一种纳米二氧化硅磨料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种纳米二氧化硅磨料及其制备方法和用途，所述制备方法包括以下步骤：硅溶胶经第一碱性物质调节pH值，与电解质溶液混合并加热得到母液；活性硅酸溶液持续加入至所述母液中，所述活性硅酸溶液和母液的混合液经分段加入的第二碱性物质调节pH值，保持加热生成纳米二氧化硅磨料，所述制备方法采用分段碱催化提升了硅溶胶颗粒的硬度，同时通过恒液面聚合生长法确保了晶粒具有均匀的形状，由此得到的纳米二氧化硅磨料硬度高、保型性好，作为磨料组分配制成的化学机械抛光液具有优异的抛光效率和耐久的使用寿命。的抛光效率和耐久的使用寿命。的抛光效率和耐久的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米二氧化硅磨料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于研磨抛光材料
，尤其涉及一种纳米二氧化硅磨料及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]硅溶胶本质上是纳米二氧化硅磨料平均分散在水或化学溶剂中，因其优秀的稳定性、耐温性及悬浮性等被广泛应用在电子、化工、材料、建筑等行业。随着半导体行业的发展，对集成电路的集成度和精度要求不断提升，对衬底材料的表面加工精度要求也越来越高，衬底材料加工不仅要达到高的加工效率，更要达到高的表面质量。当前市场上的主流研磨抛光方法是化学机械抛光技术(Chemical
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Mechanical Planarization，CMP)，CMP工艺用于衬底精密加工的抛光液主要是以硅溶胶为磨料，相较于氧化铝胶体，其分散性好、硬度略低且抛光后晶圆表面损伤小，但其抛光速率慢、抛光时间长成为掣肘其继续发展的最大问题，国内外学者对此做了大量研究，围绕增大硅溶胶尺寸、改变硅溶胶形貌及对硅溶胶进行改性这三方面不断进行改进测试，但抛光质量和抛光后硅溶胶均匀性达不到理想效果。
[0003]CN107473234A公开了一种用于CMP的硅溶胶的制备方法，用于解决现有的硅溶胶抛光效果差的技术问题。所述制备方法包括如下步骤：(1)将浓度为0.2
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0.4wt％的氢氧化钠水溶液加热后，加入定量硅粉，得到硅溶胶种子溶液；(2)将水玻璃用去离子水稀释至含硅酸钠质量分数为3
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6％，调节其pH值，得到活性硅酸；(3)将步骤(1)中制备的硅溶胶种子溶液进行加热，将步骤(2)中制得的活性硅酸滴入步骤(1)中制备的硅溶胶种子溶液中，在反应过程中滴加有机碱催化剂，反应时间35
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60h，控制二氧化硅溶胶的比重为1.250
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1.300时，停止加热，反应结束，得到大粒径硅溶胶，该硅溶胶应用于材料表面化学机械抛光浆料中的磨料，该制备方法提供了加热并使用有机碱催化的思路制备硅溶胶，但是其硬度不佳，使用寿命很短。
[0004]CN111748318A公开了一种爆米花状硅溶胶、其制备方法及其应用，该爆米花状硅溶胶纳米粒子为球形，粒径大小在20～150nm，表面具有明显的凹凸不平，四凸处高度为5
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20mm该爆米花状硅溶胶的制备方法是分两步进行，首先通过球形颗粒表面的定向自组装方式制备不规则的起始晶种，接着是起始晶种的进一步生长，晶种的进一步生长使表面更加致密，凹凸部分更加牢固。本专利技术采用爆米花状的硅溶胶作为磨粒制成的抛光液，在抛光过程中颗粒与加工工件形成多点接触，摩擦系数增大，抛光速率高，同时，因为形成多点接触，载荷可以有效分散，从而导致较浅的压痕，有利于改善表面粗糙度。所述制备方法采用分段生长的方法得到了具有不规则表面的爆米花状硅溶胶，但是并没有提高磨料强度。
[0005]CN112390262A提供了一种双粒径非球形二氧化硅、制备方法及其制备的抛光浆料，在水醇体系中，以硅酸四乙酯(TEOS)作为硅源，氨水作为催化剂，金属盐作为形貌、粒径控制剂，水解、成核、生长制备得到双粒径非球形二氧化硅，提供的碱性双粒径非球形二氧化硅化学机械抛光浆料在抛光过程中大小粒径的磨料粒子能够协同作用(大粒径磨料填充抛光垫中大的微孔或沟槽，小粒径磨料填充抛光垫中小的微孔或沟槽)，进而优化抛光液在
抛光垫表面的抛光液流动和分布，同时提高抛光效率，降低抛光表面的微粗糙度，减小损伤层厚度，提供了一种潜在的技术路线，该制备方法虽然提高了抛光效率，但是对于使用寿命的提升上并无建树。
[0006]上述二氧化硅磨料存在使用寿命短，抛光效率低等问题，导致半导体衬底材料的生产效率低下，因此，研发高硬度、高保形性硅溶胶的制备方法迫在眉睫。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的二氧化硅磨料存在使用寿命短，抛光效率低等问题，本专利技术提出了一种纳米二氧化硅磨料及其制备方法和用途，采用分段碱催化和恒液面聚合生长法，得到了具有高硬度、高保形性的纳米二氧化硅磨料。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种纳米二氧化硅磨料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0010]硅溶胶经第一碱性物质调节pH值，与电解质溶液混合并加热得到母液；活性硅酸溶液持续加入至所述母液中，所述活性硅酸溶液和母液的混合液经分段加入的第二碱性物质调节pH值，保持加热生成硅溶胶粒，硅溶胶粒生长结束后得到所述纳米二氧化硅磨料。
[0011]本专利技术使用水热生长法制备粒径在100
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120nm的纳米二氧化硅磨料，例如可以是100nm、102nm、105nm、108nm、110nm、113nm、115nm、117nm或120nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，在硅溶胶粒生长过程中采用分段碱催化，这样晶种生长的过程中，二氧化硅分子能够聚合成为不同的分子构型，因而使得硅溶胶粒具有不同的层状结构，从而使产品具有较好的硬度以及保型性。
[0012]作为本专利技术的一种优选的技术方案，所述活性硅酸溶液的制备包括硅酸钠溶液经除杂，得到活性硅酸溶液。
[0013]优选地，所述活性硅酸溶液的浓度为4
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5wt％，例如可以是4wt％、4.2wt％、4.4wt％、4.5wt％、4.6wt％、4.8wt％、4.9wt％或5wt％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0014]优选地，所述除杂包括依次去除颗粒杂质和去除离子杂质。
[0015]优选地，所述硅酸钠溶液由硅酸钠产品液稀释得到。
[0016]优选地，所述硅酸钠产品液的浓度为17
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19wt％，例如可以是17wt％、17.2wt％、17.4wt％、17.5wt％、17.6wt％、17.7wt％、17.8wt％、18wt％、18.2wt％、18.4wt％、18.5wt％、18.6wt％、18.8wt％或19wt％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0017]优选地，所述稀释的溶液包括去离子水。
[0018]作为本专利技术的一种优选的技术方案，所述去除颗粒杂质的方式包括过滤。
[0019]优选地，所述去除离子杂质包括：所述硅酸钠溶液经过阳离子交换树脂得到所述活性硅酸溶液。
[0020]优选地，所述硅溶胶中分散有SiO2。
[0021]优选地，所述硅溶胶中SiO2的质量分数为10
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15％，例如可以是10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％或15％，但并不仅限于所列举的数
值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述硅溶胶中的SiO2颗粒的粒径为10
‑
20nm，例如可以是10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米二氧化硅磨料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：硅溶胶经第一碱性物质调节pH值，与电解质溶液混合并加热得到母液；活性硅酸溶液持续加入至所述母液中，所述活性硅酸溶液和母液的混合液经分段加入的第二碱性物质调节pH值，保持加热生成硅溶胶粒，硅溶胶粒生长结束后得到所述纳米二氧化硅磨料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活性硅酸溶液的制备包括硅酸钠溶液经除杂，得到活性硅酸溶液；优选地，所述活性硅酸溶液的浓度为4
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5wt％；优选地，所述除杂包括依次去除颗粒杂质和去除离子杂质。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述去除离子杂质包括：所述硅酸钠溶液经过阳离子交换树脂得到所述活性硅酸溶液；优选地，所述硅溶胶中分散有SiO2；优选地，所述硅溶胶中SiO2的质量分数为10
‑
15％；优选地，所述硅溶胶中的SiO2颗粒的粒径为10
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20nm。4.根据权利要求1
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3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一碱性物质为有机碱；优选地，所述有机碱包括异丙醇胺、三乙醇胺或四甲基氢氧化铵中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述第一碱性物质中的有机碱浓度为3
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5wt％；优选地，所述硅溶胶经第一碱性物质调节pH值至9
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10。5.根据权利要求1
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4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述电解质溶液为金属离子水溶液；优选地，所述电解质溶液中的金属离子浓度为3
‑
5wt％；优选地，所述电解质溶液中溶质包括氯化钙、氯化钾或硝酸钙中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述电解质溶液占母液的3.5
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4.5wt％；优选地，所述加热的温度为98
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100℃；优选地，所述加热的同时进行搅拌；优选地，所述搅拌的时间为0.8
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1.2h。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第二碱性物质调节pH值的步骤如下：当硅溶胶粒的粒径小于50nm时加入第二有机碱，粒径为50
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80nm时加入第二无机碱，粒径为80nm以上时加入第二无机碱和第二有机碱的混合物。7.根据权利要求1
‑
6任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李薇薇，王国顺，钟荣峰，孙运乾，
申请(专利权)人：广东惠尔特纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：