본 발명은 실리카에 세리아 입자를 코팅한 코어/쉘 입자를 수열처리하여 그 외부 표면에 제 2쉘로서 실리카를 얇게 재코팅시킨 것을 특징으로 하는 실리카-세 리아/실리카 코팅 연마재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 실리카 코어 100 중량부에 대해 제 1쉘인 세리아 입자가 5 내지 30 중량부의 비율로 코팅된 코어/쉘 입자를 수열처리하여 그 외부 표면을 제 2쉘인 실리카로서 2㎚ 이하의 두께로 얇게 재코팅된 것을 특징으로 하는 실리카-세리아/실리카 코팅 연마재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서 사용되는 실리카 코어는 구형의 콜로이달 실리카로서 직경이 400 nm 크기 이하의 매우 균일하며, 5 내지 20 nm 크기의 결정성 세리아 입자가 응집되지 않고 실리카 표면에 균일하게 코팅됨으로써, 실리카-세리아/실리카 슬러리는 균일한 입자를 얻을 수 있으며, 그리고 우수한 연마율과 스크래치가 발생되지 않는다는 장점이 있다.
본 발명에서 사용되는 제 1쉘인 세리아 입자는 실리카 코어 100 중량부에 대해 5 내지 30 중량부의 비율로 코팅되는데, 실리카 입자가 400 nm로 큰 경우는 세리아 입자의 함량이 약 5 중량부이고, 100 nm인 경우는 약 30 중량부가 코팅된다.
본 발명에서 사용되는 제 2쉘인 실리카는 2 nm 이하의 두께로 코팅되는데, 제 2쉘의 두께가 1 nm 미만일 경우에는 연마율이 증가하나, 2 nm 를 초과할 경우에는 감소한다.
그리고 본 발명에서 실리카 코어에 제 1쉘인 세리아와 제 2쉘인 실리카가 코팅된 입자의 크기는 50 내지 500㎚가 적합하며, 바람직한 입자의 크기는 100 내지 300㎚이다. 입자의 크기가 50 ㎚ 미만일 경우에는 안정성은 우수하나 연마율은 감소하는 반면에, 500 ㎚를 초과할 경우에는 슬러리의 안정성이 감소한다.
본 발명에서 실리카에 세리아를 코팅한 후 수열처리를 하는 것은 실리카 입자와 세리아 입자 간에 결합력을 향상시키고, 실리카 표면에 세리아 입자 수와 결정성을 증가시키며, 세리아 입자 표면에 실리카를 코팅시켜 슬러리의 연마율과 안정성을 동시에 높여주기 위함이다.
본 발명의 실리카-세리아/실리카 코팅 연마재의 제조방법 1은
ⅰ) 질산세륨 수용액에 암모니아수를 첨가하고 교반시켜 세리아 입자가 생성된 현탁액을 제조하는 단계;
ⅱ) 상기 ⅰ)에서 제조한 세리아 입자 현탁액에 콜로이달 실리카 슬러리를 첨가하여 교반시켜 세리아 입자가 실리카 코어의 표면에 코팅된 실리카-세리아 코팅 입자를 제조하는 단계;
ⅲ) 교반이 끝난 상기 ⅱ)의 반응물을 세척액인 증류수를 사용하여 원심분리 및 필터링하여 슬러리 속에 포함된 과잉의 염을 세척하는 단계;
ⅳ) 상기 ⅲ)에서 세척한 슬러리를 수열처리하여 실리카-세리아 입자 표면에 실리카가 얇게 코팅된 입자를 제조하는 단계;로 이루어진다.
본 발명의 실리카-세리아/실리카 코팅 연마재의 제조방법을 첨부된 도면을 중심으로 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제조방법 1에 의한 합성 공정도에 관한 것으로서, 다음 방법에 의해 제조되어진다.
(제조방법 1)
ⅰ) 0.2M의 질산세륨 수용액 200㎖에 0.2M의 암모니아수 300㎖를 첨가하여 80 내지 100 ℃에서 격렬하게 교반시켜 10 내지 20 nm 크기의 세리아 입자가 생성된 현탁액을 제조하는 단계;
ⅱ) 상기 ⅰ)에서 제조한 세리아 입자 현탁액을 80 내지 100 ℃로 유지시키면서, 여기에 입자크기가 일정한 구형의 콜로이달 실리카 슬러리(고형분 함량 기준 5g)를 첨가하여 약 2시간 동안 교반시켜 세리아 입자가 실리카 코어의 표면에 골고루 부착 코팅된 실리카-세리아 코팅 입자를 제조하는 단계;
ⅲ) 교반이 끝난 상기 ⅱ)의 반응물을 세척액인 증류수를 사용하여 원심분리 및 필터링하여 슬러리 속에 포함된 과잉의 염을 세척하는 단계;
ⅳ) 상기 ⅲ)에서 세척한 슬러리를 오토-크래브(auto-clave)에서 100 ℃ 내지 350 ℃를 유지시키면서 30분 이상 동안 수열처리하여 실리카-세리아 입자 표면에 실리카가 얇게 코팅된 입자를 제조하는 단계;
를 거쳐 실리카-세리아/실리카 코팅 연마재가 제조되어진다.
상기에서 ⅰ) 및 ⅱ) 단계는 반응 온도를 80 내지 100℃로 유지시켜야 하는데, 반응온도가 80℃ 미만일 경우에는 세리아 입자의 생성 시간과 생성된 세리아 입자가 코어인 실리카 표면에 코팅되는 시간이 오래 걸려 경제적이지 못하며, ⅱ) 단계에서 100℃를 초과할 경우에는 코팅속도의 조절이 어렵게 된다.
상기에서 ⅲ) 단계는 슬러리의 pH가 3.5 내지 3.9가 되도록 세척하여 과잉의 염을 제거하고, 슬러리의 pH가 3.0 미만이거나, pH가 4.0을 초과하게 되면, 슬러리의 안정성이 저하된다.
상기에서 ⅳ) 단계는 수열온도를 100 ℃ 내지 350℃를 유지시키면서 30 분 이상 동안 가열시키는데, 이는 수열처리 동안 실리카가 세리아 입자 표면을 코팅시키기 위함이다.
상기에서 수열처리 전 후의 시료에 대한 SiO2 및 CeO2 함량을 습식 및 유도상 플라즈마(ICP)에 의해 측정하였고, 그 결과를 [표 1]에 나타내었으며 수열처리 전보다 후가 세리아 함량이 증가되었음을 알 수 있다. 또한 제조 방법에서 실리카의 코팅 여부를 확인하기 위하여 수열처리 전 후의 입자에 대하여 고분해능 투과전자 현미경(Jeol 사 JEM-4010 TEM 400 KV)을 사용하여 세리아 표면을 관찰한 결과를 도 3 에 나타내었다. 수열 처리 후 실리카의 코팅 두께가 약 0.5 nm 로 형성되었다. 그리고 수열처리 전 후의 슬러리에 대하여 Otuska 사의 ELS-8000을 사용하여 제타전위를 pH 에 따라 측정한 결과를 도 4 에 나타내었다. 도 4에서 수열처리 전의 제타전위 변화 그래프는 세리아의 특성을 잘 보여주었으나, 수열처리 후는 제타전위 경향이 완전히 실리카 졸의 전형적 제타전위로 바뀌어 IEP(Isoelectric Point) 약 2 를 나타내었다. 따라서, 상기 수열처리에 의해 세리아 입자의 표면에 실리카 코팅층이 형성되었음이 확인되었다.
또한, 수열처리 전후의 XRD 피크(peak) 변화를 도 5에 나타내었다. 수열처리 후 피크(peak)의 반가폭이 작아짐으로써 결정크기가 조금 증가했음을 알 수 있다.
[표 1]
구 분 |
수열처리 전 |
수열처리 후 |
SiO2 wt% |
91.7 |
83.0 |
CeO2 wt% |
8.3 |
17.0 |
본 발명의 실리카-세리아/실리카 코팅 연마재의 제조방법 2는
ⅰ) 세리아 졸을 실리카 졸과 혼합하여 세리아 입자가 실리카 입자 표면에 정전기적으로 코팅된 현탁액을 제조하는 단계;
ⅱ) 상기 ⅰ)의 현탁액을 수열처리하여 세리아 입자 표면에 실리카가 얇게 코팅된 입자를 제조하는 단계;로 이루어진다.
도 2는 본 발명의 제조방법 2에 의한 합성 공정도에 관한 것으로서, 다음 방법에 의해 제조되어진다.
(제조방법 2)
ⅰ) 산성 세리아졸(CeO2-NIT, 미국, Nyacol 사) 20 wt% 5 ㎖와 구형의 콜로이달 실리카졸 4 wt% 300 ㎖ 비이커에 넣고 자석 교반기로 1 시간 혼합하는 단계:
ⅱ) 상기 ⅰ)단계에서 제조된 혼합 슬러리를 오토-크래브(auto-clave)에서 100 ℃ 내지 350 ℃를 유지시키면서 30분 이상 동안 수열처리하여 실리카-세리아가 화학결합으로 강하게 결합하고 입자 표면에 실리카가 얇게 코팅된 입자를 제조하는 단계;
ⅲ) 수열처리가 끝난 슬러리에서 유리 세리아 입자를 제거하기 위하여 원심분리 및 필터링 하여 세척하는 단계:
를 거쳐 실리카-세리아/실리카 코팅 연마재가 제조되어진다.
상기에서 제조방법 1 과 같이 수열처리 전 후의 슬러리의 물성 변화가 확인되는데, 즉, 도 4에서 제타전위 변화는 실리카가 코팅되었음이 확인되고, 도 5에서 결정성이 증가됨을 나타내었다.
본 발명에서 실리카 코어에 제 1쉘인 세리아를 코팅시키는 방법으로는 기상법 등의 방법을 사용할 수 있으며, 가장 바람직한 사용 방법은 용액법이다.
본 발명에서 실리카에 세리아/실리카가 코팅된 CMP용 연마재 슬러리의 pH 4 내지 9 이고, 실리카 입자의 분산에 매우 중요한 역할을 하고, 실리카 입자는 표면전하를 띄고, 전하의 부호와 크기는 슬러리의 pH에 의존하는데 제타 전위(Zeta Potential)는 pH의 증가와 함께 감소하며, 2 이상의 pH에 대하여는 (-)값을 갖는다. 따라서, 이 범위의 pH에서는 실리카 입자가 정전기적 반발하여 잘 분산되지만, pH가 10 이상으로 되면 세리아 표면에 코팅된 실리카 및 코어 실리카가 용해하여 규산염(Silicate)을 형성하고 세리아 입자가 코어 실리카로부터 이탈하기 때문에 막에 대한 연마율은 급격히 감소한다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
비교예 1 및 실시예 1 내지 4
(비교예 1)
93℃로 예열시킨 0.2 M의 질산세륨 수용액에 200 ml에 0.2 M의 암모니아수 300 ml를 첨가하여 교반하면서 고형분이 5 g인 실리카(300 nm) 슬러리를 첨가하여 93 ℃에서 2시간 동안 교반하였다. 교반이 끝난 반응물을 원심분리 및 필터링을 하 여 슬러리의 pH가 3.7이 될 때까지 세척을 하였다. 이 때 얻어진 제조물을 증류수를 사용하여 초음파로 분산시켜 pH 4.0의 1 중량% 농도의 연마용 슬러리를 제조하였다.
(실시예 1)
제조방법 1과 같은 순서로 93 ℃로 예열시킨 0.2 M의 질산세륨 수용액 200 ml에 0.2 M의 암모니아수 300 ml를 첨가하여 고형분이 5 g인 실리카(300 nm) 슬러리를 첨가하여 93 ℃에서 2시간 동안 교반하였다. 교반이 끝난 반응물을 원심분리 및 필터링을 하여 슬러리의 pH가 3.7이 될 때 까지 세척을 하였다. 세척한 슬러리를 오토-크래브(auto-clave) 장치에서 150 ℃에서 1시간 동안 수열처리 하여 제조물을 얻었다. 이 때 얻어진 제조물은 증류수를 사용하여 초음파로 분산시켜 pH 6.0의 1 중량% 농도의 연마용 슬러리를 제조하였다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일한 방법으로 행하였으나 수열처리 온도를 190 ℃로 온도를 변화시켜 실시하였다. 이때 얻어진 제조물은 증류수를 사용하여 초음파로 분산시켜 pH 6.0의 1 중량% 농도의 연마용 슬러리를 제조하였다.
(실시예 3)
실시예 1과 동일한 방법이나 세리아-코팅된 실리카를 pH 3.9까지 세척하여 세척조건을 변화시키고, 수열처리 온도를 190 ℃로 변화시켜 실시하였다. 이때 얻어진 제조물은 증류수를 사용하여 초음파로 분산시켜 pH 6.0의 1 중량% 농도의 연마용 슬러리를 제조하였다.
(실시예 4)
실시예 3과 동일하나 수열처리 온도를 200 ℃로 온도변화를 주어 실시하였다. 이때 얻어진 제조물을 증류수를 사용하여 초음파로 분산시켜 pH 6.0의 1 중량% 농도의 연마용 슬러리를 제조하였다.
[표2]
구 분 |
수열처리 온도 (℃) |
연마율(Å/min) |
HDP 막 |
Si3N4 막 |
비교예 1 |
처리안함 |
1,960 |
770 |
실시예 1 |
150 |
2,430 |
810 |
실시예 2 |
190 |
2,910 |
720 |
실시예 3 |
190 |
2,980 |
720 |
실시예 4 |
200 |
3,100 |
830 |
상기 [표 2]에서 보는 바와 같이 수열처리하지 않은 비교예 1에 비하여 150 내지 200℃에서 수열처리를 한 실시예 1 내지 4의 경우가 HDP 막과 Si3N4 막의 연마율이 월등히 우수함을 알 수 있다.
비교예 2 및 실시예 5 내지 7
(비교예 2)
고형분이 0.5 g인 세리아 졸(~10 nm)과 고형분이 5 g인 실리카(300 nm) 슬러리를 혼합하였다. 이때 얻어진 제조물을 증류수를 사용하여 초음파로 분산시켜 pH 4.0의 1 중량% 농도의 연마용 슬러리를 제조하였다.
(실시예 5)
제조방법 2와 같은 순서로 고형분이 0.5 g인 세리아 졸(~10 nm)과 고형분이 5 g인 실리카(300 nm) 슬러리를 혼합하고 2시간 동안 자석교반기로 교반하였다. 충분히 교반된 슬러리를 오토-크래브(auto-clave) 장치에서 150 ℃에서 1시간 동안 수열처리 하여 제조물을 얻었다. 이때 얻어진 제조물은 증류수를 사용하여 초음파로 분산시켜 pH 6.0의 1 중량% 농도의 연마용 슬러리를 제조하였다.
(실시예 6)
실시예 5와 동일한 방법으로 행하였으나 수열처리 온도를 190 ℃로 온도를 변화시켜 실시하였다. 이때 얻어진 제조물은 증류수를 사용하여 초음파로 분산시켜 pH 6.0의 1 중량% 농도의 연마용 슬러리를 제조하였다.
(실시예 7)
실시예 5와 동일하나 수열처리 온도를 200 ℃로 온도변화를 주어 실시하였다. 이때 얻어진 제조물을 증류수를 사용하여 초음파로 분산시켜 pH 6.0의 1 중량% 농도의 연마용 슬러리를 제조하였다.
[표3]
구 분 |
수열처리 온도 (℃) |
연마율(Å/min) |
HDP 막 |
Si3N4 막 |
비교예 2 |
처리안함 |
110 |
30 |
실시예 5 |
150 |
1,800 |
550 |
실시예 6 |
190 |
2,000 |
650 |
실시예 7 |
200 |
2,300 |
760 |
상기와 [표 3]에서 보는 바와 같이 수열처리하지 않은 비교예 2에 비하여 150 내지 200℃에서 수열처리를 한 실시예 5 내지 7의 경우가 HDP 막과 Si3N4 막의 연마율이 월등히 우수함을 알 수 있다.
* 연마조건
1) 연마기 : CNP-POLI-500CE
2) 패드종류 : Rodel IC-1000
3) 헤드속도: 50 rpm
4) 테이블속도 : 50 rpm
5) 압력 : 2.84 psi
6) 온도: 25 ℃
7) 슬러리 속도 : 300 ml/min