超大规模集成电路专用纳米硅溶胶的稳定方法技术

本发明专利技术公开了一种超大规模集成电路专用纳米硅溶胶的稳定方法，旨在提供一种生产工艺简单，稳定性高的高浓度酸性硅溶胶的制备方法。首先采用阳－阴－阳三次离子交换纯化硅溶胶，之后，将交换后的硅溶胶中加入聚醚型非离子表面活性剂，硅溶胶与活性剂的体积比为１０００∶１－１０００∶１０；再在配制好的硅溶胶溶液中加入酸调整ｐＨ值即可。本发明专利技术的方法既纯化了硅溶胶，又保障了硅溶胶在酸性条件下的稳定性，简化了生产工艺，提高了生产效率。采用本发明专利技术的方法设备成本低、生产时间短、能耗低。

【技术实现步骤摘要】
超大规模集成电路专用纳米硅溶胶的稳定方法
本专利技术属于纳米磨料，尤其是涉及一种用于微电子加工领域CMP专用研磨抛光的高浓度硅溶胶稳定性改善方法。
技术介绍
目前，酸性硅溶胶被广泛应用于砷化镓的精抛以及化学工业中的催化剂载体，并且其应用领域逐渐扩大。因此，酸性硅溶胶的研究也为众人所关注。由于酸性硅溶胶处于亚稳状态，在放置过程中会逐渐发生凝胶，尤其是高浓度的酸性硅溶胶的凝胶趋势更为明显，在储存较高浓度的硅溶胶过程中，往往由于储存条件控制不当使得硅溶胶易产生凝胶，而酸性硅溶胶磨料的稳定性与抛光液的稳定性息息相关，磨料稳定性差，抛光液的稳定性也就随之下降，影响抛光质量，达不到抛光液的要求，另外，随着生产的扩大，抛光液不能即配即用，规模较大的厂家可能需要库存，以防抛光液的即时供应量不足，影响产量。如酸性硅溶胶磨料稳定性差，则库存的抛光液不能存放太久，甚至根本不敢存放，影响了生产效率。即使当时不凝胶，其储存期也极短，这一稳定性问题已经成为制约国内企业生产高浓度酸性硅溶胶的主要因素。因此，探讨提高酸性硅溶胶的稳定性非常必要。很多科研工作者对酸性硅溶胶的制备及其稳定性影响因素进行了研究，例如：李巧玲和芦贻春分别考察了酸碱度对二氧化硅溶胶稳定性的影响；李伟等人研究了乙醇和水用量对溶胶凝胶时间的影响；许念强等人研究了二氧化硅粒径(粒径最大为25nm)对酸性硅溶胶的影响，认为提高粒径会增加稳定性，在一定程度上获得了酸性硅溶胶产品，但所制备的酸性硅溶胶大都浓度偏低、粒径较小。上述各种研究只是为制得稳定的酸性硅溶胶指出了一定的方向，但具体的制备高稳定性的酸性硅溶胶方法却没有被提出，一些国际性大公司的浓度大于30wt％的酸性硅溶胶也经常在放置一个月后凝胶，造成巨大损失。因此，制备出高浓度、高稳定性的微电子专用酸性硅溶胶研磨料是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术是为了解决公知高浓度酸性硅溶胶稳定性差的问题，而公开一种-->生产工艺简单，稳定性高的高浓度酸性硅溶胶的制备方法。本专利技术通过下述技术方案实现：一种超大规模集成电路专用纳米硅溶胶的稳定方法，其特征在于包括以下步骤：(1)首先将3％-10％的盐酸溶液注入阳离子交换树脂进行搅拌，使阳离子交换树脂再生完全，其中盐酸：湿阳离子交换树脂为1.4-1.8毫克当量/毫升，静置分层后将上层溶液去除，再用去离子水冲洗剩余的阳离子交换树脂至其pH值在2-4范围内，得酸性阳离子交换树脂；(2)然后将金属离子含量高于100ppm的碱性硅溶胶在连续搅拌的情况下加入到上述步骤(1)中制得的酸性阳离子交换树脂中，其中，碱性硅溶胶与酸性阳离子交换树脂的物质的量的比为1∶2-1∶5，在搅拌的情况下交换10-60min，同时测定交换溶液的Zeta电位，使其绝对值在30mv-60mv后停止搅拌，静置分层后出料得显酸性的硅溶胶；(3)将3％-10％的氢氧化钠溶液注入阴离子交换树脂中进行搅拌，使阴离子交换树脂再生完全，其中氢氧化钠：湿阴离子交换树脂为1.2-1.6毫克当量/毫升，静置分层后将上层溶液去除，用去离子水冲洗剩余的阴离子交换树脂至其pH值在9-10之间，得到碱性阴离子交换树脂；(4)然后将上述步骤(2)中制得的酸性硅溶胶加入到上述步骤(3)中制得的碱性阴离子交换树脂中，其中，酸性硅溶胶与碱性阴离子交换树脂的物质的量的比为1∶2-1∶5，在搅拌的情况下交换10-60min，同时测定交换溶液的Zeta电位，使其绝对值在30mv-60mv后停止搅拌，静置分层后出料得到显碱性的硅溶胶；(5)再将步骤(4)中制得的交换后的碱性硅溶胶在搅拌的情况下加入到步骤(1)中制得的酸性阳离子交换树脂中，其中，碱性硅溶胶与酸性阳离子交换树脂的物质的量的比为1∶2-1∶5，在搅拌的情况下交换10-60min，同时测定交换溶液的Zeta电位，使其绝对值在30mv-60mv后停止搅拌，静置分层后出料，得到金属离子达到ppb级的显酸性的硅溶胶；(6)将步骤(5)中交换后的硅溶胶中加入聚醚型非离子表面活性剂，其中，硅溶胶与活性剂的体积比为1000∶1-1000∶10；(7)再在配制好的硅溶胶溶液中加入酸调整pH值，便得到纯度高、稳-->定性好的高浓度酸性硅溶胶。在调整pH值时，可以根据硅溶胶与酸的体积比为1000∶1-1000∶15确定所用酸的体积，之后再根据pH值的要求选择酸的浓度即可。所用的阳离子交换树脂为强酸性阳离子交换树脂，所用的阴离子交换树脂为强碱性阴离子交换树脂。所用的活性剂为能与水以任何比例互溶、能在水中充分分散、吸附力强的、能有效降低硅溶胶胶粒间的引力位能的、分子量为100-300的聚醚型非离子型表面活性剂。所用的酸为既具有调节pH值功能是吸附型又是螯合型的酸。酸性硅溶胶的浓度为30-42％，粒径范围为20nm-60nm。本专利技术的作用原理如下：1.本专利技术根据离子交换树脂的交换机理以及硅溶胶本身的双电子层结构，运用阳-阴-阳离子交换树脂交替交换的方法，以降低硅溶胶产品中金属离子的含量，提高晶片质量。本方法获得的硅溶胶金属离子含量可以达到ppb级，能够满足超大规模集成电路加工工艺CMP对研磨料的纯度要求，使生产的芯片工作可靠性高，器件的使用寿命长。硅溶胶的胶团结构及其示意图如附图1所示，硅溶胶的双电层结构如附图2所示，硅溶胶的胶团是由一个无定形的mSiO2为核心，表面吸附了硅酸及硅酸负离子(H2SiO4、H3SiO4-)，反离子的一部分zNa+吸附在紧密层内，另一部分(y-z)Na+分布在扩散层内，构成双电层结构。电荷y称作总电位，电荷(y-z)称作电动电位或称Zeta电位、ζ电位。由于存在溶剂化作用，胶粒周围的离子都以溶剂化形式存在，以致形成一层高粘度水化膜，其厚度和扩散双电层的厚度相当。采用阳离子交换初期，胶团外水相中的金属离子为游离状态的自由离子，而且胶团扩散层外围的金属离子与胶粒之间的静电力很弱，极易被吸附力较强的物质所捕获，故强酸性阳离子交换树脂能迅速吸附并交换这两部分的金属离子，并同时释放等电荷的H+，进而中和水相中全部的OH-，由于H+的量远大于OH-，大量过剩的H+使溶液的pH值迅速越过中性区进入酸性区，从而使交换后硅溶胶呈酸性，金属离子含量降低，Zeta电位绝对值增大。硅溶胶进行阳离子交换后，硅溶胶扩散层外围的Na+及其它金属阳离子-->已经被除去，剩余的Na+和其它金属阳离子主要存在于扩散层内围及紧密层中，此范围内离子受胶核吸引作用强烈，而且胶粒表面附有一层较高粘度的水化膜，这层水化膜减缓了H+扩散进入紧密层内替换Na+和其它金属阳离子的速度。H+缓慢进入紧密层，使胶粒表面的pH值变化缓慢，硅溶胶中大量Na+和其它金属阳离子被H+所取代，H+的水化能力比Na+等强，这些H+导致胶粒周围的水化膜增厚，严重阻碍了Na+和H+相互置换的速度。故必须采用阴离子交换树脂来进行交换，阴离子交换树脂交换水相中游离的阴离子(Cl-、硅酸负离子)，释放出OH-并与水相原有的H+中和生成水，使pH值逐渐上升，使交换后的硅溶胶呈碱性，离子交换平衡后，水相中主要存在未被中和的H+，溶液中电解质浓度大大下降。而胶体的双电层厚度与电解质的浓度呈反比，因此阴离子树脂交换后，胶体的双电层厚度变为原来的数十倍，大量构成双本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超大规模集成电路专用纳米硅溶胶的稳定方法，其特征在于包括以下步骤：（１）首先将３％－１０％的盐酸溶液注入阳离子交换树脂进行搅拌，使阳离子交换树脂再生完全，其中盐酸∶湿阳离子交换树脂为１．４－１．８毫克当量／毫升，静置分层后将上层 溶液去除，再用去离子水冲洗剩余的阳离子交换树脂至其ｐＨ值在２－４范围内，得酸性阳离子交换树脂；（２）然后将金属离子含量高于１００ｐｐｍ的碱性硅溶胶在连续搅拌的情况下加入到上述步骤（１）中制得的酸性阳离子交换树脂中，其中，碱性硅溶胶与 酸性阳离子交换树脂的物质的量的比为１∶２－１∶５，在搅拌的情况下交换１０－６０ｍｉｎ，同时测定交换溶液的Ｚｅｔａ电位，使其绝对值在３０ｍｖ－６０ｍｖ后停止搅拌，静置分层后出料得显酸性的硅溶胶；（３）将３％－１０％的氢氧化钠溶液注入阴 离子交换树脂中进行搅拌，使阴离子交换树脂再生完全，其中氢氧化钠∶湿阴离子交换树脂为１．２－１．６毫克当量／毫升，静置分层后将上层溶液去除，用去离子水冲洗剩余的阴离子交换树脂至其ｐＨ值在９－１０之间，得到碱性阴离子交换树脂；（４）然后 将上述步骤（２）中制得的酸性硅溶胶加入到上述步骤（３）中制得的碱性阴离子交换树脂中，其中，酸性硅溶胶与碱性阴离子交换树脂的物质的量的比为１∶２－１∶５，在搅拌的情况下交换１０－６０ｍｉｎ，同时测定交换溶液的Ｚｅｔａ电位，使其绝对值在３０ｍｖ－６０ｍｖ后停止搅拌，静置分层后出料得到显碱性的硅溶胶；（５）再将步骤（４）中制得的交换后的碱性硅溶胶在搅拌的情况下加入到步骤（１）中制得的酸性阳离子交换树脂中，其中，碱性硅溶胶与酸性阳离子交换树脂的物质的量的比为１∶２－１∶５，在 搅拌的情况下交换１０－６０ｍｉｎ，同时测定交换溶液的Ｚｅｔａ电位，使其绝对值在３０ｍｖ－６０ｍｖ后停止搅拌，静置分层后出料，得到金属离子达到ｐｐｂ级的显酸性的硅溶胶；（６）将步骤（５）中交换后的硅溶胶中加入聚醚型非离子表面活性剂，其 中，硅溶胶与活性剂的体积比为１０００∶１－１０００∶１０；（７）再在配制好的硅溶胶溶液中加入酸调整ｐＨ值，便得到纯度高、稳定性好的高浓度酸性硅溶胶。...

【技术特征摘要】
1、一种超大规模集成电路专用纳米硅溶胶的稳定方法，其特征在于包括以下步骤：(1)首先将3％-10％的盐酸溶液注入阳离子交换树脂进行搅拌，使阳离子交换树脂再生完全，其中盐酸：湿阳离子交换树脂为1.4-1.8毫克当量/毫升，静置分层后将上层溶液去除，再用去离子水冲洗剩余的阳离子交换树脂至其pH值在2-4范围内，得酸性阳离子交换树脂；(2)然后将金属离子含量高于100ppm的碱性硅溶胶在连续搅拌的情况下加入到上述步骤(1)中制得的酸性阳离子交换树脂中，其中，碱性硅溶胶与酸性阳离子交换树脂的物质的量的比为1∶2-1∶5，在搅拌的情况下交换10-60min，同时测定交换溶液的Zeta电位，使其绝对值在30mv-60mv后停止搅拌，静置分层后出料得显酸性的硅溶胶；(3)将3％-10％的氢氧化钠溶液注入阴离子交换树脂中进行搅拌，使阴离子交换树脂再生完全，其中氢氧化钠：湿阴离子交换树脂为1.2-1.6毫克当量/毫升，静置分层后将上层溶液去除，用去离子水冲洗剩余的阴离子交换树脂至其pH值在9-10之间，得到碱性阴离子交换树脂；(4)然后将上述步骤(2)中制得的酸性硅溶胶加入到上述步骤(3)中制得的碱性阴离子交换树脂中，其中，酸性硅溶胶与碱性阴离子交换树脂的物质的量的比为1∶2-1∶5，在搅拌的情况下交换10-60min，同时测定交换溶液的Zeta电位，使其绝对值在30mv-60mv后停止搅拌，静置分层后出料得到显碱性的硅溶胶；(5)再将步骤(4)中制得的交换后的碱性硅溶胶在搅拌的情况下...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉岭，王娟，张西慧，张建新，刘承霖，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]