JP2023115394A - シリカゾルの製造方法及びシリカゾル中の中間生成物の抑制方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]以下の工程(1)及び工程(2)を含む、シリカゾルの製造方法。
工程(1)テトラアルコキシシランを加水分解し縮合し、シリカゾル反応液を得る工程。
工程(2)前記シリカゾル反応液に酸化剤を添加する工程。
[2]酸化剤が、中性酸化剤である、[1]に記載のシリカゾルの製造方法。
[3]加水分解反応・縮合反応に供したテトラアルコキシシランのシリカ換算含有量100質量部に対して、酸化剤を0.005質量部~5質量部添加する、[1]又は[2]に記載のシリカゾルの製造方法。
[4]工程(2)の後に以下の工程(3)を含む、[1]~[3]のいずれかに記載のシリカゾルの製造方法。
工程(3)前記酸化剤を添加したシリカゾル反応液を加温する工程。
[5]テトラアルコキシシランを加水分解し縮合して得たシリカゾル反応液に、酸化剤を添加する、シリカゾル中の中間生成物の抑制方法。
[6]酸化剤が、中性酸化剤である、[5]に記載のシリカゾル中の中間生成物の抑制方法。
[7]加水分解反応・縮合反応に供したテトラアルコキシシランのシリカ換算含有量100質量部に対して、酸化剤を0.005質量部~5質量部添加する、[5]又は[6]に記載のシリカゾル中の中間生成物の抑制方法。
[8]酸化剤を添加したシリカゾル反応液を加温する、[5]~[7]のいずれかに記載のシリカゾル中の中間生成物の抑制方法。
本発明のシリカゾルの製造方法は、以下の工程(1)及び工程(2)を含む。
工程(1)テトラアルコキシシランを加水分解し縮合し、シリカゾル反応液を得る工程。
工程(2)前記シリカゾル反応液に酸化剤を添加する工程。
工程(1)は、テトラアルコキシシランを加水分解し縮合し、シリカゾル反応液を得る工程である。テトラアルコキシシランを加水分解し縮合し、シリカゾル反応液を得る方法は、公知の製造方法を用いればよい。
触媒としては、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、酢酸、ギ酸、クエン酸等の酸触媒、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、アンモニア、尿素、エタノールアミン、テトラメチル水酸化アンモニウム等のアルカリ触媒等が挙げられる。これらの触媒の中でも、触媒作用に優れ、粒子形状を制御しやすいことから、アルカリ触媒が好ましく、金属不純物の混入を抑制することができ、揮発性が高く縮合反応後の除去性に優れることから、アンモニアがより好ましい。
工程(1)と工程(2)の間に、シリカゾル反応液中の成分のうち、不必要な成分を除去し、必要な成分を添加する工程を含むことが好ましい。例えば、アルコール等の溶媒・分散媒、アンモニア等の触媒を除去し、所望の含有率となるように水を添加することが挙げられる。
工程(2)は、シリカゾル反応液に酸化剤を添加する工程である。
この中間生成物は、アルコキシシランの加水分解反応・縮合反応によるシリカゾルの製造時又は製造後における、成長不十分なまま固体として残存したシリカや製造後に溶存ケイ酸から析出したシリカ等と考えられる。
加水分解反応・縮合反応に供したテトラアルコキシシランのシリカ換算含有量とは、加水分解反応・縮合反応に供したテトラアルコキシシラン全量が加水分解反応・縮合反応を経てシリカになった際の、シリカの理論量をいう。
効率よく中間生成物を抑制することができることから、工程(2)の後に、酸化剤を添加したシリカゾル反応液を加温する工程(3)を含むことが好ましい。
本発明のシリカゾル中の中間生成物の抑制方法は、テトラアルコキシシランを加水分解し縮合して得たシリカゾル反応液に、酸化剤を添加する方法であり、前述した工程(1)及び工程(2)を行えばよく、必要に応じて、前述した工程(3)を行えばよい。
シリカゾル中のコロイダルシリカの含有率は、シリカゾル100質量%中、3~50質量%が好ましく、4~40質量%がより好ましく、5~30質量%が更に好ましい。コロイダルシリカの含有率が3質量%以上であると、シリコンウェハに代表される被研磨体に対する研磨レートに優れる。また、コロイダルシリカの含有率が50質量%以下であると、コロイダルシリカの凝集・沈降を抑制し、シリカゾル中でコロイダルシリカの濃度ムラを抑制することができる。
また、シリカゾル中に金属不純物が存在すると、酸性を示す表面シラノール基と金属不純物とが配位的な相互作用が発生し、表面シラノール基の化学的性質(酸性度等)を変化させたり、コロイダルシリカ表面の立体的な環境(コロイダルシリカの凝集のしやすさ等)を変化させたり、研磨レートに影響を及ぼす。
水ガラス等の珪酸アルカリの脱イオンによる方法では、原料由来のナトリウム等が残存するため、シリカゾル中の金属不純物含有率を1ppm以下とすることが困難である。
コロイダルシリカの平均1次粒子径は、BET法により測定したものとする。具体的には、比表面積自動測定装置を用いてコロイダルシリカの比表面積を測定し、下記式(1)を用いて平均1次粒子径を算出するものとする。
平均1次粒子径(nm)=6000/(比表面積(m2/g)×密度(g/cm3)) ・・・ (1)
コロイダルシリカの平均2次粒子径は、DLS法により測定したものとする。具体的には、動的光散乱粒子径測定装置を用いて測定するものとする。
コロイダルシリカのcv値は、動的光散乱粒子径測定装置を用いてコロイダルシリカの平均2次粒子径を測定し、下記式(2)を用いてcv値を算出するものとする。
cv値=(標準偏差(nm)/平均2次粒子径(nm))×100 ・・・ (2)
コロイダルシリカの会合比は、前述の測定方法にて測定した平均1次粒子径と前述の測定方法にて測定した平均2次粒子径とから、下記式(3)を用いて会合比を算出するものとする。
会合比=平均2次粒子径/平均1次粒子径 ・・・ (3)
シリカゾルの粘度は、25℃、ずり速度150/秒の条件で、E型粘度計を用いて測定した値とする。
シリカゾルは、水溶性高分子を溶解させることで、研磨液を得ることができる。
水溶性高分子は、シリコンウェハに代表される被研磨体に対する研磨液の濡れ性を高める。水溶性高分子は、水親和性の高い官能基を保有する高分子であることが好ましく、この水親和性の高い官能基とコロイダルシリカの表面シラノール基との親和性が高く、研磨液中でより近傍にコロイダルシリカと水溶性高分子とが安定して分散する。そのため、シリコンウェハに代表される被研磨体への研磨の際、コロイダルシリカと水溶性高分子との効果が相乗的に機能する。
セルロース誘導体としては、例えば、ヒドロキシエチルセルロース、加水分解処理を施したヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。
ポリビニルピロリドン骨格を有する共重合体としては、例えば、ポリビニルアルコールとポリビニルピロリドンとのグラフト共重合体等が挙げられる。
ポリオキシアルキレン構造を有する重合体としては、例えば、ポリオキシエチレン、ポリオキシプロピレン、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとの共重合体等が挙げられる。
これらの水溶性高分子は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの水溶性高分子の中でも、コロイダルシリカの表面シラノール基との親和性が高く、相乗的に作用して被研磨体の表面に良好な親水性を与えることから、セルロース誘導体が好ましく、ヒドロキシエチルセルロースがより好ましい。
研磨液のpHは、pH調整剤を添加することで、所望の範囲に設定することができる。
本発明のシリカゾルの製造方法により製造されたシリカゾル及びそれを含む研磨液は、研磨用途に好適に用いることができ、例えば、シリコンウェハ等の半導体材料の研磨、ハードディスク基板等の電子材料の研磨、集積回路を製造する際の平坦化工程における研磨(化学的機械的研磨)、フォトマスクや液晶に用いる合成石英ガラス基板の研磨、磁気ディスク基板の研磨等に用いることができ、中でもシリコンウェハの研磨や化学的機械的研磨に特に好適に用いることができる。
シリカゾル及び研磨液の研磨への使用の際は、公知の研磨と同様に行えばよい。例えば、シリコンウェハを研磨する際は、濃度を調製、添加剤を添加した上、研磨機の常盤にセットされた研磨パッド上に滴下して研磨すればよい。
製造例で得られたシリカゾル反応液2gを正確に量り取り、硫酸とフッ酸を加え、加温・溶解・蒸発させ、残存した硫酸滴に総量が正確に10gとなるよう純水を加えて試験液を作成し、高周波誘導結合プラズマ質量分析装置(ICP-MS、機種名「ELEMENT2」、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を用いて、金属不純物含有率を測定した。
金属不純物含有率は、ナトリウムが0.220ppm、カリウムが0.028ppm、鉄が0.003ppm、アルミニウムが0.027ppm、カルシウムが0.015ppm、亜鉛が0.014ppm、マグネシウム、コバルト、クロム、銅、マンガン、鉛、チタン、銀、ニッケルがいずれも0.001ppm未満であった。
実施例2・比較例1で得られたシリカゾルについて、以下の操作により中間生成物の面積の割合を算出した。
まず、シリカゾルを分取して、超純水で5,000倍に希釈した。5,000倍に希釈した希釈液を5μL分取して、ミラーシリコンウエハ(株式会社エレクトロニクスエンドマテリアルズコーポレーション製)に滴下して、50℃で10分間乾燥させた。それを、電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM、機種名「S-5200型」、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)に装着して、加速電圧5kVで、倍率15万倍で、100個~200個のコロイダルシリカの粒子を観察し、画像を撮影した。
コロイダルシリカの粒子と中間生成物との識別は、撮影した画像を、画像解析式粒度分布測定ソフトウエア(ソフト名「Mac-View Ver.4」、株式会社マウンテック製)へ取り込み、実施した。中間生成物の面積をa、コロイダルシリカの粒子の面積をbとしたとき、下記式(4)を用い、中間生成物の面積の割合を算出した。
中間生成物の面積の割合(%)={a/(a+b)}×100 ・・・ (4)
実施例2で得られたシリカゾルのFE-SEMの画像を図1に、比較例1で得られたシリカゾルのFE-SEMの画像を図2に示す。中間生成物は、FE-SEMの画像において、図1や図2でいう黒い線で囲まれた部分のように見える箇所をいう。
実施例・比較例で得られたシリカゾル2mLをサンプルカップに装填し、25℃、ずり速度150/秒の条件で、E型粘度計(機種名「TVE-25」、東機産業株式会社製)を用いて、シリカゾルの粘度を測定した。
実施例・比較例で得られたシリカゾルを凍結乾燥し、比表面積自動測定装置(機種名「フローソーブII」、株式会社島津製作所製)を用いて、コロイダルシリカの比表面積を測定し、下記式(1)を用い、密度を2.2g/cm3として、平均1次粒子径を算出した。
平均1次粒子径(nm)=6000/(比表面積(m2/g)×密度(g/cm3)) ・・・ (1)
実施例・比較例で得られたシリカゾルを、動的光散乱粒子径測定装置(DLS、機種名「ゼーターサイザーナノZS」、マルバーン社製)を用いて、コロイダルシリカの平均2次粒子径を測定し、下記式(2)を用いてcv値を算出した。
cv値=(標準偏差(nm)/平均2次粒子径(nm))×100 ・・・ (2)
測定した平均1次粒子径と平均2次粒子径とから、下記式(3)を用いて会合比を算出した。
会合比=平均2次粒子径/平均1次粒子径 ・・・ (3)
テトラメトキシシランとメタノールとを3:1(体積比)で混合し、原料溶液を調製した。温度計、攪拌機、供給管、留出ラインを備えた反応槽に、予めメタノール、純水、アンモニアを混合した反応溶媒を仕込んだ。反応溶媒中の水の濃度は32質量%、反応溶媒中のアンモニアの濃度は1.5質量%であった。
反応溶媒の温度を33℃に保持しながら、反応溶媒と原料溶液とを2.3:1(体積比)とし、原料溶液を180分間、均等速度で反応槽へ滴下し、シリカゾル反応液を得た。得られたシリカゾル反応液を、コロイダルシリカの含有率が約20質量%になるように、液量を純水追加で調整しながら、温度を上げてメタノールとアンモニアの除去を行い、コロイダルシリカの含有率が約20質量%のシリカゾル反応液を得た。
製造例で得られたシリカゾル反応液に、加水分解反応・縮合反応に供したテトラアルコキシシランのシリカ換算含有量100質量部に対して、過酸化水素が0.5質量部となるよう、35質量%の過酸化水素水を添加し、シリカゾルを得た。
得られたシリカゾルの評価結果を、表1に示す。
製造例で得られたシリカゾル反応液に、加水分解反応・縮合反応に供したテトラアルコキシシランのシリカ換算含有量100質量部に対して、過酸化水素が0.5質量部となるよう、35質量%の過酸化水素水を添加し、ヒーターで加温し、50℃で1時間保持し、更に、80℃で1時間保持し、シリカゾルを得た。
得られたシリカゾルの評価結果を、表1に示す。
製造例で得られたシリカゾル反応液をそのままシリカゾルとした。
得られたシリカゾルの評価結果を、表1に示す。
また、表1からも分かるように、酸化剤を添加する工程を含む実施例の製造方法で得られたシリカゾルと、酸化剤を添加する工程を含まない比較例の製造方法で得られたシリカゾルとで、平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比のコロイダルシリカの物性がほぼ一緒であるにもかかわらず、中間生成物の発生に起因したシリカゾルの粘度差を有することから、酸化剤を添加する工程を含むことで、シリカゾル中のコロイダルシリカの物性を維持しつつ、効率よく中間生成物を抑制することができる。
Claims (8)
- 以下の工程(1)及び工程(2)を含む、シリカゾルの製造方法。
工程(1)テトラアルコキシシランを加水分解し縮合し、シリカゾル反応液を得る工程。
工程(2)前記シリカゾル反応液に酸化剤を添加する工程。 - 酸化剤が、中性酸化剤である、請求項1に記載のシリカゾルの製造方法。
- 加水分解反応・縮合反応に供したテトラアルコキシシランのシリカ換算含有量100質量部に対して、酸化剤を0.005質量部~5質量部添加する、請求項1又は2に記載のシリカゾルの製造方法。
- 工程(2)の後に以下の工程(3)を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載のシリカゾルの製造方法。
工程(3)前記酸化剤を添加したシリカゾル反応液を加温する工程。 - テトラアルコキシシランを加水分解し縮合して得たシリカゾル反応液に、酸化剤を添加する、シリカゾル中の中間生成物の抑制方法。
- 酸化剤が、中性酸化剤である、請求項5に記載のシリカゾル中の中間生成物の抑制方法。
- 加水分解反応・縮合反応に供したテトラアルコキシシランのシリカ換算含有量100質量部に対して、酸化剤を0.005質量部~5質量部添加する、請求項5又は6に記載のシリカゾル中の中間生成物の抑制方法。
- 酸化剤を添加したシリカゾル反応液を加温する、請求項5~7のいずれか1項に記載のシリカゾル中の中間生成物の抑制方法。
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