CN101372560B

CN101372560B - 一种化学机械抛光用磨料及其制备方法

Info

Publication number: CN101372560B
Application number: CN2008102012309A
Authority: CN
Inventors: 汪海波; 刘卫丽; 宋志棠; 封松林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: CN101372560A

Abstract

本发明提供了一种化学机械抛光用磨料及其制备方法，用于化学机械抛光领域。将纳米级的SiO₂磨料稀释成浓度10％(质量分数)以下，作为生长的基体。用铝盐在80-90℃下加入水解，然后加入酸在90-100℃陈化，制得酸性AlOOH溶液。将水玻璃稀释到10％以下，通过强阳离子交换树脂，制得活性硅酸。最后按照粒子生长法将制得的AlOOH溶液和硅酸滴入到硅溶胶中，加入一定量碱，控制pH值在8-11之间，恒温加热并剧烈搅拌，陈化2小时。硅基上生长的铝硅复合物中，硅铝的原子比例可以按照AlOOH和活性硅酸的比例控制。制得的磨料能够扩展磨料存在的pH值范围；提高化学机械抛光的应用范围；能够改善表面化学性质。

Description

一种化学机械抛光用磨料及其制备方法

技术领域

本发明涉及精密抛光磨料制备工艺领域，尤其是指一种SiO₂基包覆硅铝复合体化学机械抛光用磨料及其制备方法。

背景技术

化学机械抛光是一种广泛用于微电子领域的一种工艺方法，无论在衬底的抛光还是在集成电路的制备过程都是非常必要的过程。它所常用的磨料包括氧化铈、氧化铝、氧化硅。氧化铝莫氏硬度在9.0，具有抛光速度快的优点，但难于分散成均匀的球体，容易造成划伤，这在要求严密的微电子领域是个缺陷；氧化硅和硅的莫氏硬度一样，难于提高抛光速率，但是分散性和稳定性很好。鉴于化学机械抛光对磨料苛刻的要求，人们利用各种磨料的优缺点，扬长避短，制作出各种复合磨料。

例如，CN1850916中描述了一种用SiO₂包覆Al₂O₃的复合磨料制备方法，是通过包覆的氧化硅的硬度低于氧化铝的硬度，从而能降低硬盘和玻璃基片抛光的粗糙度，但是这种制备方法是用Al₂O₃分散，难以达到胶体SiO₂在水中那样的均匀性。且pH值只能在碱性。再如在CN1635043中介绍了氧化铝包覆氧化硅的抛光液的应用。但是没有介绍其制备方法，这种磨料是在酸性条件下存在，不能在碱性条件下抛光，而现在的微电子中要求碱性抛光液。

对于硅溶胶以及硅溶胶的包覆理论，在Iler的经典书籍《硅溶胶》中有详细介绍。最近几十年人们对于硅溶胶研究更深入，在H.E.Bergna的《硅溶胶的基础和应用》中有详细的介绍。当硅铝一起存在时候，铝会取代部分硅原子，形成Si-0-Al结构。而在溶胶表面，根据Bergna研究结果，Si和羟基、水的结合，在硅表面形成羟基团，羟基团也是硅溶胶稳定的因素，但是这只能在碱性条件下，铝则不和羟基结合，只能吸引水中的氧原子。所以表面的Si-O-Al结构能够使得硅胶体表面的0H量减少，减少的比例可以按照表面铝含量控制。因此，控制硅溶胶表面羟基含量是控制化学机械抛光手段之一。

本发明经过广泛的研究，制备出存在于中性和碱性条件下的磨料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种化学机械抛光用磨料及其制备方法，能够扩展磨料存在的pH值范围；提高化学机械抛光的应用范围；改善表面化学性质。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种化学机械抛光用磨料，其包括基体及包覆层，所述基体是SiO₂胶体，所述包覆层是硅氧铝键连，所述SiO₂胶体由粒径为5-200nm SiO₂制成。

作为本发明的优选方案之一，所述SiO₂胶体是碱性SiO₂胶体。

作为本发明的优选方案之一，所述硅氧铝键连是一种Si-O-Al结构。

作为本发明的优选方案之一，其所用的SiO₂粒径为50—100纳米。本发明进一步包括一种化学抛光用磨料制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，制备SiO₂胶体；

步骤二，由铝盐水解法制备Al00H溶液；

步骤三，由离子交换法制备活性硅酸；

步骤四，使用粒子生长法制备化学机械抛光用磨料。

作为本发明的优选方案之一，该方法进一步包括步骤五：用离心分散法择出粒径相近的化学机械抛光用磨料。

作为本发明的优选方案之一，所述步骤一包括以下步骤：选用粒径在5—200纳米之间的SiO₂，将其稀释成1％—5％的胶体溶液，用KOH或HCl调节pH值为8—11.5之间。

作为本发明的优选方案之一，所述步骤二包括以下步骤：选用有机铝盐或无机铝盐充分研磨，然后按水和铝盐mol比200：1加入到水中，超声分散；然后放到四口烧瓶中在81—89度下水解1.5-2小时，升温90-95度，加入一定量的HNO₃，使pH值在3.0-4.1之间，回流陈化16-28小时。

作为本发明的优选方案之一，所述有机铝盐是指异丙醇铝，无机铝盐是指AlCl₃。

作为本发明的优选方案之一，所述步骤三包括以下步骤：选取40％硅酸钠，稀释成5％浓度，在强阳离子交换树脂下进行离子交换，生成活性硅酸。

作为本发明的优选方案之一，所述步骤四包括以下步骤：取步骤一中的SiO₂胶体200ml做母体，取步骤二和步骤三中生成的AlOOH溶液和活性硅酸溶液，缓慢将AlOOH溶液和活性硅酸溶液加入SiO₂胶体中，并同时加入有机碱或无机碱保持pH值9-11之间，并同时加热温度100度，转速为800rpm，加完以后陈化2小时。

作为本发明的优选方案之一，所述步骤四中粒子生长的条件在85度，碱性条件下，控制pH9-11之间。

作为本发明的优选方案之一，所述步骤四所使用的碱包括适用有机碱。

本发明提供一种用于制备化学机械抛光的磨料及其制备方法，将纳米级的SiO₂磨料稀释成浓度10％(质量分数)以下，作为生长的基体。用铝盐在80-90℃下加入水解，然后加入酸在90-100℃陈化，制得酸性AlOOH溶液。将水玻璃稀释到10％以下，通过强阳离子交换树脂，制得活性硅酸。最后按照粒子生长法将制得的AlOOH溶液和硅酸滴入到硅溶胶中，加入一定量碱，控制pH值在8-11之间，恒温加热并剧烈搅拌，陈化2小时。硅基上生长的铝硅复合物中，硅铝的原子比例可以按照AlOOH和活性硅酸的比例控制。制得的磨料能够扩展磨料存在的pH值范围；提高化学机械抛光的应用范围；能够改善表面化学性质。

附图说明

图1是本发明一种化学机械抛光磨料制备方法流程示意图。

具体实施方式

本发明是一种铝硅复合包覆SiO₂磨料及制备方法，其包括以下步骤：

(1)制备母体SiO₂。选用商用SiO₂，其粒径可在5-200纳米之间，或20—100纳米之间，最佳可选50—100纳米。或5-50纳米，或100-200纳米。pH值可在9—11之间。将其稀释成1％—5％的胶体溶液，用KOH或HCl调节pH值为10左右。

(2)水解生成AlOOH溶液。铝盐水解，最佳使用能挥发的有机铝盐，如异丙醇铝。其次可使用无机铝盐。用研钵充分研磨，然后按水和铝盐mol比200：1加入到水中，超声分散。然后放到四口烧瓶中在81—89度下水解1.5-2小时，升温90-95度，加入一定量的HNO₃，使pH值在3.0-4.1之间。回流陈化16-28小时。

(3)制备活性硅酸。选取商用40％硅酸钠，稀释成5％浓度，在强阳离子交换树脂下进行离子交换，生成活性硅酸。

(4)生成复合磨料。最后按照需要在多口烧瓶中发生脱水反应。取(1)的胶体200ml做母体，取一定量(2)和(3)溶液，缓慢将(2)和(3)加入(1)，并同时加入KOH或NaOH保持pH值9-11之间，并同时加热温度100度，转速为800rpm。加完以后陈化2小时。

(5)离心分散。将(3)制得的复合磨料，用离心分散，选择出粒径相近的复合磨料。

下面结合具体实施例对技术方案的实施作进一步的详细描述：

实施实例1：

(1)量取30％60纳米的硅溶胶10ml，其pH值10.3。将其稀释20倍。用KOH调节pH值为10。

(2)称取异丙醇铝14g，放在研磨詙中充分研磨碎，加入400ml水，放在四口烧瓶中加热水解1.5h，温度85度，水循环。升温到93度，加入HNO₃使pH值为然后敞口恒温加热24小时，得到200mlpH值3.7透明的铝溶胶。

(3)量取50ml40％水玻璃，稀释成5％，加入阳离子交换柱，得到408ml活性硅酸

(4)将(1)得的基体磨料200ml，放入四口烧瓶中，加热到85度，用蠕动泵以2ml/sec的速率将(2)得到的铝溶胶打入多口烧瓶中，同样将(3)得到的200ml活性硅酸2ml/sec加入到(1)中，并同时加热温度100度，转速为800rpm。同时加入一定量KOH，保持pH值为9。用循环冷却系统冷却水，每14min放一次水。硅和铝溶胶打完后，陈化2小时。得到复合磨料200ml。

(5)离心分散。

实施实例2：

(1)量取30％100纳米的硅溶胶10ml，其pH值10.2。将其稀释20倍，用KOH调节pH值为10。

(2)称取AlCl₃9g，放在研磨詙中充分研磨碎，加入400ml水，放在四口烧瓶中加热水解1.5h，温度85度，水循环。升温到93度，加入HNO₃使pH值为然后敞口恒温加热24小时，得到200mlpH值3.2透明的铝溶胶。

(4)将(1)得的基体磨料200ml，放入多口烧瓶中，加热到85度，用蠕动泵以2ml/sec的速率将(2)得到的铝溶胶打入多口烧瓶中，同样将得到的200ml活性硅酸2ml/sec加入到(1)中，并同时加热温度100度，转速为800rpm。同时加入一定量KOH，保持pH值为9。用循环冷却系统冷却水，每14min放一次水。硅和铝溶胶打完后，陈化2小时。得到复合磨料200ml。

(5)离心分散。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。如，其所用的SiO₂粒径最好在50—100纳米，其次是5—50纳米和100-200纳米；铝盐水解法制备的AlOOH，其所用铝盐最好是有机铝盐，水解后能自动挥发，如异丙醇铝，其次是无机铝盐，如AlCl₃；硅酸和AlOOH加入方式为连续加入，控制形核与长大；粒子生长的条件在85度，碱性条件下，控制pH在8-11.5之间，优先9-11之间；所述步骤四所使用的碱包括适用有机碱，优选无机碱，如NaOH、KOH等特征均不脱离本发明精神和范围，均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims

1.一种化学机械抛光用磨料，其包括基体及包覆层，其特征在于：所述基体是SiO₂胶体，所述包覆层是硅氧铝键连，所述SiO₂胶体由粒径为5-200nm SiO₂制成；所述SiO₂胶体是碱性SiO₂胶体；所述硅氧铝键连是一种Si-O-Al结构。

2.如权利要求1所述的化学机械抛光用磨料，其特征在于：其所用的SiO₂粒径为50-100纳米。

3.一种化学抛光用磨料制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，制备SiO₂胶体；

步骤二，由铝盐水解法制备AlOOH溶液；

步骤三，由离子交换法制备活性硅酸；

步骤四，使用粒子生长法制备化学机械抛光用磨料；

所述步骤四包括以下步骤：取步骤一中的SiO₂胶体200ml做母体，取步骤二和步骤三中生成的AlOOH溶液和活性硅酸溶液，缓慢将AlOOH溶液和活性硅酸溶液加入SiO₂胶体中，并同时加入有机碱或无机碱保持pH值9-11之间，并同时加热温度100度，转速为800rpm，加完以后陈化2小时。

4.如权利要求3所述的一种化学抛光用磨料制备方法，其特征在于：该方法进一步包括步骤五：用离心分散法择出粒径相近的化学机械抛光用磨料。

5.如权利要求3所述的一种化学抛光用磨料制备方法，其特征在于：所述步骤一包括以下步骤：选用粒径在5-200纳米之间的SiO₂，将其稀释成1％-5％的胶体溶液，用KOH或HCl调节pH值为8-11.5之间。

6.如权利要求3所述的一种化学抛光用磨料制备方法，其特征在于：所述步骤二包括以下步骤：选用有机铝盐或无机铝盐充分研磨，然后按水和铝盐mol比200∶1加入到水中，超声分散；然后放到四口烧瓶中在81-89度下水解1.5-2小时，升温90-95度，加入一定量的HNO₃，使pH值在3.0-4.1之间，回流陈化16-28小时。

7.如权利要求6所述的一种化学抛光用磨料制备方法，其特征在于：所述有机铝盐是指异丙醇铝，无机铝盐是指AlCl₃。

8.如权利要求3所述的一种化学抛光用磨料制备方法，其特征在于：所述步骤三包括以下步骤：选取40％硅酸钠，稀释成5％浓度，在强阳离子交换树脂下进行离子交换，生成活性硅酸。