一种水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法技术

本发明专利技术提供一种由水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法，在常规的胶粒制备方法基础上，通过添加非离子型氟碳表面活性剂提高了胶粒表面的结晶活性，再经多次胶粒增长提高了大粒径胶粒的硅酸聚合速度，增大胶粒粒径，通过常压或减压恒液位蒸发或超滤浓缩工艺进行浓缩，制得超大粒径高浓度的硅溶胶，所述硅溶胶具有良好的抛光质量，可以用于超大规模集成电路全局平坦化化学机械抛光(CMP)技术中。

【技术实现步骤摘要】
一种水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法
本专利技术涉及硅溶胶制备
，具体涉及一种水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法。
技术介绍
随着集成电路技术的高度发展，对所用衬底材料的表面质量要求越来越高。为了使精密电子器件表面达到纳米级的平整度要求，目前工业生产中采用化学机械抛光技术(简称CMP抛光)对精密电子器件表面进行加工处理。CMP抛光技术主要是借助无机纳米颗粒的机械磨削和化学腐蚀的共同作用来实现材料表面的平坦化。在CMP抛光过程中，使用的抛光液主要由纳米硅溶胶、助剂、去离子水等组成。硅溶胶作为抛光液的重要组成部分，其纳米颗粒的球形度、大小、粒径分布等都会影响抛光材料表面去除率和表面平整度，从而影响材料表面的抛光质量。硅溶胶是二氧化硅的胶体微粒分散于水中的胶体溶液，是一种十分重要的无机材料。由于硅溶胶中二氧化硅颗粒表面具有大量的羟基，具有较大的反应活性，在化工、精密铸造、纺织、造纸、涂料、食品、电子、选矿等领域应用广泛。当前硅溶胶主要的制备方法是离子交换法，采用水玻璃为原料，水玻璃经阳离子交换树脂处理得到含晶核的母液，再向含晶核母液中滴加稀硅酸溶液，控制晶核生长速度，再经浓缩过程制备出硅溶胶产品；但该法制备的硅溶胶颗粒大多会出现颗粒间界限不清晰，颗粒大小分布不均，而较小粒径的胶粒在抛光时起到的机械作用相当有限，抛光速度低。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法。本专利技术的目的采用以下技术方案来实现：一种水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法，包括以下步骤：S1、晶种母液制备在pH值为8.5-11、加热至沸腾状态下的碱性介质溶液中，加入2-4倍碱性介质溶液体积的活性硅酸溶液，反应过程中溶液的pH值控制在8.5-11范围内，加料完成后保温10-30min，反应后冷却，静置陈化1-24h得到SiO2晶种母液；S2、胶粒生长将晶种母液在常压下加热到沸腾状态，控制温度持续在90-110℃范围，在搅拌状态下持续加入1-2倍晶种母液体积的活性硅酸溶液，反应过程控制溶液pH值在9.50-11.5范围内，加料完成后保温10-30min，得到溶液A；S3、胶粒二次生长在溶液A中滴加体系体积分数0.01％-0.1％的非离子型氟碳表面活性剂intechem-06，在搅拌状态下持续加入1-2倍晶种母液体积的活性硅酸溶液，反应过程控制溶液pH值在9.50-11.5范围内，加料完成后保温10-30min，得到溶液B；S4、胶粒增大以溶液B再次进行S3步骤1-2次，反应完成后保温10-30min，通过常压或减压恒液位蒸发或超滤浓缩工艺控制溶液浓度在20％-50％之间，冷却后静置陈化1-24h，经除杂质工艺纯化，得到所述超大粒径高浓度硅溶胶，粒径在140-160nm。优选的，所述碱性介质为浓度2-10％的氢氧化钠或氢氧化钾溶液；优选的，所述活性硅酸溶液的制备方法为：将稀释后的水玻璃通过阳离子交换树脂进行离子交换，除去钠离子和阳离子杂质，得到所述活性硅酸溶液，其浓度为4％-30％。进一步优选的，所述稀释后的水玻璃浓度为6-10％。进一步优选的，所述阳离子交换树脂为强酸性聚苯乙烯阳离子交换树脂。优选的，所述SiO2晶种母液的浓度为4％-30％。优选的，在S1步骤之后、S2步骤之前，在晶种母液中添加0.2-1％的聚乙二醇6000，再进行高压均质或超声破碎处理。优选的，S4步骤在进行静置陈化时，在体系中加入0.4-1.2％的甲基三甲氧基硅烷。本专利技术的目的之二在于提供一种前述制备方法制得的硅溶胶的用途，用于制作抛光液。本专利技术的有益效果为：本申请在常规胶粒制备方法基础上，通过添加非离子型氟碳表面活性剂提高了胶粒表面的结晶活性，再经多次生长提高了大粒径胶粒的硅酸聚合速度，增大胶粒粒径，再通过常压或减压恒液位蒸发或超滤浓缩工艺进行浓缩，制得超大粒径高浓度的硅溶胶，可以用于超大规模集成电路全局平坦化化学机械抛光(CMP)技术中。具体实施方式结合以下实施例对本专利技术作进一步描述。本专利技术的实施例涉及一种水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法，包括以下步骤：S1、晶种母液制备在pH值为8.5-11、加热至沸腾状态下的碱性介质溶液中，加入2-4倍碱性介质溶液体积的活性硅酸溶液，反应过程中溶液的pH值控制在8.5-11范围内，加料完成后保温10-30min，反应后冷却，静置陈化1-24h得到SiO2晶种母液；S2、胶粒生长将晶种母液在常压下加热到沸腾状态，控制温度持续在90-110℃范围，在搅拌状态下持续加入1-2倍晶种母液体积的活性硅酸溶液，反应过程控制溶液pH值在9.50-11.5范围内，加料完成后保温10-30min，得到溶液A；S3、胶粒二次生长在溶液A中滴加体系体积分数0.01％-0.1％的非离子型氟碳表面活性剂intechem-06，在搅拌状态下持续加入1-2倍晶种母液体积的活性硅酸溶液，反应过程控制溶液pH值在9.50-11.5范围内，加料完成后保温10-30min，得到溶液B；S4、胶粒增大以溶液B再次进行S3步骤1-2次，反应完成后保温10-30min，通过常压或减压恒液位蒸发或超滤浓缩工艺控制溶液浓度在20％-50％之间，冷却后静置陈化1-24h，经除杂质工艺纯化，得到所述超大粒径高浓度硅溶胶，粒径在140-160nm。小粒径的胶粒在抛光时起到的机械作用相当有限，抛光速度低，大粒径硅溶胶可以显著提高各类硅片的抛光表面质量和集合精度；而在硅溶胶常规制备过程中，随着二氧化硅胶粒粒径的增大，硅酸的聚合速度逐渐减小，影响了大粒径二氧化硅胶粒的生长，本申请在常规胶粒制备方法基础上，通过添加非离子型氟碳表面活性剂提高了胶粒表面的结晶活性，再经多次生长提高了大粒径胶粒的硅酸聚合速度，增大胶粒粒径。优选的，所述碱性介质为浓度2-10％的氢氧化钠或氢氧化钾溶液；优选的，所述活性硅酸溶液的制备方法为：将稀释后的水玻璃通过阳离子交换树脂进行离子交换，除去钠离子和阳离子杂质，得到所述活性硅酸溶液，其浓度为4％-30％。所述水玻璃除硅酸钠外，还可以是硅酸钾，以硅酸钾与氢氧化钾为原料，可以制备得到钾型的硅溶胶，由于钾离子的半径较钠离子大，抛光时不容易渗入硅单晶的晶格里，因而在抛光应用上更有优势。进一步优选的，所述稀释后的水玻璃浓度为6-10％。进一步优选的，所述阳离子交换树脂为强酸性聚苯乙烯阳离子交换树脂。优选的，所述SiO2晶种母液的浓度为4％-30％。优选的，在S1步骤之后、S2步骤之前，在晶种母液中添加0.2-1％的聚乙二醇6000，再进行高压均质或超声破碎处理。常规胶粒制备方法，即离子交换法制备得到的二氧化硅胶粒的粒径分布较宽，本申请通过添加非离子型氟碳表面活性剂可以实现大粒径溶胶的制备，但粒径分布并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、晶种母液制备/n在pH值为8.5-11、加热至沸腾状态下的碱性介质溶液中，加入2-4倍碱性介质溶液体积的活性硅酸溶液，反应过程中溶液的pH值控制在8.5-11范围内，加料完成后保温10-30min，反应后冷却，静置陈化1-24h得到SiO

【技术特征摘要】
1.一种水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、晶种母液制备
在pH值为8.5-11、加热至沸腾状态下的碱性介质溶液中，加入2-4倍碱性介质溶液体积的活性硅酸溶液，反应过程中溶液的pH值控制在8.5-11范围内，加料完成后保温10-30min，反应后冷却，静置陈化1-24h得到SiO2晶种母液；
S2、胶粒生长
将晶种母液在常压下加热到沸腾状态，控制温度持续在90-110℃范围，在搅拌状态下持续加入1-2倍晶种母液体积的活性硅酸溶液，反应过程控制溶液pH值在9.50-11.5范围内，加料完成后保温10-30min，得到溶液A；
S3、胶粒二次生长
在溶液A中滴加体系体积分数0.01％-0.1％的非离子型氟碳表面活性剂intechem-06，在搅拌状态下持续加入1-2倍晶种母液体积的活性硅酸溶液，反应过程控制溶液pH值在9.50-11.5范围内，加料完成后保温10-30min，得到溶液B；
S4、胶粒增大
以溶液B再次进行S3步骤1-2次，反应完成后保温10-30min，通过常压或减压恒液位蒸发或超滤浓缩工艺控制溶液浓度在20％-50％之间，冷却后静置陈化1-24h，经除杂质工艺纯化，得到所述超大粒径高浓度硅溶胶，粒径在140-160nm。


2.根据权利要求1所述的一种水玻璃制备超大粒径高浓度硅溶胶的方法，其特征在于，所述碱性介质溶液为浓度2-10％的氢氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦东，林厦涛，叶海峰，皮艳，陈昌貌，
申请(专利权)人：阳江市惠尔特新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44