一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料及其制备方法和应用，所述复合磨料以碳酸钙纳米颗粒为核，二氧化硅颗粒为壳。本发明专利技术具有独特的结构和性能，相比纯硅溶胶而言，对硅片、氧化硅片、二氧化硅层、氮化硅层等介质层材料的抛光速率更快；相比氧化铝磨料而言，对介质层材料的抛光后的表面质量更好，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料及其制备方法和应用
本专利技术属于抛光液领域，特别涉及一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着纳米科技的快速发展，纳米材料的应用受到各个领域的广泛关注。纳米碳酸钙在国外已有五十年的应用历史，作为一种优质填料和白色颜料，具有成本低、性能优、无毒无味等特点，广泛应用于橡胶、塑料、造纸、油墨、涂料、密封胶与胶粘剂、医药、牙膏和食品等领域。在其应用过程中，纳米碳酸钙功能的好坏，主要取决于碳酸钙产品的化学组成、形貌特征、平均粒径及分散性等参数，其中最重要的是粒子的晶形和粒度分布，不同晶形的纳米碳酸钙粒子，其应用领域和功能不同。然而，纳米碳酸钙也存在着不足，其具有粒度小、表面能高、极易团聚、表面亲水疏油和强极性的特点，与基料结合力较弱，容易造成表面和界面缺陷。因此降低碳酸钙表面的高势能、调节疏水性，改善材料性能成为相关研究人员研究的主题和方向。硅溶胶是一种常见的无机精细化工产品，实质上为无定形SiO2粒子在水中的胶体大小的稳定分散体系。硅溶胶中的二氧化硅，其最大的特征是具有巨大的表面自由能，粒子间有相互聚集而降低其表面自由能的趋势，因此它是一个热力学不稳定系统，然而在一定条件下制备的硅溶胶可稳定相当长时间，这主要是因为硅溶胶胶团形成的双电层结构，胶团在水溶液中可以从其周围有选择的吸附某种离子，而反离子则以扩散层形式分布在水中，其中一部分反离子密集聚集在紧密层，另一部分则在扩散层。胶粒表面由于具有相同的电荷，相互排斥从而具有足够稳定性。工业生产中需要大粒径硅溶胶，尤其是半导体工业中硅晶片抛光液的生产。大粒径硅溶胶的生产往往耗时长，能耗也比较高。早期专利报道，在高温高压处理碱性的小粒径硅溶胶，以期达到大粒径硅溶胶。Albrecht利用非常稀的硅溶胶，常压下一步法间歇式生产大粒径硅溶胶，由于反应时间过长和能耗大，不适用于工业化生产。Brekau等人专利技术了连续法常压制备大粒径硅溶胶的方法，但是这种方法的生产较为繁琐，并且颗粒的粒径均一性不够好，同时生产过程耗时较长。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料及其制备方法和应用，该复合磨料具有独特的结构和性能，相比纯硅溶胶而言，对硅片、氧化硅片、二氧化硅层、氮化硅层等介质层材料的抛光速率更快；相比氧化铝磨料而言，对介质层材料的抛光后的表面质量更好，具有良好的应用前景。本专利技术提供了一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料，所述复合磨料以碳酸钙纳米颗粒为核，二氧化硅颗粒为壳。本专利技术还提供了一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料的制备方法，包括：(1)制备碳酸钙纳米颗粒并进行表面处理，得到纳米碳酸钙溶液；(2)将纳米碳酸钙溶液加热至80℃-200℃，并调节pH值至9-11，添加硅酸溶液，即得碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料。所述步骤(1)中的碳酸钙纳米颗粒的制备方法为碳化法、乳液法、凝胶法或复分解法。优选的，采用碳化法。通过碳化法生产的碳酸钙纳米颗粒，其形貌规整、粒径分布比较窄，对于后续复合磨料的生产具有重要作用。所述步骤(1)中的表面处理采用阴离子表面活性剂进行处理。所述阴离子表面活性剂选自聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯硫酸钠、聚氧乙烯醚磷酸酯中的一种或几种。所述步骤(2)加热过程中采用机械搅拌，搅拌速度为300r/min～2000r/min，更优选的搅拌速度为500r/min～1200r/min。所述步骤(2)中更优选的温度范围为90℃～150℃。所述步骤(2)中采用氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙二胺、醇胺中的一种或几种调节pH值。所述步骤(2)中的硅酸溶液浓度为1～50wt％；添加量为1～2L；添加速度为1～20ml/min。所述硅酸溶液通过硅酸钠经离子交换法制得。优选的添加速度为2～10ml/min。本专利技术还一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料的应用，应用于制备化学机械抛光液。所述化学机械抛光液的组成为：按质量百分比，碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料0.1％-20％；表面活性剂0.01％-1％；氧化剂0.01％-10％；其余为去离子水。有益效果本专利技术的磨料颗粒表面含有大量的羟基，表面活性高，具有亲水性，表现出良好的分散性能；该复合磨料具有独特的结构和性能，相比纯硅溶胶而言，对硅片、氧化硅片、二氧化硅层、氮化硅层等介质层材料的抛光速率更快；相比氧化铝磨料而言，对介质层材料的抛光后的表面质量更好，具有良好的应用前景。附图说明图1为碳酸钙纳米颗粒的扫描电子显微镜图像。图2为碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料的扫描电子显微镜图像。图3为抛光前硅片的原子力显微镜(AFM)的表面形貌图。图4为纳米复合磨料抛光后的硅片AFM图像。图5为二氧化硅磨料抛光后的硅片AFM图像。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1(1)碳酸钙/氧化硅核壳型复合磨料的制备：首先取出自碳化法制备的碳酸钙纳米颗粒放入去离子水中，制备成10wt％的纳米碳酸钙原液；原液放入圆底烧瓶中，此时加入2000ppm的聚丙烯酸钠进行表面处理，机械搅拌形成均相体系，通入N2排空，使用加热套对烧瓶中的溶液进行加热。待溶液温度上升至100℃并达到稳定时，开始使用蠕动泵匀速添加硅酸溶液，其中硅酸溶液取自离子交换法制成，硅酸浓度为4wt％，添加速率为2ml/min，并且持续添加，添加量为1.2L，期间使用NaOH调节溶液的pH，使其保持在9-10。制备过程中需要一直保持机械搅拌，搅拌速率为800r/min。反应持续10小时即可得到复合磨料。(2)由碳酸钙/氧化硅核壳型复合磨料配制成抛光液：将所制备的碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料配制成5wt％的溶液，加入1wt％的双氧水，0.04wt％聚乙二醇，最后加入去离子水搅拌均匀，即得到复合磨料抛光液。为了对比比较，采用氧化硅纳米颗粒的抛光液作为对比例。对比例1取100nm的二氧化硅颗粒加入去离子水中，使得硅溶胶的浓度为5wt％，加入1wt％的双氧水，0.04wt％的聚乙二醇，搅拌均匀，即得到氧化硅磨料的抛光液。抛光实验：分别使用实施例1和比较例1的抛光液，在下述条件下对硅片进行抛光实验。抛光条件：抛光机：CETR的CP-4机台。抛光材料：4英寸单晶硅片。抛光垫：型号IC1010。抛光压力：3psi。抛光垫转速：100rpm。抛光片转速：100rpm。抛光液流量：100ml/min。温度：25℃。抛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料，其特征在于：所述复合磨料以碳酸钙纳米颗粒为核，二氧化硅颗粒为壳。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料，其特征在于：所述复合磨料以碳酸钙纳米颗粒为核，二氧化硅颗粒为壳。


2.一种碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料的制备方法，包括：
(1)制备碳酸钙纳米颗粒并进行表面处理，得到纳米碳酸钙溶液；
(2)将纳米碳酸钙溶液加热至80℃-200℃，并调节pH值至9-11，添加硅酸溶液，即得碳酸钙/二氧化硅核壳型纳米复合磨料。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的碳酸钙纳米颗粒的制备方法为碳化法、乳液法、凝胶法或复分解法。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的表面处理采用阴离子表面活性剂进行处理。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述阴离子表面活性剂选自聚丙烯酸钠、六偏磷酸钠、十二烷基苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫丽，冯道欢，宋志棠，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海新安纳电子科技有限公司，浙江新创纳电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31