JP7225898B2 - シリカ粒子の製造方法、シリカゾルの製造方法及び研磨方法 - Google Patents

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Description

本発明は、シリカ粒子の製造方法、シリカゾルの製造方法及び研磨方法に関する。
金属や無機化合物等の材料の表面を研磨する方法として、研磨液を用いた研磨方法が知られている。中でも、半導体用のプライムシリコンウェハやこれらの再生シリコンウェハの最終仕上げ研磨、及び、半導体デバイス製造時の層間絶縁膜の平坦化、金属プラグの形成、埋め込み配線形成等の化学的機械的研磨(CMP)では、その表面状態が半導体特性に大きく影響するため、これらの部品の表面や端面は、極めて高精度に研磨されることが要求されている。
このような精密研磨においては、シリカ粒子を含む研磨組成物が採用されており、その主成分である砥粒として、コロイダルシリカが広く用いられている。コロイダルシリカは、その製造方法の違いにより、四塩化珪素の熱分解によるもの(ヒュームドシリカ等)、水ガラス等の珪酸アルカリの脱イオンによるもの、アルコキシシランの加水分解反応・縮合反応(一般に「ゾルゲル法」と称される)によるもの等が知られている。
コロイダルシリカの製造方法に関し、これまで多くの検討がなされてきた。例えば、特許文献1~3には、アルコキシシランの加水分解反応・縮合反応によりシリカゾルを製造する方法が開示されている。
特開平11-60232号公報 国際公開第2008/123373号 国際公開第2008/015943号
ところで、一般的に、アルコキシシランの加水分解反応・縮合反応により得られるシリカゾル中のシリカ粒子は、縮合度が十分に高いとは言えない。その理由として、加水分解反応と縮合反応が同時に進行し、アルコキシ基が残存しやすいためであると考えられる。縮合度が低いシリカ粒子は、員環の形成が不十分で欠陥が多く、機械的強度に劣る。そのような縮合度が低いシリカ粒子を研磨に用いると、研磨中にシリカ粒子が破壊され、破壊されたシリカ粒子が被研磨体に付着する等、研磨において悪影響を及ぼす。また、縮合度が低いシリカ粒子は、アルコキシ基が多く残存しているため、保存中にアルコキシ基が反応する等、保存安定性に劣る。
特許文献1~3に開示されているアルコキシシランの加水分解反応・縮合反応によりシリカゾルを製造する方法は、得られたシリカゾルに対して加圧加熱処理を行う等のシリカ粒子の縮合度を高める処理を行っておらず、得られたシリカ粒子は、員環の形成が不十分で欠陥が多く、機械的強度に劣り、保存安定性に劣ると考えられる。
また、シリカ粒子の縮合度を高める処理として加圧加熱処理を行う等の処理が考えられるが、加圧加熱処理の条件次第では、シリカ粒子の縮合度を高めるだけでなく、平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比等のシリカ粒子の構造や物性が大きく変化し、研磨特性等に悪影響を及ぼす。
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、加圧加熱処理前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなく、シリカ粒子の表面シラノール基密度及びシリカ粒子のd値を精密に制御するシリカ粒子の製造方法を提供することにある。
従来のアルコキシシランの加水分解反応・縮合反応によりシリカゾルを製造する方法は、加圧加熱処理前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなく、シリカ粒子の表面シラノール基密度及びシリカ粒子のd値を精密に制御することが困難であった。特に、シリカ粒子の表面シラノール基密度は、2003年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集(270ページ)にも記載されているように、研磨レートに大きく影響するため、シリカ粒子の表面シラノール基密度を精密に制御する方法が求められている。本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、加圧加熱処理前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなく、シリカ粒子の表面シラノール基密度及びシリカ粒子のd値を精密に制御するための好適な加圧加熱処理の条件を見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の要旨は、以下の通りである。
[1]以下の工程(1)及び工程(2)を含む、シリカ粒子の製造方法。
工程(1):テトラアルコキシシランを加水分解反応・縮合反応させ、シリカ粒子を得る工程。
工程(2):シリカ粒子を0.1MPa~0.62MPaで加圧加熱処理する工程。
[2]工程(2)における加圧加熱処理の温度が、100℃~220℃である、[1]に記載のシリカ粒子の製造方法。
[3]工程(2)における加圧加熱処理の時間が、4時間以内である、[1]又は[2]に記載のシリカ粒子の製造方法。
[4]工程(2)において、シリカ粒子を水に分散させた水分散液の状態で加圧加熱処理を行う、[1]~[3]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法。
[5]前記水分散液のpHが、6.0~8.0である、[4]に記載のシリカ粒子の製造方法。
[6]工程(2)の前後でのシリカ粒子の平均1次粒子径の変化率が、30%以内である、[1]~[5]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法。
[7]シリカ粒子の平均1次粒子径が、5nm~100nmである、請求項[1]~[6]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法。
[8]シリカ粒子の平均2次粒子径が、10nm~200nmである、請求項[7]~[7]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法。
[9]前記テトラアルコキシシランが、テトラメトキシシランである、請求項[1]~[8]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法。
[10][1]~[9]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法を含む、シリカゾルの製造方法。
[11][1]~[9]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法で得られたシリカ粒子を含む研磨組成物を用いて研磨する、研磨方法。
本発明のシリカ粒子の製造方法は、加圧加熱処理前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなく、シリカ粒子の表面シラノール基密度及びシリカ粒子のd値を精密に制御することができる。
以下に本発明について詳述するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更して実施することができる。尚、本明細書において「~」という表現を用いる場合、その前後の数値又は物性値を含む表現として用いる。
(シリカ粒子の製造方法)
本発明のシリカ粒子の製造方法は、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反応・縮合反応させ、シリカ粒子を得る工程。
工程(2):シリカ粒子を0.1MPa~2.3MPaで加圧加熱処理する工程。
(工程(1))
工程(1)は、テトラアルコキシシランを加水分解反応・縮合反応させ、シリカ粒子を得る工程である。
本発明のシリカ粒子の製造方法は、工程(1)を含むことで、得られるシリカゾルの金属不純物含有率を低減することができる。
テトラアルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン等が挙げられる。これらのテトラアルコキシシランは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのテトラアルコキシシランの中でも、加水分解反応が早く、未反応物が残留しづらく、生産性に優れ、安定なシリカゾルを容易に得ることができることから、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランが好ましく、テトラメトキシシランがより好ましい。
シリカ粒子を構成する原料は、テトラアルコキシシランの低縮合物等のテトラアルコキシシラン以外の原料を用いてもよいが、反応性に優れることから、シリカ粒子を構成する全原料100質量%中、テトラアルコキシシランが50質量%以上で、テトラアルコキシシラン以外の原料が50質量%以下であることが好ましく、テトラアルコキシシランが90質量%以上で、テトラアルコキシシラン以外の原料が10質量%以下であることがより好ましい。
加水分解反応・縮合反応を行う際の反応に用いる溶媒・分散媒は、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等が挙げられる。これらの溶媒・分散媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの溶媒・分散媒の中でも、加水分解反応・縮合反応で用いるものと副生するものとが同一で、製造上の利便性に優れることから、水、アルコールが好ましく、水、メタノールがより好ましい。
加水分解反応・縮合反応を行う際、触媒存在下であってもよく、無触媒下であってもよいが、加水分解反応・縮合反応を促進できることから、触媒存在下が好ましい。
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、アルカリ触媒が好ましく、アンモニアがより好ましい。
(工程(1)と工程(2)との間)
工程(1)と工程(2)との間に、他の工程を含んでもよいが、工程(2)における加圧加熱処理の圧力を低く保つことができることから、置換工程を含むことが好ましい。
置換工程とは、加水分解反応・縮合反応後の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である。
置換工程は、工程(2)における加圧加熱処理の圧力を低く保つことができることから、有機化合物を除去し、水を添加することが好ましい。
(工程(2))
工程(2)は、シリカ粒子を0.1MPa~2.3MPaで加圧加熱処理する工程である。
本発明のシリカ粒子の製造方法は、工程(2)を含むことで、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなく、シリカ粒子の表面シラノール基密度及びシリカ粒子のd値を精密に制御することができる。
加圧加熱処理の圧力は、0.10MPa~2.3MPaが好ましく、0.14MPa~1.0MPaがより好ましい。加圧加熱処理の圧力が0.10MPa以上であると、シリカ粒子の縮合度を高めることができる。また、加圧加熱処理の圧力が2.3MPa以下であると、平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなくシリカ粒子を製造することができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。
加圧加熱処理の温度は、100℃~220℃が好ましく、110℃~180℃がより好ましい。加圧加熱処理の温度が100℃以上であると、シリカ粒子の縮合度を高めるに優れる。加圧加熱処理の温度が220℃以下であると、平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなくシリカ粒子を製造することができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。
加圧加熱処理の時間は、0.25時間~6時間が好ましく、0.5時間~4時間がより好ましい。加圧加熱処理の時間が0.25時間以上であると、シリカ粒子の縮合度を高めるに優れる。加圧加熱処理の時間が6時間以下であると、平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなくシリカ粒子を製造することができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。
加圧加熱処理は、空気中で行ってもよく、溶媒・分散媒中で行ってもよいが、シリカゾルの分散安定性に優れることから、溶媒・分散媒中で行うことが好ましく、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなく、シリカ粒子の表面シラノール基密度及びシリカ粒子のd値を精密に制御することができることから、シリカ粒子を水に分散させた水分散液の状態で行うことがより好ましい。
加圧加熱処理を水分散液中で行う際の水分散液のpHは、6.0~8.0が好ましく、6.5~7.8がより好ましい。水分散液のpHが6.0以上であると、シリカゾルのゲル化を抑制することができる。また、水分散液のpHが8.0以下であると、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させることなく、シリカ粒子の表面シラノール基密度及びシリカ粒子のd値を精密に制御することができ、シリカ粒子の凝集を抑制することができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。
(加圧加熱処理後のシリカ粒子の物性)
以下、本発明のシリカ粒子の製造方法により得られるシリカ粒子の物性、即ち、加圧加熱処理後のシリカ粒子の物性について述べる。
シリカ粒子の平均1次粒子径は、5nm~100nmが好ましく、10nm~60nmがより好ましい。シリカ粒子の平均1次粒子径が5nm以上であると、シリカゾルの保存安定性に優れる。また、シリカ粒子の平均1次粒子径が100nm以下であると、シリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、シリカ粒子の沈降を抑制することができる。
シリカ粒子の平均1次粒子径は、BET法により測定する。具体的には、比表面積自動測定装置を用いてシリカ粒子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。
平均1次粒子径(nm)=6000/(比表面積(m/g)×密度(g/cm)) ・・・ (1)
シリカ粒子の平均1次粒子径は、公知の条件・方法により、所望の範囲に設定することができる。
シリカ粒子の平均2次粒子径は、10nm~200nmが好ましく、20nm~100nmがより好ましい。シリカ粒子の平均2次粒子径が10nm以上であると、研磨後の洗浄における粒子等の除去性に優れ、シリカゾルの保存安定性に優れる。シリカ粒子の平均2次粒子径が200nm以下であると、研磨時のシリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、研磨後の洗浄における粒子等の除去性に優れ、シリカ粒子の沈降を抑制することができる。
シリカ粒子の平均2次粒子径は、DLS法により測定する。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。
シリカ粒子の平均2次粒子径は、公知の条件・方法により、所望の範囲に設定することができる。
シリカ粒子のcv値は、15~50が好ましく、20~40がより好ましく、25~35が更に好ましい。シリカ粒子のcv値が15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、シリコンウェハの生産性に優れる。また、シリカ粒子のcv値が50以下であると、研磨時のシリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、研磨後の洗浄における粒子等の除去性に優れる。
シリカ粒子のcv値は、動的光散乱粒子径測定装置を用いてシリカ粒子の平均2次粒子径を測定し、下記式(2)を用いて算出する。
cv値=(標準偏差(nm)/平均2次粒子径(nm))×100 ・・・ (2)
シリカ粒子の会合比は、1.0~4.0が好ましく、1.1~3.0がより好ましい。シリカ粒子の会合比が1.0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、シリコンウェハの生産性に優れる。また、シリカ粒子の会合比が4.0以下であると、研磨時のシリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、シリカ粒子の凝集を抑制することができる。
シリカ粒子の会合比は、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。
会合比=平均2次粒子径/平均1次粒子径 ・・・ (3)
シリカ粒子の表面シラノール基密度は、0.1個/nm~10個/nmが好ましく、0.5個/nm~7.5個/nmがより好ましく、2.0個/nm~7.0個/nmが更に好ましい。シリカ粒子の表面シラノール基密度が0.1個/nm以上であると、シリカ粒子が適度な表面反発を有し、シリカゾルの分散安定性に優れる。また、シリカ粒子の表面シラノール基密度が10個/nm以下であると、シリカ粒子が適度な表面反発を有し、シリカ粒子の凝集を抑制することができる。
シリカ粒子の表面シラノール基密度は、シアーズ法により測定する。具体的には、下記に示す条件で測定・算出する。
シリカ粒子1.5gに相当するシリカゾルを採取し、純水を加えて液量を90mLにする。25℃の環境下、pHが3.6になるまで0.1mol/Lの塩酸水溶液を加え、塩化ナトリウム30gを加え、純水を徐々に加えながら塩化ナトリウムを完全に溶解させ、最終的に試験液の総量が150mLになるまで純水を加え、試験液を得る。
得られた試験液を自動滴定装置に入れ、0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、pHが4.0から9.0になるのに要する0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の滴定量A(mL)を測定する。
下記式(4)を用いて、シリカ粒子1.5gあたりのpHが4.0から9.0になるのに要した0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の消費量V(mL)を算出し、下記式(5)を用いて、シリカ粒子の表面シラノール基密度ρ(個/nm)を算出する。
V=(A×f×100×1.5)/(W×C) ・・・ (4)
A:シリカ粒子1.5gあたりのpHが4.0から9.0になるのに要した0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の滴定量(mL)
f:用いた0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の力価
C:シリカゾル中のシリカ粒子の濃度(質量%)
W:シリカゾルの採取量(g)
ρ=(B×N)/(1018×M×SBET) ・・・ (5)
B:Vから算出したシリカ粒子1.5gあたりのpHが4.0から9.0になるのに要した水酸化ナトリウム量(mol)
:アボガドロ数(個/mol)
M:シリカ粒子量(1.5g)
BET:平均1次粒子径の算出の際に測定したシリカ粒子の比表面積(m/g)
尚、前記シリカ粒子の表面シラノール基密度の測定・算出方法は、「G.W.Sears,Jr., Analytical Chemistry, Vol.28, No.12, pp.1981-1983(1956).」、「羽場真一, 半導体集積回路プロセス用研磨剤の開発, 高知工科大学博士論文, pp.39-45, 2004年3月」、「特許第5967118号公報」、「特許第6047395号公報」を参考にした。
シリカ粒子のd値は、4.2Å~6.0Åが好ましく、4.4Å~5.8Åがより好ましく、4.5Å~5.7Åが更に好ましい。シリカ粒子のd値が4.2Å以上であると、SiO四面体の酸素を共有しながら員環の形成が促進されてシリカ粒子の欠陥が少なく、シリカ粒子の機械的強度に優れ、研磨組成物の研磨特性に優れる。また、シリカ粒子のd値が6.0Å以下であると、アモルファスを維持しながら、歪みの少ない員環を形成することができる。
シリカ粒子のd値は、銅のKα線(波長λ=1.5405Å)を用いて広角X線散乱により測定したハローパターンの最大強度を示す散乱角度2θから散乱ベクトルq(q=4π・sinθ/λ)を算出し、散乱ベクトルqを用いてブラッグ式(λ=2d・sinθ)を表した下記式(1)を用いてd値を算出する。
d=2π/q ・・・ (6)
具体的には、平行ビーム方式のX線回折装置を用い、シリカ粒子を含むシリカゾルをシリコン製の無反射試料板の窪み部分に充填して装置へ装着し、銅のKα線(波長λ=1.5405Å)の平行ビームを照射角度0.1°で無反射試料板上のシリカゾルへ照射して、2θ走査(2θ範囲は、5°~50°)を実施してX線散乱パターンを得て、得られたハローパターンの最大強度を示す散乱角度2θを記録して、散乱ベクトルq(q=4π・sinθ/λ)を算出し、散乱ベクトルqを用いてブラッグ式(λ=2d・sinθ)を表した上記式(6)を用いてd値を算出する。
シリカ粒子の表面シラノール基密度及びシリカ粒子のd値は、前述した加圧加熱処理の条件の設定により、精密に制御することができる。
シリカ粒子の金属不純物含有率は、5ppm以下が好ましく、2ppm以下がより好ましい。
半導体デバイスのシリコンウェハの研磨において、金属不純物が被研磨体の表面に付着・汚染することで、ウェハ特性に悪影響を及ぼすと共に、ウェハ内部に拡散して品質が劣化するため、このようなウェハによって製造された半導体デバイスの性能が著しく低下する。
また、シリカ粒子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、シリカ粒子表面の立体的な環境(シリカ粒子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。
シリカ粒子の金属不純物含有率は、高周波誘導結合プラズマ質量分析法(ICP-MS)により測定する。具体的には、シリカ粒子0.4g含むシリカゾルを正確に量り取り、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を用いて測定する。対象の金属は、ナトリウム、カリウム、鉄、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛、コバルト、クロム、銅、マンガン、鉛、チタン、銀、ニッケルとし、これらの金属の含有率の合計を金属不純物含有率とする。
シリカ粒子の金属不純物含有率は、アルコキシシランを主原料として加水分解反応・縮合反応を行ってシリカ粒子を得ることで、5ppm以下とすることができる。
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、シリカ粒子の金属不純物含有率を5ppm以下とすることが極めて困難である。
シリカ粒子の形状としては、例えば、球状、鎖状、繭状(こぶ状や落花生状とも称される)、異形状(例えば、疣状、屈曲状、分岐状等)等が挙げられる。これらのシリカ粒子の形状の中でも、研磨時のシリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減させたい場合は、球状が好ましく、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をより高めたい場合は、異形状が好ましい。
シリカ粒子は、機械的強度、保存安定性に優れることから、細孔を有しないことが好ましい。
シリカ粒子の細孔の有無は、窒素を吸着ガスとした吸着等温線を用いたBET多点法解析により確認する。
シリカ粒子は、機械的強度、保存安定性に優れることから、アルコキシシラン縮合物を主成分とすることが好ましく、テトラアルコキシシラン縮合物を主成分とすることがより好ましい。主成分とは、シリカ粒子を構成する全成分100質量%中、50質量%以上であることをいう。
アルコキシシラン縮合物を主成分とするシリカ粒子を得るためには、アルコキシシランを主原料とすることが好ましい。テトラアルコキシシラン縮合物を主成分とするシリカ粒子を得るためには、テトラアルコキシシランを主原料とすることが好ましい。主原料とは、シリカ粒子を構成する全原料100質量%中、50質量%以上であることをいう。
(加圧加熱処理前後のシリカ粒子の物性の変化)
本発明のシリカ粒子の製造方法は、工程(2)の前後、即ち、加圧加熱処理前後で、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比を大きく変化させない。
工程(2)の前後でのシリカ粒子の平均1次粒子径の変化率は、本発明の効果が顕著に発現することから、30%以内が好ましく、20%以内がより好ましい。工程(2)の前後でのシリカ粒子の平均1次粒子径の変化率は、工程(2)の前後でのシリカ粒子の平均1次粒子径の差を、工程(2)の前のシリカ粒子の平均1次粒子径で割り、100分率としたものである。
工程(2)の前後でのシリカ粒子の平均2次粒子径の変化率は、本発明の効果が顕著に発現することから、30%以内が好ましく、20%以内がより好ましい。工程(2)の前後でのシリカ粒子の平均2次粒子径の変化率は、工程(2)の前後でのシリカ粒子の平均2次粒子径の差を、工程(2)の前のシリカ粒子の平均2次粒子径で割り、100分率としたものである。
工程(2)の前後でのシリカ粒子のcv値の変化率は、本発明の効果が顕著に発現することから、30%以内が好ましく、20%以内がより好ましい。工程(2)の前後でのシリカ粒子のcv値の変化率は、工程(2)の前後でのシリカ粒子のcv値の差を、工程(2)の前のシリカ粒子のcv値で割り、100分率としたものである。
工程(2)の前後でのシリカ粒子の会合比の変化率は、本発明の効果が顕著に発現することから、30%以内が好ましく、20%以内がより好ましい。工程(2)の前後でのシリカ粒子の会合比の変化率は、工程(2)の前後でのシリカ粒子の会合比の差を、工程(2)の前のシリカ粒子の会合比で割り、100分率としたものである。
(シリカゾルの製造方法)
本発明のシリカゾルの製造方法は、本発明のシリカ粒子の製造方法を含む。
シリカゾルは、工程(2)で得られた反応液をそのまま用いてもよく、工程(2)で得られた反応液中の成分のうち、不必要な成分を除去し、必要な成分を添加して製造してもよい。
シリカゾルの製造において、粗大粒子を除去したり、微粒子による凝集を回避したりするため、ろ過工程を含んでもよい。
ろ過の方法としては、例えば、常圧下での自然ろ過、減圧ろ過、加圧ろ過、遠心ろ過等が挙げられる。
ろ過は、任意のタイミング、任意の回数行ってもよいが、研磨組成物の保存安定性や研磨特性に優れることから、研磨組成物の調製直前に行うことが好ましい。
シリカゾルは、シリカ粒子及び溶媒・分散媒を含むことが好ましい。
シリカゾルの溶媒・分散媒は、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等が挙げられる。これらのシリカゾルの溶媒・分散媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのシリカゾルの溶媒・分散媒の中でも、シリカ粒子との親和性に優れることから、水、アルコールが好ましく、水がより好ましい。
シリカゾル中のシリカ粒子の含有率は、シリカゾル全量100質量%中、3質量%~50質量%が好ましく、4質量%~40質量%がより好ましく、5質量%~30質量%が更に好ましい。シリカゾル中のシリカ粒子の含有率が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、シリカゾル中のシリカ粒子の含有率が50質量%以下であると、シリカゾルや研磨組成物中のシリカ粒子の凝集を抑制することができ、シリカゾルや研磨組成物の保存安定性に優れる。
シリカゾル中の溶媒・分散媒の含有率は、シリカゾル全量100質量%中、50質量%~97質量%が好ましく、60質量%~96質量%がより好ましく、70質量%~95質量%が更に好ましい。シリカゾル中の溶媒・分散媒の含有率が50質量%以上であると、シリカゾルや研磨組成物中のシリカ粒子の凝集を抑制することができ、シリカゾルや研磨組成物の保存安定性に優れる。また、シリカゾル中の溶媒・分散媒の含有率が97質量%以下であると、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。
シリカゾル中のシリカ粒子や溶媒・分散媒の含有率は、工程(2)の後の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ことで、所望の範囲に設定することができる。
シリカゾルは、シリカ粒子及び溶媒・分散媒以外に、その性能を損なわない範囲において、必要に応じて、酸化剤、防腐剤、防黴剤、pH調整剤、pH緩衝剤、界面活性剤、キレート剤、抗菌・殺生物剤等の他の成分を含んでもよい。
特に、シリカゾルの保存安定性に優れることから、シリカゾル中に抗菌・殺生物剤を含ませることが好ましい。
抗菌・殺生物剤としては、例えば、過酸化水素、アンモニア、第四級アンモニウム水酸化物、第四級アンモニウム塩、エチレンジアミン、グルタルアルデヒド、過酸化水素、p-ヒドロキシ安息香酸メチル、亜塩素酸ナトリウム等が挙げられる。これらの抗菌・殺生物剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの抗菌・殺生物剤の中でも、シリカゾルとの親和性に優れることから、過酸化水素が好ましい。
殺生物剤は、一般に殺菌剤と言われるものも含む。
シリカゾル中の抗菌・殺生物剤の含有率は、シリカゾル全量100質量%中、0.0001質量%~10質量%が好ましく、0.001質量%~1質量%がより好ましい。シリカゾル中の抗菌・殺生物剤の含有率が0.0001質量%質量%以上であると、シリカゾルの保存安定性に優れる。シリカゾル中の抗菌・殺生物剤の含有率が10質量%以下であると、シリカゾルの本来の性能を損なわない。
シリカゾルのpHは、6.0~8.0が好ましく、6.5~7.8がより好ましい。シリカゾルのpHが6.0以上であると、シリカゾルの長期間の保存安定性に優れる。また、シリカゾルのpHが8.0以下であると、シリカ粒子の凝集を抑制することができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。
シリカゾルの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。
(研磨組成物)
本発明のシリカ粒子の製造方法で得られるシリカ粒子は、研磨組成物として好適に用いることができる。
研磨組成物は、前述したシリカゾル及び水溶性高分子を含むことが好ましい。
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組成物の濡れ性を高める。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シリカ粒子の表面シラノール基との親和性が高く、研磨組成物中でより近傍にシリカ粒子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、シリカ粒子と水溶性高分子との効果が相乗的に機能する。
水溶性高分子としては、例えば、セルロース誘導体、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピロリドン骨格を有する共重合体、ポリオキシアルキレン構造を有する重合体等が挙げられる。
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、シリカ粒子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。
水溶性高分子の質量平均分子量は、1,000~3,000,000が好ましく、5,000~2,000,000がより好ましく、10,000~1,000,000が更に好ましい。水溶性高分子の質量平均分子量が1,000以上であると、研磨組成物の親水性が向上する。また、水溶性高分子の質量平均分子量が3,000,000以下であると、シリカゾルとの親和性に優れ、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。
水溶性高分子の質量平均分子量は、ポリエチレンオキサイド換算で、0.1mol/LのNaCl溶液を移動相とする条件で、サイズ排除クロマトグラフィーにより測定する。
研磨組成物中の水溶性高分子の含有率は、研磨組成物全量100質量%中、0.02質量%~10質量%が好ましく、0.05質量%~5質量%がより好ましい。研磨組成物中の水溶性高分子の含有率が0.02質量%以上であると、研磨組成物の親水性が向上する。また、研磨組成物中の水溶性高分子の含有率が10質量%以下であると、研磨組成物調製時のシリカ粒子の凝集を抑制することができる。
研磨組成物は、シリカゾル及び水溶性高分子以外に、その性能を損なわない範囲において、必要に応じて、塩基性化合物、研磨促進剤、界面活性剤、親水性化合物、防腐剤、防黴剤、pH調整剤、pH緩衝剤、界面活性剤、キレート剤、抗菌・殺生物剤等の他の成分を含んでもよい。
特に、シリコンウェハに代表される被研磨体の表面に化学的な作用を与えて化学的研磨(ケミカルエッチング)ができ、シリカ粒子の表面シラノール基との相乗効果により、シリコンウェハに代表される被研磨体の研磨速度を向上させることができることから、研磨組成物中に塩基性化合物を含ませることが好ましい。
塩基性化合物としては、例えば、有機塩基性化合物、アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸水素塩、アルカリ金属炭酸塩、アンモニア等が挙げられる。これらの塩基性化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの塩基性化合物の中でも、水溶性が高く、シリカ粒子や水溶性高分子との親和性に優れることから、アンモニア、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウムが好ましく、アンモニア、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウムがより好ましく、アンモニアが更に好ましい。
研磨組成物中の塩基性化合物の含有率は、研磨組成物全量100質量%中、0.001質量%~5質量%が好ましく、0.01質量%~3質量%がより好ましい。研磨組成物中の塩基性化合物の含有率が0.001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の研磨速度を向上させることができる。また、研磨組成物中の塩基性化合物の含有率が5質量%以下であると、研磨組成物の安定性に優れる。
研磨組成物のpHは、8.0~12.0が好ましく、9.0~11.0がより好ましい。研磨組成物のpHが8.0以上であると、研磨組成物中のシリカ粒子の凝集を抑制することができ、研磨組成物の分散安定性に優れる。また、研磨組成物のpHが12.0以下であると、シリカ粒子の溶解を抑制することができ、研磨組成物の安定性に優れる。
研磨組成物の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。
研磨組成物は、本発明のシリカゾル、水溶性高分子、及び、必要に応じて、他の成分を混合することで得られるが、保管・運搬を考慮し、一旦高濃度で調製し、研磨直前に水等で希釈してもよい。
(研磨方法)
本発明の研磨方法は、本発明のシリカ粒子の製造方法で得られたシリカ粒子を含む研磨組成物を用いて研磨する方法である。
研磨組成物は、前述した研磨組成物を用いることが好ましい。
具体的な研磨の方法としては、例えば、シリコンウェハの表面を研磨パッドに押し付け、研磨パッド上に本発明の研磨組成物を滴下し、シリコンウェハの表面を研磨する方法が挙げられる。
(用途)
本発明のシリカ粒子の製造方法で得られたシリカ粒子や本発明のシリカゾルの製造方法で得られたシリカゾルは、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。
以下、実施例を用いて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、以下の実施例の記載に限定されるものではない。
(平均1次粒子径の測定)
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「フローソーブII」(機種名、株式会社島津製作所製)を用いて、シリカ粒子の比表面積を測定し、下記式(1)を用い、密度を2.2g/cmとし、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(m/g)×密度(g/cm)) ・・・ (1)
(平均2次粒子径・cv値の測定)
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「ゼーターサイザーナノZS」(機種名、マルバーン社製)を用いて、シリカ粒子の平均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)
(会合比の算出)
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)
(表面シラノール基密度の測定)
実施例・比較例で得られたシリカゾルの、シリカ粒子1.5gに相当する量を、200mLトールビーカーに採取し、純水を加えて液量を90mLにした。
25℃の環境下、トールビーカーにpH電極を挿入し、マグネティックスターラーにより試験液を5分間撹拌させた。マグネティックスターラーによる攪拌を続けた状態で、pHが3.6になるまで0.1mol/Lの塩酸水溶液を加えた。トールビーカーからpH電極を取り外し、マグネティックスターラーによる攪拌を続けた状態で、塩化ナトリウムを30g加え、純水を徐々に加えながら塩化ナトリウムを完全に溶解させ、最終的に試験液の総量が150mLになるまで純水を加え、マグネティックスターラーにより試験液を5分間撹拌させ、試験液を得た。
得られた試験液の入ったトールビーカーを、自動滴定装置「COM-1600」(平沼産業株式会社製)にセットし、装置付属のpH電極とビュレットをトールビーカーに挿入して、マグネティックスターラーにより試験液を撹拌させながら、ビュレットを通じて0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、pHが4.0から9.0になるのに要する0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の滴定量A(mL)を測定した。
下記式(6)を用いて、シリカ粒子1.5gあたりのpHが4.0から9.0になるのに要した0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の消費量V(mL)を算出し、下記式(7)を用いて、シリカ粒子の表面シラノール基密度ρ(個/nm)を算出した。
V=(A×f×100×1.5)/(W×C) ・・・ (6)
A:シリカ粒子1.5gあたりのpHが4.0から9.0になるのに要した0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の滴定量(mL)
f:用いた0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の力価
C:シリカゾル中のシリカ粒子の濃度(質量%)
W:シリカゾルの採取量(g)
ρ=(B×N)/(1018×M×SBET) ・・・ (7)
B:Vから算出したシリカ粒子1.5gあたりのpHが4.0から9.0になるのに要した水酸化ナトリウム量(mol)
:アボガドロ数(個/mol)
M:シリカ粒子量(1.5g)
BET:平均1次粒子径の算出の際に測定したシリカ粒子の比表面積(m/g)
(d値の測定)
X線回折装置(機種名「RINT-UltimaIII」、株式会社リガク製)を用い、実施例・比較例で得られたシリカゾルをシリコン製の無反射試料板の窪み部分に充填して装置へ装着した。出力1.5kWの銅X線管球を40kV、30mAで印加した。X線を入射する側には、X線を平行、圧縮、単色化するための多層膜ミラーと開口角度5°のSollerスリットを設置し、X線を受光する側には開口角度0.114°の長尺平行スリットとシンチレーションカウンターを設置した。銅のKα線(波長λ=1.5405Å)の平行ビームを照射角度0.1°で無反射試料板上のシリカゾルへ照射して、2θ走査(2θ範囲は、5°~50°)を実施してX線散乱パターンを得て、得られたハローパターンの最大強度を示す散乱角度2θを記録して、散乱ベクトルq(q=4π・sinθ/λ)を算出し、散乱ベクトルqを用いてブラッグ式(λ=2d・sinθ)を表した下記式(1)を用いてd値を算出した。
d=2π/q ・・・ (1)
(金属不純物含有率の測定)
比較例1で得られたシリカ粒子0.4g含むシリカゾルを正確に量り取り、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「ELEMENT2」(機種名、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。
シリカ粒子中の金属不純物含有率は、ナトリウムが1.1ppm、カリウムが0.140ppm、鉄が0.015ppm、アルミニウムが0.135ppm、カルシウムが0.075ppm、亜鉛が0.07ppm、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0.005ppm未満であった。
[比較例1]
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15質量%、反応溶媒中のアンモニアの濃度は1質量%であった。
反応溶媒の温度を20℃に保持しながら、反応溶媒と原料溶液とを9.2:1(体積比)とし、原料溶液を25分間、均等速度で反応槽へ滴下し、シリカゾルを得た。得られたシリカゾルを、シリカ粒子の含有率が約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、シリカ粒子の含有率が約20質量%のシリカゾルを得た。
得られたシリカ粒子の評価結果を、表1に示す。
[実施例1~3及び参考例
比較例1で得られたシリカゾルを、表1の条件で加圧加熱処理し、シリカ粒子の含有率が約20質量%のシリカゾルを得た。
得られたシリカ粒子の評価結果を、表1に示す。
Figure 0007225898000001
表1から分かるように、加圧加熱処理を行わなかった比較例1に対し、加圧加熱処理を行った実施例1~3及び参考例のシリカ粒子の製造方法は、平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値及び会合比をほぼ変化させることなく、シリカ粒子の表面シラノール基密度を低減させ、シリカ粒子のd値を向上させることができた。この結果は、縮合が進んだ大きな員環の形成を表し、SiO四面体の酸素を共有することによる員環の形成が促進されてシリカ粒子の欠陥が少なく、シリカ粒子の機械的強度に優れ、研磨組成物の研磨特性に優れることが期待される。また、アルコキシ基の残存量が低減していて、シリカゾルの保存安定性にも優れることが期待される。
本発明のシリカ粒子の製造方法で得られたシリカ粒子や本発明のシリカゾルの製造方法で得られたシリカゾルは、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。

Claims (11)

  1. 以下の工程(1)及び工程(2)を含む、シリカ粒子の製造方法。
    工程(1):テトラアルコキシシランを加水分解反応・縮合反応させ、シリカ粒子を得る工程。
    工程(2):シリカ粒子を0.1MPa~0.62MPaで加圧加熱処理する工程。
  2. 工程(2)における加圧加熱処理の温度が、100℃~220℃である、請求項1に記載のシリカ粒子の製造方法。
  3. 工程(2)における加圧加熱処理の時間が、4時間以内である、請求項1又は2に記載のシリカ粒子の製造方法。
  4. 工程(2)において、シリカ粒子を水に分散させた水分散液の状態で加圧加熱処理を行う、請求項1~3のいずれか1項に記載のシリカ粒子の製造方法。
  5. 前記水分散液のpHが、6.0~8.0である、請求項4に記載のシリカ粒子の製造方法。
  6. 工程(2)の前後でのシリカ粒子の平均1次粒子径の変化率が、30%以内である、請求項1~5のいずれか1項に記載のシリカ粒子の製造方法。
  7. シリカ粒子の平均1次粒子径が、5nm~100nmである、請求項1~6のいずれか1項に記載のシリカ粒子の製造方法。
  8. シリカ粒子の平均2次粒子径が、10nm~200nmである、請求項1~7のいずれか1項に記載のシリカ粒子の製造方法。
  9. 前記テトラアルコキシシランが、テトラメトキシシランである、請求項1~8のいずれか1項に記載のシリカ粒子の製造方法。
  10. 請求項1~9のいずれか1項に記載のシリカ粒子の製造方法を含む、シリカゾルの製造方法。
  11. 請求項1~9のいずれか1項に記載のシリカ粒子の製造方法で得られたシリカ粒子を含む研磨組成物を用いて研磨する、研磨方法。
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