本發(fā)明涉及硅溶膠研磨材料領(lǐng)域，特別是涉及一種表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料及其合成方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著目前大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)及制造工藝的日益復(fù)雜，對化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)研磨材料的要求越來越高。二氧化硅由于其硬度適中、無毒無污染、穩(wěn)定性和分散性良好、成本較低等諸多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的cmp過程中。

2、目前制備二氧化硅材料的主要方法有：以四氯化硅為原料的氣相法、以硅粉為原料的單質(zhì)硅法、以硅酸鈉和無機(jī)酸為原料的沉淀法、以有機(jī)硅烷為原料的溶膠凝膠法等。影響二氧化硅材料拋光性能的因素包括二氧化硅的含量、粒徑大小、密實(shí)度、形貌等特征。其中，不同的硅溶膠顆粒形貌對不同類型半導(dǎo)體材料的拋光效果不同。如何開發(fā)出可對二氧化硅顆粒形貌進(jìn)行穩(wěn)定性控制的合成技術(shù)是目前研究的重點(diǎn)。

3、本申請就是在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)的一種表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，使其能穩(wěn)定形成表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料，提升硅溶膠的表面粗糙度，以應(yīng)用于化學(xué)機(jī)械拋光中實(shí)現(xiàn)良好的拋光效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，使其能穩(wěn)定形成表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料，提升硅溶膠的表面粗糙度，以應(yīng)用于化學(xué)機(jī)械拋光中實(shí)現(xiàn)良好的拋光效果從而克服現(xiàn)有的硅溶膠研磨材料的不足。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，所述方法包括如下步驟：

3、(1)將銨鹽與超純水混合，再加入不含金屬離子的有機(jī)堿，配制成ph為9-12的堿性組合液。

4、(2)取步驟(1)得到的堿性組合液，加熱至65-85℃，再向其中逐滴加入硅源，邊加邊攪拌，滴加結(jié)束后保溫攪拌15min后，冷卻至室溫，得到硅溶膠初始液。即硅源在堿性組合液中水解形成硅溶膠初始液；

5、(3)向步驟(2)得到的硅溶膠初始液中加入促聚組合液，攪拌均勻后加熱至70-75℃，再次加入硅源，邊加邊攪拌，滴加結(jié)束后保溫攪拌15min后，冷卻至室溫，得到硅溶膠晶種液。該步驟中促聚組合液中含有極性較強(qiáng)的物質(zhì)，在溶劑中分散可增強(qiáng)分子間作用力,進(jìn)而可促進(jìn)體系中微粒子間的碰撞和接觸。并且該步驟加入硅源，能迅速水解成微小顆粒，在促聚組合液的作用下與硅溶膠初始液發(fā)生碰撞結(jié)合成晶種，形成硅溶膠晶種液。

6、(4)向步驟(3)得到的硅溶膠晶種液中加入步驟(1)得到的堿性組合液，保持體系ph大于10，加熱至80-100℃，再次緩慢加入硅源，利于實(shí)現(xiàn)晶種生長，提純、濃縮，得到表面具有凸起小顆粒的似球形研磨材料。

7、進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(1)中銨鹽為氯化銨、硫酸銨、碳酸銨中的一種或多種，較優(yōu)為氯化銨；有機(jī)堿為四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨、四丁基氫氧化銨中的一種或多種，優(yōu)選為四甲基氫氧化銨。其中，銨鹽與超純水的質(zhì)量比為1：15-25。

8、進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(1)中銨鹽與超純水的質(zhì)量比為1：20-25，堿性組合液的ph為10-11.5。

9、進(jìn)一步改進(jìn)，所述硅源為正硅酸甲酯或正硅酸乙酯。

10、進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(2)中堿性組合液加熱至70-80℃后向其中逐滴加入硅源，硅源的滴速為1-3g/min，并且堿性組合液和硅源的質(zhì)量比為1.5-0.8：1，更優(yōu)選質(zhì)量比為1.2-1：1。

11、進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(3)中促聚組合液包括酰胺類物質(zhì)、醇和超純水，其中，酰胺類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式為cxhyno，優(yōu)選x＝1、y＝3；醇為甲醇或乙醇，優(yōu)選為甲醇，且酰胺類物質(zhì)、醇與超純水的質(zhì)量比為1：2-10：5-20，優(yōu)選為1：3-5：10-15。

12、步驟(3)中硅溶膠初始液與促聚組合液的質(zhì)量比為5-20：1，優(yōu)選為10-15：1，步驟(3)中加入的硅源與硅溶膠初始液的質(zhì)量比為1：1.5-3，且硅源的滴速應(yīng)控制為5-20g/min，優(yōu)選為10-15g/min。該步驟中加入硅源的速度不能太慢，滴速太慢容易使最終顆粒形貌為球形。

13、進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(4)中向硅溶膠晶種液中加入堿性組合液，保持體系ph為10.5-11.5，加熱至90-95℃，控制硅源的加入滴速為1-3g/min，優(yōu)選滴速為1.5-2.5g/min。該步驟中加入硅源的速度不能太快，要慢于步驟(3)，滴速太快容易使得顆粒粒徑不均或出現(xiàn)較多小顆粒。并且，反應(yīng)過程中ph值和溫度的控制較為重要，若ph值小于10或大于12時，顆粒形貌均為不規(guī)則形狀；溫度若低于80℃，顆粒形貌為球形，溫度高于100℃時容易出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象。

14、還有，步驟(4)中加入的硅源與硅溶膠晶種液的質(zhì)量比為0.5-3：1，優(yōu)選為1-2：1。該步驟中加入的硅源質(zhì)量不能太多，否則由于滴加速度的限制，容易出現(xiàn)在反應(yīng)過程中凝膠的現(xiàn)象。

15、進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(4)中提純方法為：采用陰離子樹脂去除陰離子雜質(zhì)，再通過恒液面蒸發(fā)法降低體系中的有機(jī)成分，最后蒸發(fā)濃縮至二氧化硅含量＞20％，得到所述表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料。

16、本發(fā)明還提供一種表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料，所述似球形研磨材料由上述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法合成，合成的似球形研磨材料的粒徑范圍為10-80nm，且表面帶有凸起小顆粒結(jié)構(gòu)。該研磨材料中na離子含量＜160ppb，al離子含量＜30ppb，fe離子含量＜20ppb，cu離子含量＜5ppb，且二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞20％，納米粒子占比＞85％，粘度為1-10mpa·s，ph為7.5-12。

17、本發(fā)明還提供上述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料在化學(xué)機(jī)械拋光中的應(yīng)用。

18、采用這樣的設(shè)計(jì)后，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

19、本發(fā)明通過對合成方法的改進(jìn)，使其能穩(wěn)定的形成表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料，提升得到的硅溶膠表面粗糙度，方法簡單，穩(wěn)定性好。得到的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料用于化學(xué)機(jī)械拋光中，拋光效果良好。

技術(shù)特征：

1.一種表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，其特征在于，步驟(1)中銨鹽為氯化銨、硫酸銨、碳酸銨中的一種或多種，有機(jī)堿為四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨、四丁基氫氧化銨中的一種或多種，其中，銨鹽與超純水的質(zhì)量比為1：15-25。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，其特征在于，步驟(1)中銨鹽與超純水的質(zhì)量比為1：20-25，堿性組合液的ph為10-11.5。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，其特征在于，所述硅源為正硅酸甲酯或正硅酸乙酯。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，其特征在于，步驟(2)中堿性組合液加熱至70-80℃后向其中逐滴加入硅源，硅源的滴速為1-3g/min，并且堿性組合液和硅源的質(zhì)量比為1.5-0.8：1。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，其特征在于，步驟(3)中促聚組合液包括酰胺類物質(zhì)、醇和超純水，且酰胺類物質(zhì)、醇與超純水的質(zhì)量比為1：2-10：5-20，步驟(3)中硅溶膠初始液與促聚組合液的質(zhì)量比為5-20：1，步驟(3)中加入的硅源與硅溶膠初始液的質(zhì)量比為1：1.5-3，且硅源的滴速為5-20g/min。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，其特征在于，步驟(4)中向硅溶膠晶種液中加入堿性組合液，保持體系ph為10.5-11.5，加熱至90-95℃，控制硅源的加入滴速為1-3g/min，加入的硅源與硅溶膠晶種液的質(zhì)量比為0.5-3：1。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法，其特征在于，步驟(4)中提純方法為：采用陰離子樹脂去除陰離子雜質(zhì)，再通過恒液面蒸發(fā)法降低體系中的有機(jī)成分，最后蒸發(fā)濃縮至二氧化硅含量＞20％，得到所述表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料。

9.一種表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料，其特征在于，所述似球形研磨材料由權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料的合成方法合成，合成的似球形研磨材料的粒徑范圍為10-80nm，且研磨材料中na離子含量＜160ppb，al離子含量＜30ppb，fe離子含量＜20ppb，cu離子含量＜5ppb。

10.權(quán)利要求9所述的表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料在化學(xué)機(jī)械拋光中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料及其合成方法和應(yīng)用。該合成方法包括：(1)配制堿性組合液：將銨鹽、超純水、有機(jī)堿混合，使其pH為9?12。(2)制備硅溶膠初始液：取堿性組合液，向其中逐滴加入硅源，得到硅溶膠初始液。(3)制備硅溶膠晶種液：向硅溶膠初始液中加入促聚組合液，攪拌充分后快速加入硅源，攪拌充分后得到硅溶膠晶種液。(4)制備研磨顆粒：向晶種液中加入堿性組合液保持體系的pH大于10，再緩慢加入硅源完成晶種生長，提純、濃縮后得到表面具有凸起小顆粒的似球形研磨材料。本發(fā)明通過簡單的制備工藝，合成出金屬離子含量極低、穩(wěn)定性良好且表面具有凸起顆粒的似球形研磨材料，拋光效果優(yōu)。

技術(shù)研發(fā)人員：王澤民,裴亞利,陳海海,李瞳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航天賽德科技發(fā)展有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17