CN105883824B - 一种大粒径硅溶胶的制备方法 - Google Patents

一种大粒径硅溶胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大粒径硅溶胶的制备方法，包括如下步骤：（1）加入质量分数为8‑10%、粒径为10‑20nm的硅溶胶基质溶液，加入质量分数是硅溶胶基质溶液的0.1%‑1%十二醇硫酸钠，调节pH值，加热煮沸，获得溶胶基质；（2）以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸体积分数的0.05%‑5%的聚合物交联剂，制得粒径较大的硅酸；(3)往步骤（1）的溶胶基质中加入步骤（2）中硅酸，加入碱溶液调节pH值为9.5‑10.5，所述硅酸的流量是1000‑5000g/min加热合成超大粒径的硅溶胶。采用上述方法可获得超大粒径的硅溶胶，其操作方便，生产周期短，效率高。

Description

一种大粒径硅溶胶的制备方法
技术领域
本发明属于硅溶胶制备技术领域，具体的说,是关于一种大粒径硅溶胶的制备方法。
背景技术
到目前为止，硅溶胶仍然是集成电路平坦化过程中最重要的磨粒。大粒径硅溶胶可以提高平坦化速率，进而提高制造效率、增加产能。除此之外，在平坦化过程中硅溶胶的粒径分布，对集成电路的影响也较大：相同固含量大粒径的硅溶胶，粒径分布均匀的颗粒可以获得较高的平坦化效率和表面质量；如果硅溶胶的粒径分布较宽，较小粒径部分在研磨过程中起到的机械作用十分有限，较大粒径部分很容易引起划伤，这将会带来制造效率和质量同时下降。
硅溶胶是二氧化硅的胶体微粒分散于水中的胶体溶液，是一种十分重要的无机材料，其胶粒大小可以为5-100nm。由于硅溶胶中二氧化硅颗粒表面具有大量的羟基，具有较大的反应活性，因此被广泛应用于化工、精密铸造、纺织、造纸、涂料、食品、电子、选矿等领域。硅溶胶的制备方法主要包括：单质硅水解法、离子交换法、直接酸中和法、电解电渗析法、胶溶法和分散法，目前在工业上被广泛采用的是单质硅水解法和离子交换法。
单质硅水解法合成的硅溶胶粒径一般为20nm，浓度为30%，这种产品难以满足某些特殊行业对硅溶胶粒径和浓度的要求。
专利CN101597066A公开的一种离子交换制备硅溶胶晶种的方法，反应时间2-48小时。专利CN101070161A和CN15107411A公开的离子交换法制备的硅溶胶粒径较低。专利CN102432027A公开的离子交换法制备单分散、大粒径、高稳定性的酸性硅溶胶及其制造方法，所制备的硅溶胶的粒径最大可以达到100nm，但是所得硅溶胶的粒径分布在1-100nm之间，无法满足现代集成电路制造的要求。
因此，如何合成粒径更大、浓度更高、粒度分布更均匀的硅溶胶来满足这些特殊行业应用的需求，是硅溶胶行业不断研究的课题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种大粒径硅溶胶的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种大粒径硅溶胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）溶胶基质的制备：
加入质量分数为8-10%、粒径为10-20nm的硅溶胶基质溶液，加入体积分数是硅溶胶基质溶液的0.1%-1%十二醇硫酸钠，调节pH值范围为9.0-10.5，加热温度为90-100℃，获得溶胶基质；
（2）大粒径硅酸的制备
以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，向活性硅酸中加入硅酸体积分数的0.05%-5%的聚合物交联剂，使得活性硅酸进一步聚集，制得粘度粒径为20-30nm的硅酸，硅酸pH为2-4；
（3）大粒径硅溶胶的制备
往步骤（1）的溶胶基质中加入步骤（2）中硅酸，再加入碱溶液，调节pH值为9.5-10.5，所述硅酸的流量是1000-5000g/min，加热合成超大粒径的硅溶胶。
根据本发明，所述步骤（2）中的活性硅酸和聚合物交联剂的体积比为100:0.5-5。
根据本发明，所述步骤（2）的聚合物交联剂为环状硅烷、八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷或十二甲基环五硅氧烷中的至少一种。
根据本发明，所述步骤（3）中的溶胶基质、硅酸和碱溶液的体积比为5-9.7:90-94.7：0.3。
优选的，所述步骤（3）中的溶胶基质、硅酸和碱溶液的体积比为5:94.7：0.3。
根据本发明，所述步骤（3）的碱溶液为硅酸钠、氨水、乙胺、乙醇胺、二甲胺、三甲胺或四羟基铵等的一种或几种。
根据本发明，所述步骤（3）的加热温度为98-100℃，时间为2-10小时，合成粒径为100-220nm。
本发明的大粒径硅溶胶的制备方法，其有益效果是：采用本发明的方法可以获得粒径为100-220nm的硅溶胶；与现有的大粒径硅溶胶的方法相比，其制备方法步骤简单，生产周期和工艺流程较短，生产耗能和成本降低。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明的大粒径硅溶胶的制备方法作进一步详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
以下实施例中所使用的技术，包括离子交换反应等，除非特别说明，均为本领域内的技术人员已知的常规技术；所使用的仪器设备等，除非是本说明书特别注明，均为一般本领域的研究和技术人员可以通过公共途径获得的。
以下实施例的质量分数为8-10%、粒径为10-20nm硅溶胶基质溶液为市售产品。
实施例1
（1）溶胶基质的制备：
加入质量分数为8-10%、粒径为10-20nm的硅溶胶基质溶液，加入体积分数是硅溶胶基质溶液的0.1%十二醇硫酸钠，调节pH值至9，加热煮沸，获得溶胶基质；
（2）大粒径硅酸的制备
以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，向活性硅酸中加入0.5%的八甲基环四硅氧烷，使得活性硅酸进一步聚集，制得粘度粒径为20nm的硅酸，硅酸pH为3.5；
（3）超大粒径硅溶胶的制备
往步骤（1）的溶胶基质中加入步骤（2）中硅酸，再加入四羟基铵，调节pH值为9.5，所述硅酸的流量是5000g/min，加热合成粒径为105nm的硅溶胶。
其中：
所述步骤（2）中的活性硅酸和聚合物交联剂的体积比为100:0.5。
所述步骤（3）中的溶胶基质、硅酸和碱溶液的体积比为9.7:90：0.3 。
所述步骤（3）的加热温度为98-100℃，时间为2小时。
实施例2
（1）溶胶基质的制备：
加入质量分数为8-10%、粒径为10-20nm的硅溶胶基质溶液，加入体积分数是硅溶胶基质溶液的1%十二醇硫酸钠，调节pH值至10.5，加热煮沸，获得溶胶基质；
（2）大粒径硅酸的制备
以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸体积分数的1%的四甲基四乙烯基环四硅氧烷，使得活性硅酸进一步聚集，制得粘度粒径为25nm的硅酸，硅酸pH为2；
（3）超大粒径硅溶胶的制备
往步骤（1）的溶胶基质中加入步骤（2）中硅酸，再加入硅酸钠，调节pH值为9.6，所述硅酸的流量是2500g/min，加热合成粒径为150nm的硅溶胶。
其中：
所述步骤（2）中的活性硅酸和聚合物交联剂的体积比为100:1。
所述步骤（3）中的溶胶基质、硅酸和碱溶液的体积比为6:93.7：0.3 。
所述步骤（3）的加热温度为98-100℃，时间为4小时。
实施例3
（1）溶胶基质的制备：
加入质量分数为8-10%、粒径为10-20nm的硅溶胶基质溶液，加入体积分数是硅溶胶基质溶液的1%十二醇硫酸钠，调节pH值范围为8.5，加热煮沸，获得溶胶基质；
（2）大粒径硅酸的制备
以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸体积分数的5%的十二甲基环五硅氧烷，使得活性硅酸进一步聚集，制得粘度粒径为30nm的硅酸，硅酸pH为4；
（3）超大粒径硅溶胶的制备
往步骤（1）的溶胶基质中加入步骤（2）中硅酸，再加入四羟基铵，调节pH值为9.5，所述硅酸的流量是1200g/min，加热合成粒径为180nm的硅溶胶。
其中：
所述步骤（2）中的活性硅酸和聚合物交联剂的体积比为100:5。
所述步骤（3）中的溶胶基质、硅酸和碱溶液的体积比为5:94.7：0.3 。
所述步骤（3）的加热温度为98-100℃，时间为9小时。
实施例4
（1）溶胶基质的制备：
加入质量分数为8-10%、粒径为10-20nm的硅溶胶基质溶液，加入体积分数是硅溶胶基质溶液的1%十二醇硫酸钠，调节pH值范围为9.5，加热煮沸，获得溶胶基质；
（2）大粒径硅酸的制备
以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸体积分数的2%的十二甲基环五硅氧烷与3%四甲基四乙烯基环四硅氧烷，使得活性硅酸进一步聚集，制得粘度粒径为35nm的硅酸，硅酸pH为4；
（3）超大粒径硅溶胶的制备
往步骤（1）的溶胶基质中加入步骤（2）中硅酸，再加入氨水和四羟基铵，调节pH值为9.5，所述硅酸的流量是1000g/min，加热合成粒径为220nm的硅溶胶。
其中：
所述步骤（2）中的活性硅酸和聚合物交联剂的体积比为100:5。
所述步骤（3）中的溶胶基质、硅酸和碱溶液的体积比为5:94.7：0.3 。
所述步骤（3）的加热温度为98-100℃，时间为10小时。
将实施例1-3所述的硅溶胶与其它市售的硅溶胶的性能进行对比，见表1
硅溶胶的性能对比
结论：
（1）采用实施例1-4的方法获得的硅溶胶粒径在105-220nm，尤其使用有机碱合成的硅溶胶纯度较高，稳定性较好。
（2）硅溶胶的粘度越低，稳定性越好。实施例1-4的粘度低，尤其是实施例3和实施例4的粘度特别低，可见采用实施例3和4的方法获得的硅溶胶的稳定性好。
（3）实施例1-4的合成周期短,生产效率高。

Claims (8)

1.一种大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
（1）溶胶基质的制备：
加入质量分数为8-10%、粒径为10-20nm的硅溶胶基质溶液，加入体积分数是硅溶胶基质溶液的0.1%-1%十二醇硫酸钠，调节pH值范围为8.5-10.5，加热温度为90-100℃，获得溶胶基质；
（2）大粒径硅酸的制备
以水玻璃为原料，经离子交换反应制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸体积分数的0.05%-5%的聚合物交联剂，制得粒径为20-30nm的硅酸，硅酸pH为2-4；
（3）大粒径硅溶胶的制备
往步骤（1）的溶胶基质中加入步骤（2）中硅酸，再加入碱溶液，调节pH值为9.5-10.5，所述硅酸的流量是1000-5000g/min，加热合成大粒径的硅溶胶。
2.如权利要求1所述的大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的活性硅酸和聚合物交联剂的体积比为100:0.5-5。
3.如权利要求1所述的大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）的聚合物交联剂为环状硅烷、八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷或十二甲基环五硅氧烷中的至少一种。
4.如权利要求1所述的大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中的溶胶基质、硅酸和碱溶液的体积比为5-9.7:90-94.7：0.3。
5.如权利要求4所述的大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中的溶胶基质、硅酸和碱溶液的体积比为5:94.7：0.3。
6.如权利要求1所述的大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）的碱溶液的流量为1000-5000g/min。
7.如权利要求1所述的大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）的碱溶液为硅酸钠、氨水、乙胺、乙醇胺、二甲胺、三甲胺或四羟基铵中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的大粒径硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）的加热温度为98-100℃，时间为2-10小时，合成粒径为100-220nm。
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Denomination of invention: Preparation method of large-particle-size silica sol

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Pledgee: China Co truction Bank Corp Dongguan Dongkeng branch

Pledgor: Guangdong Well-Silicasol Co., Ltd.

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