一種非球形二氧化硅溶膠及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及CMP技術(shù)拋光領(lǐng)域，特別是涉及一種非球形二氧化硅溶膠及其制備方法。本發(fā)明提供一種非球形二氧化硅溶膠，包括液體介質(zhì)和溶膠顆粒，所述溶膠顆粒由2~10個(gè)二氧化硅膠體粒子聚集而成。本產(chǎn)品的有益效果是：通過二價(jià)金屬離子的誘導(dǎo)作用，形成非球形的二氧化硅晶種。在該晶種表面包覆一層聚苯乙烯薄層（由苯乙烯聚合而成）。由于晶種是非球形的，表面的曲率各處不同，有正有負(fù)。在具有負(fù)曲率（即凹陷處）的地方表面張力大，聚苯乙烯不易包覆，故留下了空洞，露出二氧化硅。持續(xù)添加的硅酸會(huì)優(yōu)先附著在這些露出二氧化硅的表面，并進(jìn)行脫水聚合，最終形成2-10個(gè)小顆粒聚集成的大顆粒狀二氧化硅膠體粒子。
【專利說明】一種非球形二氧化硅溶膠及其制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及CMP技術(shù)拋光領(lǐng)域，特別是涉及一種非球形二氧化硅溶膠及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體工業(yè)沿著摩爾定律發(fā)展，芯片集成度隨時(shí)間呈指數(shù)上升，性能也呈指數(shù)提高。驅(qū)使著加工工藝向著更高的電流密度、更高的時(shí)鐘頻率和更多的互連層轉(zhuǎn)移。由于器件尺寸的縮小，光學(xué)光刻設(shè)備焦深的減小，要求晶片表面可接受的分辨率的平整度達(dá)到納米級(jí)。為解決這一問題，能夠?qū)崿F(xiàn)全局平坦化的化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical MechanicalPolishing, CMP)技術(shù),一舉成為半導(dǎo)體制造重要關(guān)鍵工藝之一。CMP技術(shù)在實(shí)行過程中,拋光墊和晶圓片作相對轉(zhuǎn)動(dòng)，拋光液在兩者之間流動(dòng)，以此達(dá)到全局平坦化的目的。
[0003]在CMP工藝的諸多應(yīng)用中，氧化硅介電材料的拋光一直占據(jù)著很重要的位置。傳統(tǒng)的CMP拋光漿料中磨料主要有兩種，即煅燒二氧化硅(Fumed Silica)和膠體二氧化硅(ColloidalSilica)，且膠體二氧化硅多為球形。煅燒的二氧化硅呈多邊形的晶體形態(tài)，其棱角雖然有助于拋光速率的提升，但對片子的剛性損傷太嚴(yán)重，經(jīng)拋光后的片子劃痕很多。而球形的膠體二氧化硅磨料對芯片表面的劃傷非常少，但拋光速率的進(jìn)一步提高已經(jīng)成為制約其應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。
[0004]為了加快拋光速率，同時(shí)又不損傷表面，非球形的膠體二氧化硅越來越受到關(guān)注。已經(jīng)有許多研究人員作出了很多有益的嘗試。在CN101626979A中，日產(chǎn)化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社的大森豐等人研發(fā)除了一種呈細(xì)長形狀的二氧化硅顆粒，該顆粒的水溶膠具有非常好的被膜性。而在專利CN101402829A中，施為德發(fā)明了一種馬鈴薯形狀的二氧化硅顆粒，該顆粒摩擦系數(shù)大，拋光速率快，干結(jié)物硬度小，拋光片劃痕少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種新型非球形二氧化硅溶膠及其制備方法，制得的溶膠顆粒為非圓球形，形狀為2~10個(gè)小顆粒聚集成的花生形或梅花形，粒徑大小為30-100nm，摩擦系數(shù)大，拋光效率高。經(jīng)驗(yàn)證，使用本發(fā)明的硅溶膠可將拋光速率提升40%以上，同時(shí)拋光片較少有劃痕產(chǎn)生。
[0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種非球形二氧化硅溶膠，包括液體介質(zhì)和溶膠顆粒，所述溶膠顆粒由2~10個(gè)二氧化硅膠體粒子聚集而成。
[0007]所述的非球形二氧化硅溶膠，其特征是:所述二氧化硅膠體粒子經(jīng)掃描電鏡觀察粒徑為30-100nm，動(dòng)力學(xué)激光散射(DLS)測得的粒徑為30_50nm ;液體介質(zhì)是水，pH為8 ~10。
[0008]優(yōu)選的，所述溶膠顆粒由2~10個(gè)二氧化硅膠體粒子聚集而成，并呈花生狀或梅花狀。
[0009] 本發(fā)明第二方面提供所述非球形二氧化硅溶膠的制備方法，包括如下步驟:[0010]I)在含Si02重量百分比2_6%，pH=2.5-4的活性硅酸溶液中，加入水溶性鈣鹽、鎂鹽或者它們的混合物水溶液，鈣鹽、鎂鹽或者它們的混合物與上述活性硅酸中Si02的重量比為lOOO-lOOOOppm，進(jìn)行混合，并震蕩攪拌0.5_3h ；
[0011]2)在步驟I制得的水溶液中加入堿金屬氫氧化物或有機(jī)堿的水溶性溶液進(jìn)行混合，使Si02/M20的摩爾比為10-300，溶液pH為8.5-10.5，其中M表示堿金屬離子或有機(jī)堿分子;
[0012]3)將步驟2所得溶液加熱，溫度為70°C _110°C，加熱攪拌時(shí)間為0.5-6小時(shí)，制成
起始硅溶膠；
[0013]4)將步驟3所得溶膠通過陽離子交換床和陰離子交換床，進(jìn)一步除去離子，制成pH=9-ll的堿性硅溶膠；
[0014]5)將適量苯乙烯單體溶于醇中，攪拌均勻，與步驟4所得的溶膠混合，并加入適量過氧化苯甲酰，使得苯乙烯單體體積與溶膠體積比為0.1-1:1000，過氧化苯甲酰質(zhì)量為0.1-1g;
[0015]6)將步驟5所得混合溶液在25_60°C的溫度下持續(xù)攪拌2_6h，直至苯乙烯完全聚合；
[0016]7)將步驟6所得溶膠中加入活性硅酸，加入方法為:將起始溶膠放入常規(guī)帶攪拌的加熱裝置中，在95-110°C的溫度下加熱攪拌，蒸出水的速度為80-100升/小時(shí)，滴加活性硅酸，加入速度為80-100升/小時(shí)，采用橫液面生長法，控制硅酸加入量和蒸發(fā)水量相等。加入硅酸的量與起始硅溶 膠體積比為5-10:1，加入時(shí)間為10-30小時(shí)，制得二氧化硅含量為25~35%的非球形二氧化硅溶膠。
[0017]本發(fā)明第三方面提供所述非球形二氧化硅溶膠在CMP拋光領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0018]本產(chǎn)品的有益效果是:通過二價(jià)金屬離子的誘導(dǎo)作用，形成非球形的二氧化硅晶種。在該晶種表面包覆一層聚苯乙烯薄層(由苯乙烯聚合而成)。由于晶種是非球形的，表面的曲率各處不同，有正有負(fù)。在具有負(fù)曲率(即凹陷處)的地方表面張力大，聚苯乙烯不易包覆，故留下了空洞，露出二氧化硅。持續(xù)添加的硅酸會(huì)優(yōu)先附著在這些露出二氧化硅的表面，并進(jìn)行脫水聚合，最終形成2-10個(gè)小顆粒聚集成的大顆粒狀二氧化硅膠體粒子。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0020]須知，下列實(shí)施例中未具體注明的工藝設(shè)備或裝置均采用本領(lǐng)域內(nèi)的常規(guī)設(shè)備或裝置；所有壓力值和范圍都是指絕對壓力。
[0021]此外應(yīng)理解，本發(fā)明中提到的一個(gè)或多個(gè)方法步驟并不排斥在所述組合步驟前后還可以存在其他方法步驟或在這些明確提到的步驟之間還可以插入其他方法步驟，除非另有說明；還應(yīng)理解，本發(fā)明中提到的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備/裝置之間的組合連接關(guān)系并不排斥在所述組合設(shè)備/裝置前后還可以存在其他設(shè)備/裝置或在這些明確提到的兩個(gè)設(shè)備/裝置之間還可以插入其他設(shè)備/裝置，除非另有說明。而且，除非另有說明，各方法步驟的編號(hào)僅為鑒別各方法步驟的便利工具，而非為限制各方法步驟的排列次序或限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容的情況下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。
[0022]實(shí)施例1 (普通硅溶膠拋光實(shí)驗(yàn))
[0023]拋光液組成如下:
[0024]膠體氧化硅顆粒含量:15wt%
[0025]粒徑:35nm
[0026]鹽分:無
[0027]螯合劑:無
[0028]pH: 10 (Κ0Η 溶液調(diào))
[0029]其余為去離子水 [0030]拋光參數(shù)及結(jié)果見表1
[0031]實(shí)施例2 (使用本專利方法的硅溶膠拋光實(shí)驗(yàn))
[0032]拋光液組成如下:
[0033]膠體氧化硅顆粒含量:15wt%
[0034]粒徑:37nm
[0035]鹽分--無
[0036]螯合劑:無
[0037]pH:10 (Κ0Η 溶液調(diào))
[0038]其余為去離子水
[0039]拋光參數(shù)及結(jié)果見表1
[0040]表1
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種非球形二氧化硅溶膠，包括液體介質(zhì)和溶膠顆粒，所述溶膠顆粒由2~10個(gè)二氧化硅膠體粒子聚集而成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種非球形二氧化硅溶膠，其特征在于，所述二氧化硅膠體粒子經(jīng)掃描電鏡觀察粒徑為30-100nm，動(dòng)力學(xué)激光散射測得的粒徑為30_50nm ;液體介質(zhì)是水，pH為8~10。
3.如權(quán)利要求1所述的 一種非球形二氧化硅溶膠，其特征在于，所述溶膠顆粒由2~10個(gè)二氧化硅膠體粒子聚集而成，并呈花生狀或梅花狀。
4.如權(quán)利要求1-3任一權(quán)利要求所述的非球形二氧化硅溶膠的制備方法，包括如下步驟: 1)在Si02的活性硅酸溶液中，加入水溶性鈣鹽、鎂鹽或者它們的混合物水溶液，混合并震蕩攪拌； 2)在步驟I制得的水溶液中加入堿金屬氫氧化物或有機(jī)堿的水溶性溶液進(jìn)行混合，使溶液 PH 為 8.5-10.5 ； 3)將步驟2所得溶液加熱攪拌，制成起始硅溶膠； 4)將步驟3所得溶膠通過陽離子交換床和陰離子交換床，制成堿性硅溶膠； 5)將苯乙烯單體溶于醇中，攪拌均勻，與步驟4所得的溶膠混合，并加入過氧化苯甲酰，使得苯乙烯單體體積與溶膠體積比為0.1-1:1000，過氧化苯甲酰質(zhì)量為0.1-1g ； 6)將步驟5所得混合溶液持續(xù)攪拌直至苯乙烯完全聚合； 7)將步驟6所得溶膠中加入活性硅酸，制得二氧化硅含量為25~35%的非球形二氧化硅溶膠。
5.如權(quán)利要求1-3任一權(quán)利要求所述的非球形二氧化娃溶膠在CMP拋光領(lǐng)域的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C01B33/14GK103896287SQ201210587490
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】梁晨亮, 王良詠, 劉衛(wèi)麗, 宋志棠 申請人:上海新安納電子科技有限公司, 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所