CN104178033A - 纳米二氧化铈抛光液组合物 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于水晶、光掩模用石英玻璃、半导体装置、玻璃制硬盘、硅氧烷类等的半导体装置的层间绝缘膜用低介电常数材料等抛光用氧化铈抛光液。该抛光液含有表面改性的纳米氧化铈、二氧化硅、分散剂、氧化剂、碱性化合物、醇化合物和水。其中，优选用硬脂酸处理过的纳米氧化铈，其粒径优选10-100nm，质量含量为1-10％；优选胶体二氧化硅的粒径为40-100nm，质量含量为0.1-5％；优选0.01-5％的高分子分散剂，1-10％的过氧化氢氧化剂，其余为醇水混合物，浆料的pH值在8-10。本发明的纳米氧化铈抛光液，选择表面改性的纳米氧化铈，加入适量的二氧化硅，既减少了研磨引发时间又提高了处理稳定性。

Description

纳米二氧化铈抛光液组合物

技术领域

本发明涉及一种纳米二氧化铈抛光液组合物，该抛光液组合物具有良好的分散性及存储稳定性，并且具有优异的抛光性，抛光效率高，表面性能好，不会产生划痕。使用于水晶、光掩模用石英玻璃、半导体装置、玻璃制硬盘、硅氧烷类、有机聚合物类、多孔材料类、CVD聚合物等的半导体装置的层间绝缘膜用低介电常数材料的抛光。

背景技术

稀土氧化物二氧化铈是一种廉价而用途广泛的材料，相比于氧化铝和二氧化硅磨料，氧化铈磨料硬度低，从而难以划伤研磨表面，且具有抛光表面粗糙度低，抛光效率高等优点，因此被广泛用于半导体、绝缘薄层、精密玻璃、超大规模集成电路二氧化硅介质层化学机械抛光，还有光掩模用玻璃的表面、硬盘用玻璃基板、液晶或电浆显示器用玻璃基板、CRT用玻璃等玻璃、水晶的研磨。但传统的氧化铈浆料具有以下缺点：经长时间储存后，浆料不稳定，氧化铈颗粒易沉淀，并且再分散时容易团聚形成大颗粒。而这些大颗粒的存在，将会在晶片的表面上产生划痕。

目前用在高精密抛光中的氧化铈抛光液，对粉体的粒度、形貌及其粒度分布均匀性要求越来越高，颗粒越细、越接近球形、分布越均匀，则抛光效果越好。因此，纳米氧化铈抛光液的研究和应用越来越多。但是，纳米粒子因具有极高的表面能易于团聚，从而限制了它的应用。胶体二氧化硅颗粒具有的球形表明形状，且接近于单分散状态存在，很难形成聚集的颗粒，因此可以减少被抛光表面的划痕，适量的胶体二氧化硅与纳米氧化铈基抛光液复合使用，不仅可以提高抛光速度，并且可以最小化使用没有二氧化硅的抛光液时由于最初时间内的变化导致的工艺不稳定性。这使得抛光工艺开始时的停止时间最小化，因而提高了抛光工艺的产量，节约了成本。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种纳米氧化铈抛光液组合物，该抛光液组合物选用表面改性的纳米氧化铈与胶体二氧化硅复合作为磨料，经过表面改性的纳米氧化铈可以较好地分散到体系中，不易团聚成大颗粒；而适量的二氧化硅加入，不仅提高了抛光速度，而且可以最小化使用没有二氧化硅的抛光液时由于最初时间内的变化导致的工艺不稳定性，这使得抛光工艺开始时的停止时间最小化，因而提高了抛光工艺的产量，节约了成本。而抛光液中的分散剂，使得抛光液具有更好的稳定性，更低的表面张力、高流动性和渗透性，可以降低抛光中的摩擦阻力并取得更佳的润滑作用，在提高抛光效率的同时有更佳抛光效果，并且可以降低生产成本。

为了达到上述目的，所属抛光液还含有氧化剂、碱性化合物、醇化合物和水。

本发明提供纳米氧化铈抛光液可用于水晶、光掩模用石英玻璃、半导体装置或玻璃制硬盘等的抛光。另外，也适用于硅氧烷类、有机聚合物类、多孔材料类、CVD聚合物等的半导体装置的层间绝缘膜用低介电常数材料的抛光。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，详细说明如下：

本实施状态的抛光液组合物含有表面改性的纳米氧化铈、二氧化硅、氧化剂、碱性化合物、分散剂、醇化合物和水。

抛光液中的纳米氧化铈和二氧化硅，承担着抛光磨料的作用。抛光液中纳米氧化铈优选经过表面改性的纳米氧化铈。表面改性后的纳米粒子，在体系中不易团聚，能达到较好的分散性。常用的表面改性剂如硬脂酸、月桂酸、烷基苯磺酸钠、Span-80。本发明优选硬脂酸表面活性剂，硬脂酸的用量为处理粉料质量的0.1-10％。本发明选用粒径为10-100纳米的氧化铈，含量控制在1-10％。

抛光液中的二氧化硅，可以是胶体二氧化硅、气相二氧化硅或沉淀法二氧化硅，也可以是其中的几种的混合物，本发明优选粒径为40-100纳米的胶体二氧化硅，二氧化硅的含量控制在0.1-5％。

抛光液中的分散剂是不含金属离子类的分散剂，可以是高分子分散剂和表面活性剂一种或几种的混合物。该分散剂可以使磨料在抛光液中稳定存在，并且使抛光液具有更低的表面张力、高流动性和渗透性，可以降低抛光中的摩擦阻力并取得更佳的润滑作用，使抛光后的工件表面粗糙度变的更小，在提高抛光效率的同时有更佳抛光效果。常用的分散剂有：聚丙烯酸、聚乙烯硫酸、聚异丁烯酸、聚丙烯酰胺、聚芳基胺、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸铵、聚羧酸酯、羧基-丙烯基聚合物丙烯酸聚合物及其铵盐、甲基丙烯酸聚合物及其铵盐、聚乙烯醇、十二烷基硫酸铵、聚环氧乙烷月桂基醚硫酸铵、聚环氧乙烷月桂基醚、聚单硬脂酸乙二醇酯、一乙醇胺、二乙醇胺、油酸铵、月桂酸胺、月桂基硫酸三乙醇胺、聚氧乙烯脱水山梨醇单月桂酸酯、聚乙二醇二硬脂酸酯、聚乙二醇单硬脂酸酯，十二烷基硫酸三乙醇胺、聚羧酸型高分分散剂、聚氧乙烯十八烯基醚、聚氧乙烯十八烷基醚、硬脂胺乙酸酯、十八烷基甜菜碱、十二烷基甜菜碱、聚乙烯吡咯烷酮。本发明使用的分散剂可以是上述一种或两种以上的混合物，分散剂的用量一般控制在0.01-5％。

抛光液中的氧化剂和碱性化合物，可以辅助对基板表面的化学机械抛光，作为抛光促进剂，辅助磨料进行化学机械抛光的作用。常用的有氯酸盐、高氯酸盐、亚氯酸盐、硝酸铁、过氧化物及过硫酸盐等，本发明优选的是过氧化氢，其的含量控制在196-10％。

抛光液中的碱性化合物，用于腐蚀或者刻蚀对表面进行化学抛光，作为抛光促进剂，辅助胶体磨料进行化学机械抛光的作用。抛光液中的碱性化合物可以是氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸氢钠等的无机碱性化合物。也可以是氨，如氢氧化铵、氢氧化四甲基铵、碳酸氢铵及碳酸铵等铵盐，还有可能是甲胺、二甲胺、三甲胺、乙胺、(一)乙胺醇、N-(β-胺乙基)哌嗪、六亚甲基二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、无水哌嗪、六水合哌嗪、1-(2-胺乙基)哌嗪、N-甲基哌嗪等胺，其中为了提高抛光液的抛光效率，理想的选择是氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化四甲基铵，碱性氧化物可以提高磨料的分散度并使抛光液较易清洗，碱性化合物的含量一般控制在1-10％。

抛光液组合物中的醇类化合物是用来预先润湿表面处理过的纳米氧化铈颗粒，以便使纳米氧化铈更好的分散到体系中。本发明额醇类化合物可以是：甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、聚乙二醇、木糖醇、三甘醇、聚丙二醇、新戊二醇一种或几种的混合物，醇和水的质量比一般控制在0.1∶1-1∶1。

抛光液组合物的其余部分为去离子水，为了减少水中的金属粒子对抛光液的污染，得到性能优异的抛光液，优先于超纯水。

本发明的纳米氧化铈抛光液组合物不但能用于研磨在半导体基板上形成的氧化硅绝缘膜，而且还能用于研磨在含有所定配线的配线板上形成的二氧化硅绝缘膜，以及对玻璃，氮化硅等无机绝缘膜，光掩模、透镜、棱镜等光学玻璃、ITO等无机导电膜，由玻璃和结晶材料构成的光集成电路、光开关元件、光导波路，光纤维的端面，闪烁器等光学用单晶，固体激光单晶，青色激光用LED(发光二极管)刚玉基板，碳化硅、GaP、GaAS等半导体单晶，磁盘用玻璃基板，磁头等抛光。

采用本发明提供的抛光液玻璃基片进行抛光，60min后，可以使得玻璃表面粗糙度由1.721nm降到0.853，可有效消除凹坑、突起、划痕等表面缺陷，并且抛光后的玻璃基片表面光滑、平坦，表面微观起伏小，抛光效果优异，没有划痕。

下面就以具体实例来对本发明进行说明。

根据需要，先用1％硬脂酸对外购的纳米氧化铈进行表面处理，外购氧化铈的粒径为80nm左右，然后用100g甲醇润湿500g该表面处理过的纳米氧化铈，接着分别添加天津西美科技有限公司生产的80nm胶体二氧化硅200g，外购高分子分散剂聚环氧乙烷月桂基醚硫酸铵100g，过氧化氢300g，用氢氧化钾调节pH值约为9，配制出10kg抛光液。

采用上述实施例抛光液对玻璃基片进行抛光实验，采用日本SPEEDFAM公司生产的SPEEDFAM216824M型抛光机，RODEL公司生产的DPC5150型抛光垫，对玻璃基片进行抛光。抛光条件如表1、表2。

抛光液量	抛光压力	下盘转速	抛光液流量
				10kg	0.40MPa	10r/min	850mL/min

表1

抛光时间	抛光盘温度	抛光液温度
			0min	26℃	30℃
15min	27.5℃	30℃
			30min	27.5℃	30.5℃
45min	28℃	30℃
			60min	28℃	30℃

表2

抛光完后接着对玻璃基片进行洗涤和干燥，然后测量基片表面的形貌，玻璃基片的表面粗糙度由1.721nm减低到0.853nm。

以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (14)

1.一种纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：该抛光液组合物含有表面改性的纳米氧化铈、二氧化硅、氧化剂、碱性化合物、分散剂、醇化合物和水。

2.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：所述的纳米氧化铈预先使用表面活性剂对其进行表面处理。

3.按照权利要求2所述，其特征在于：所述表面活性剂为硬脂酸，且表面活性剂的使用量为处理粉末质量的0.1-10％。

4.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：所述纳米氧化铈粒子的粒径在10-100nm，所述氧化铈的质量含量为1-10％。

5.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：所述二氧化硅是胶体二氧化硅、气相二氧化硅或者沉淀法二氧化硅，优选胶体二氧化硅。

6.按照权利要求5所述，其特征在于：所述胶体二氧化硅的粒径在40-100nm，所述胶体二氧化硅的质量含量为0.1-5％。

7.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：所述氧化剂为过氧化物及其它强氧化剂，优先于过氧化氢，所述过氧化氢的质量含量为1-10％。

8.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：所述碱性化合物，一般选自氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠和四甲基氢氧化铵等中的至少一种。

9.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：所述分散剂为高分子分散剂及其它表明活性剂的一种或几种的混合物，所述分散剂的质量含量为0.01-5％。

10.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：所述醇化合物为各种小分子醇类及大分子醇类的一种或几种的混合物。

11.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：其余组分为去离子水，优选于超纯水。

12.按照权利要求10、11所述，其特征在于醇化合物与水的质量比为0.1∶1-1∶1。

13.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：所述抛光液组合物中加入了适量的二氧化硅，其减少了研磨引发时间并提高了处理稳定性。

14.按照权利要求1所述的纳米氧化铈抛光液组合物，其特征在于：该抛光液可用于水晶、光掩模用石英玻璃、半导体装置或玻璃制硬盘等的抛光。另外，也适用于硅氧烷类、有机聚合物类、多孔材料类、CVD聚合物等的半导体装置的层间绝缘膜用低介电常数材料的抛光。