氧化硅溶胶的pH从碱性调节到酸性再回到碱性来调节粒径以形成单尺寸分布峰的步骤包括以下步骤：加入柠檬酸以将二氧化硅溶胶转变成酸性和随后加入KOH以将二氧化硅溶胶转变成碱性。将二氧化硅源（例如TMOS和TEOS中的至少一种）水解以形成二氧化硅溶胶的步骤还包括以下步骤：(1)将水加到反应器；(2)将四甲基氢氧化铵加到反应器；(3)将KOH加到反应器；(4)将水、四甲基氢氧化铵和KOH混合；和(5)经特定的时间周期（例如至少170分钟，优选175-185且更优选约180分钟）将TEOS和TMOS中的至少一种加到反应器，且保持反应器在通常高于溶剂或生成的醇(例如生成的乙醇)的沸点至少2度、通常至多10度、优选至多5度的回流状态下。如果使用TEOS或乙醇本文档来自技高网...

【技术保护点】
生产二氧化硅溶胶材料的方法，所述方法包括以下步骤：在KOH溶液中、在至少9.0的pH下将二氧化硅源水解以形成二氧化硅溶胶，其中所述二氧化硅源为原硅酸四烷基酯；蒸馏二氧化硅溶胶；和通过将二氧化硅溶胶的pH从碱性调节到酸性再回到碱性来调节粒径以形成单尺寸分布峰。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.04.17 US 61/8129361.生产二氧化硅溶胶材料的方法，所述方法包括以下步骤：
在KOH溶液中、在至少9.0的pH下将二氧化硅源水解以形成二氧化硅溶胶，其中所述二
氧化硅源为原硅酸四烷基酯；
蒸馏二氧化硅溶胶；和
通过将二氧化硅溶胶的pH从碱性调节到酸性再回到碱性来调节粒径以形成单尺寸分
布峰。
2.权利要求1的方法，其中所述水解步骤在约9.0-11的pH下进行且其中所述调节步骤
将pH降到约6.0-7.0且随后将pH提高到约9.0-11.0。
3.权利要求1的方法，其中所述水解步骤在约9.5-10.5的pH下进行且其中所述调节步
骤将pH降到约6.6且随后将pH提高到约9.5-10.5。
4.权利要求1的方法，其中所述原硅酸四烷基酯选自原硅酸四丙基酯(TPOS)、原硅酸四
异丙基酯(TiPOS)、原硅酸四丁基酯(TBOS)、原硅酸四乙基酯(TEOS)和原硅酸四甲基酯
(TMOS)。
5.权利要求1的方法，其中通过调节二氧化硅溶胶的pH来调节粒径的所述步骤包括将
有机酸加到二氧化硅溶胶。
6.权利要求5的方法，其中通过调节二氧化硅溶胶的pH来调节粒径的所述步骤包括将
有机酸加到二氧化硅溶胶，且其中所述有机酸选自琥珀酸、酒石酸、邻苯二甲酸、乙酸、柠檬
酸和马来酸。
7.权利要求1的方法，其中在KOH溶液中将二氧化硅源水解以形成二氧化硅溶胶的所述
步骤还包括以下步骤：
将水加到反应器；
将所述溶剂加到反应器；
将四甲基氢氧化铵加到反应器；
将KOH加到反应器；
将水、所述溶剂、四甲基氢氧化铵和KOH混合；和
在将四甲基氢氧化铵加到反应器的所述步骤之后，经60-300分钟将所述二氧化硅源加
到反应器并保持反应器在所述溶剂的回流状态中。
8.权利要求1、4、5和6的方法，其还包括在KOH溶液中将二氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·瓦恩舒伊思，G·哈格，P·劳，K·赫施，
申请(专利权)人：硅键企业，
类型：发明
国别省市：美国;US