【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米级二氧化硅材料合成领域，特别是涉及一种长条形超高纯硅溶胶及其合成方法和应用。
技术介绍
1、硅溶胶是将纳米级二氧化硅分散在溶剂中的悬浮状胶体液，是一种无毒性、无异味、无污染的非金属材料，被广泛应用于抛光、涂料、纺织、催化剂、耐火材料等诸多领域。近年来，随着半导体芯片行业的突飞猛进，对化学机械抛光(cmp)技术的要求也越来越高。超高纯硅溶胶由于其金属杂质含量极低(na离子含量≤500ppb、al离子含量≤50ppb、fe离子含量≤20ppb、cu离子含量≤5ppb)，且稳定性好，可确保半导体材料在精抛光工艺中不受金属杂质的损害。因此，近年来超高纯硅溶胶被广泛应用于cmp技术中，是现代微电子抛光液中不可或缺的成分之一。
2、目前，超高纯硅溶胶的制备工艺常用方法是使用有水解性的有机硅烷作为硅源，以水和醇作为溶剂，碱作为催化剂，通过水解、缩合反应制备生成。但目前的工艺方法制备出的硅溶胶粒子通常为球形，球形的硅溶胶粒子容易导致抛光效率低等弊端，不能满足化学机械抛光技术的高要求。
3、本申请就是在此基础上，对传统超高纯硅溶胶的制备工艺加以改进，使其通过改变硅源的水解和缩合过程，使二氧化硅粒子生长不均从而产生二氧化硅粒子异形化，得到长条形超高纯硅溶胶粒子，使超高纯硅溶胶粒子与被抛光材料之间具有更大的接触面积，最终大大提升抛光效率。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是提供一种长条形超高纯硅溶胶的合成方法，使其通过改变硅源的水解和缩合过程，使二氧
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种长条形超高纯硅溶胶的合成方法，所述合成方法包括以下步骤：(1)将超纯水、醇和碱性催化剂按一定比例混合，得碱性溶液，所述碱性溶液的ph在7.5以上；(2)向所述碱性溶液中加入硅源，搅拌得到硅溶胶初始粒子溶液，再加入硅烷偶联剂，搅拌得到硅溶胶功能粒子溶液；(3)向所述硅溶胶功能粒子溶液中加入所述碱性溶液，保持溶液ph在8.5以上，再加入硅源，完成晶种生长，得到长条形硅溶胶粒子溶液；(4)采用恒液面蒸发方法对所述长条形硅溶胶粒子溶液进行溶剂置换，并浓缩得到所述长条形超高纯硅溶胶。
3、在本专利技术中加入硅烷偶联剂的目的是：通过硅溶胶初始粒子与硅烷偶联剂发生共缩聚反应，在硅溶胶初始粒子的部分表面修饰苯胺基团。这样，一方面在碱性条件中，苯胺基团具有疏水性，会抑制功能粒子的后续水解聚合过程，导致二氧化硅粒子生长不均而得到异形结构；另一方面，通过空间位阻效应抑制了粒子间的接触和团聚，最终得到具有长条形结构的硅溶胶粒子。
4、作为本专利技术的一实施例，步骤(1)中醇采用甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或多种，所述碱性催化剂采用氨水、四甲基氢氧化铵和二乙醇胺中的一种或多种。优选地，所述碱性催化剂采用氨水。需要说明的是，本申请多种均包括两种及以上。
5、作为本专利技术的一实施例，步骤(1)中超纯水与醇的体积比为2.5-5：1，更优选地，超纯水与醇的体积比为3-4：1。
6、所述碱性溶液的ph为7.5-8.5。ph值小于7.5或大于8.5时均不利于后续硅源和硅烷偶联剂的共缩聚反应。
7、作为本专利技术的一实施例，步骤(2)中硅源采用正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯中的一种或多种。优选地，硅源采用正硅酸甲酯。
8、所述硅烷偶联剂采用结构为y-r1-si(or2)3的有机化合物，其中，y为苯胺基团，r1为碳原子数1-3的亚烷基，r2为碳原子数1-3的烷基。优选地，r1为-ch2-，r2为-ch3。
9、作为本专利技术的一实施例，步骤(2)中向所述碱性溶液中加入所述硅源，使得到的所述硅溶胶初始粒子溶液中二氧化硅的含量为10％-40％；优选地，二氧化硅含量为15％-25％。
10、所述硅烷偶联剂与所述硅源的体积比为1-5：30。若所述硅烷偶联剂与所述硅源的体积比小于1：30时，会导致粒子上修饰的功能基团数量太少，导致异形率不高；若所述硅烷偶联剂与所述硅源的体积比大于5：30，会导致粒子上修饰的功能基团修饰量过多，得到完全不规则形的粒子。
11、作为本专利技术的一实施例，步骤(2)具体为：向所述碱性溶液中加入硅源，保持反应温度为40-50℃，搅拌转速为200-800r/min，反应时间为0.5-2h；并在反应结束后，使反应溶液温度降到室温，再逐滴加入所述硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂滴加完毕后，保持反应温度为55-70℃，搅拌转速为500-1000r/min，反应时间为4-8h。
12、优选地，向所述碱性溶液中加入硅源，保持反应温度为45-50℃，搅拌转速为300-600r/min，反应时间为1-1.5h；并在反应结束后，使反应溶液温度降到室温，再逐滴加入所述硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂滴加完毕后，保持反应温度为60-65℃，搅拌转速为600-800r/min，反应时间为5-6h。
13、作为本专利技术的一实施例，滴加所述硅烷偶联剂的条件为：采用所述碱性溶液将所述硅烷偶联剂稀释至体积的5-10倍，再缓慢逐滴加入稀释后的所述硅烷偶联剂，滴速为(0.01-0.05)·v/min，v为稀释后硅烷偶联剂的体积，单位为l。优选地，滴速为(0.02-0.04)·v/min。
14、作为本专利技术的一实施例，步骤(3)中向所述硅溶胶功能粒子溶液中加入所述碱性溶液，保持溶液ph在8.5-10。当ph＜8.5时，得到的二氧化硅粒子的异形率偏低；当ph＞10时，得到的长条形二氧化硅粒子的占比会偏低。
15、步骤(3)中加入的所述硅源的量大于步骤(2)中加入的所述硅源的量，以确保功能粒子的晶种得到充分生长。
16、作为本专利技术的又一改进，本专利技术提供一种由上述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法制备而成的长条形超高纯硅溶胶。
17、所述长条形超高纯硅溶胶中二氧化硅粒子呈弯曲的长条形结构，且二氧化硅粒子之间存在交织情况，二氧化硅粒子的粒径为5-15nm，二氧化硅粒子的长度为50-150nm。
18、所述长条形超高纯硅溶胶ph为7.5-12，二氧化硅的质量分数＞20％，粘度为0.5-10mpa·s，其中长条形二氧化硅粒子的占比＞90％。且所述长条形超高纯硅溶胶中na离子含量＜200ppb，al离子含量＜40ppb，fe离子含量＜15ppb，cu离子含量＜2ppb。
19、将上述方法得到的长条形超高纯硅溶胶应用在化学机械抛光cmp技术中，抛光效率高。
20、采用这样的设计后，本专利技术至少具有以下优点：
21、本专利技术长条形超高纯硅溶胶的合成方法通过改变硅源的正常水解和缩合过程，影响了二氧化硅的晶体生长，使二氧化硅粒子生长不均从而产生长条形超高纯硅溶胶粒子，且合成的二氧化硅粒子中长条形结构占比高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，所述合成方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，步骤(1)中醇采用甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或多种，所述碱性催化剂采用氨水、四甲基氢氧化铵和二乙醇胺中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，步骤(1)中超纯水与醇的体积比为2.5-5：1。
4.根据权利要求1所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，步骤(2)中硅源采用正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯中的一种或多种，所述硅烷偶联剂采用结构为Y-R1-Si(OR2)3的有机化合物，其中，Y为苯胺基团，R1为碳原子数1-3的亚烷基，R2为碳原子数1-3的烷基。
5.根据权利要求4所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，步骤(2)中向所述碱性溶液中加入所述硅源，使得到的所述硅溶胶初始粒子溶液中二氧化硅的含量为10％-40％；所述硅烷偶联剂与所述硅源的体积比为1-5：30。
6.根据权利要求5所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，
7.根据权利要求6所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，滴加所述硅烷偶联剂的条件为：采用所述碱性溶液将所述硅烷偶联剂稀释至体积的5-10倍，再缓慢逐滴加入稀释后的所述硅烷偶联剂，滴速为(0.01-0.05)·V/min，V为稀释后硅烷偶联剂的体积，单位为L。
8.根据权利要求1所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，步骤(3)中加入的所述硅源的量大于步骤(2)中加入的所述硅源的量。
9.一种长条形超高纯硅溶胶，其特征在于，所述长条形超高纯硅溶胶由权利要求1至8任一项所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法制备而成，
10.权利要求9所述的长条形超高纯硅溶胶在化学机械抛光中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，所述合成方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，步骤(1)中醇采用甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或多种，所述碱性催化剂采用氨水、四甲基氢氧化铵和二乙醇胺中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，步骤(1)中超纯水与醇的体积比为2.5-5：1。
4.根据权利要求1所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，步骤(2)中硅源采用正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯中的一种或多种，所述硅烷偶联剂采用结构为y-r1-si(or2)3的有机化合物，其中，y为苯胺基团，r1为碳原子数1-3的亚烷基，r2为碳原子数1-3的烷基。
5.根据权利要求4所述的长条形超高纯硅溶胶的合成方法，其特征在于，步骤(2)中向所述碱性溶液中加入所述硅源，使得到的所述硅溶胶初始粒子溶液中二氧化硅的含量为10％-40％；所述硅烷偶联剂与所述硅源的体积比为1-5：30。
6.根据权利要求5所述的长条形超高纯硅溶胶...
【专利技术属性】
技术研发人员：裴亚利，操应军，王泽民，陈海海，
申请(专利权)人：北京航天赛德科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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