KR101465762B1 - 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본원은 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재, 및 상기 연마재의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재, 및 이의 제조 방법 {ABRASIVE CONTAINING POLYSTYRENE/SILICA COMPOSITE, AND PREPARING METHOD THEREOF}

본원은 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재, 및 상기 연마재의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 고성능화, 고집적화에 따라 다층배선구조가 필수적으로 요구되고 있으며 이러한 다층배선구조는 도전막 또는 절연막의 성막 공정 및 식각 공정을 수차례 걸쳐 진행하여 형성되는 것으로서 각 층에서 요구되는 일정한 패턴을 형성한 후에 후속의 리소그래피 공정을 용이하게 하기 위해 표면 평탄화 공정을 수행해야 한다. 이러한 평탄화의 형태로서는 국소적 평탄화 (local planarization) 및 광역 평탄화 (global planarization)가 있다.

평탄화를 실현하기 위한 공정은, 예를 들어, 에치백 (etch back), 리플로우 (reflow), 화학 기계적 연마 (chemical mechanical polishing: 이하 CMP로 약칭함) 등의 공정이 있으며 광역 평탄화 및 고집적 회로에 적용되는 방법으로는 CMP 공정이 가장 많이 사용되고 있다. 이는 광역 평탄화가 CMP 공정에 의해서만 가능할 뿐만 아니라, 평탄성에 대한 만족도 면에서 CMP 공정이 가장 우수하기 때문이다.

이에 따라, CMP 공정에 적용할 수 있는 연마 슬러리 조성물의 연구가 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 예를 들어, 미합중국 특허 제5,980,775호 및 미합중국 특허 제5,958,288호에는 과산화화합물을 산화제로 사용하면서 연마속도를 향상시키기 위해서 금속 촉매를 사용하여 산화제의 산화력을 증가시키는 방법이 개시되어 있다. 또한, 미합중국 특허 제5,340,370호 및 미합중국 특허 제5,527,423호에는 단일 산화제를 이용하여 높은 연마속도를 얻기 위하여 많은 양의 산화제를 첨가한 슬러리 조성물이 개시되어 있다.

이러한 연마 공정에 사용되는 연마 슬러리는 연마재, 물, 분산제, 및 첨가제가 포함되며, 이때 첨가제로는 산화제, 착화제, 부식방지제, 및 pH 조절제 등이 사용된다. 이 중, 연마재는 연마 대상과의 기계적인 마찰로 연마를 수행하므로 연마재 입자의 경도가 중요하게 작용하며, 따라서 기존 연마재로는 주로 절연막의 효과적인 제거를 위해 퓸드 (fumed) 알루미나, 퓸드 실리카, 세리아 및 지르코니아 등의 입자 경도가 큰 금속 산화물들이 사용되어 왔다.

그러나 배선으로 사용되는 텅스텐 또는 알루미늄 막과 같은 금속막의 경우 절연막에 비해 막질이 부드럽고 무르기 때문에 산화나 에칭과 같은 화학적인 작용으로도 어느 정도의 연마가 이루어지며, 최근 들어, 반도체 제품의 집적화 및 성능 고속화를 위해 주목받고 있는 구리 배선의 경우에는 기존 배선에 비해서도 훨씬 경도가 낮아, 경도가 큰 종래의 연마 입자들을 사용하는 경우 치명적인 스크래치 (scratch) 또는 디싱 (dishing) 등을 일으킬 수 있고, 기존의 연마 입자들은 배선막에 대한 선택비가 낮아 배선막 외에도 질화 탄탈륨 (TaN)과 같은 배리어 (barrier) 물질 및 산화 규소막에 대해서도 불필요한 연마를 일으켜 에로젼 (erosion) 등을 발생시키는 문제점이 있어 왔다.

이를 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허 제10-1101207호에는 구형의 폴리스티렌 코어에 실리카가 막 형태로 코팅된 코어-쉘 입자, 연마 촉진제 및 산화제를 포함하는 구리막 연마용 슬러리 조성물이 개시되어 있다. 그러나 이러한 고분자 합성 연마재를 포함하는 연마용 슬러리 조성물은 연마 공정에 적용될 때 스크래치 및 에로젼을 감소시키는 효과를 달성할 수 있으나, 불안정하여 평탄화 공정 중에 연마재 구조 자체가 붕괴할 수 있다.

본원은, 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재, 및 상기 연마재의 제조 방법을 제공할 수 있다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 폴리스티렌 미소구체에 실리카 나노입자가 함입되어(embedded) 형성됨으로써 산딸기 형상을 가지는 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는, 연마재를 제공한다.

본원의 제 2 측면은, 폴리스티렌 미소구체에 실리카 모결정을 함입시키고; 및, 상기 함입된 실리카 모결정에 실리카 전구체를 첨가한 후 알코올 수용액 중에서 가수분해하여 실리카를 성장시켜 산딸기 형상을 가지는 폴리스티렌/실리카 복합체를 형성하는 것을 포함하는, 본원의 상기 제 1 측면에 따른 연마재의 제조 방법을 제공한다.

본원에 의하면, 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재를 제조할 수 있고, 본원에 따른 연마재는 유기물질에 연마 입자가 함입된 산딸기 형상의 구조로, 평탄화 공정 중에 붕괴의 우려가 없을 정도로 안정적이면서도 실리카의 경도 및 폴리스티렌의 연성을 동시에 보유함으로써, 연마 공정에 적용될 때 표면 스크래치 및 에로젼을 일으킬 가능성이 적을 뿐만 아니라, 금속 배선에 알맞은 연마 속도 및 선택비를 나타낼 수 있으므로, 웨이퍼뿐만 아니라, 금속 배선의 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 (CMP) 공정에도 유용하게 활용될 수 있다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재의 구조도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재 입자의 주사전자현미경 (SEM) 이미지이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "미셀"이라는 용어는 계면활성제가 일정 농도 이상에서 모인 집합체를 의미하는 것으로서, 본원의 경우에서는 순수 (pure water) 중에서 실리카 전구체 물질의 중심 Si 원소가 스티렌에 결합되고 상기 중심 Si 원소에 치환된 기능기들이 순수를 향하도록 배향되면서 스티렌을 중심으로 하여 실리카 전구체 물질 분자들이 회합체 (aggregate)를 형성한 것을 의미한다.

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 제 1 측면은, 폴리스티렌 미소구체에 실리카 나노입자가 함입되어(embedded) 형성됨으로써 산딸기 형상을 가지는 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는, 연마재를 제공한다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재의 구조도이다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리카 나노입자는 그의 일부가 상기 폴리스티렌 미소구체 내에 함입되고 그의 나머지 일부가 상기 폴리스티렌 미소구체의 표면 위로 노출되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

높은 경도를 갖는 무기 실리카 (SiO₂) 나노입자는 웨이퍼 표면의 평탄화에 많이 이용되는 물질이다. 그러나 그의 높은 경도 및 집적 (aggregation) 때문에 순수 실리카 연마재는 평탄화 공정 중에 변형되지 않고, 웨이퍼 표면에 스크래치를 유발하기 쉽다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본원에 따른 상기 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재는 산딸기 형상을 가지는 것으로서, 실리카 나노입자 일부가 상기 폴리스티렌 미소구체 (microsphere) 내에 함입되어 상기 연마재의 안정성을 확보하고, 그의 나머지 일부가 상기 폴리스티렌 미소구체의 표면 위로 노출되어 평탄화를 달성하기 위한 웨이퍼; 또는 텅스텐, 알루미늄, 구리 등을 포함하는 금속막의 표면과 접촉하게 된다. 이때, 상기 폴리스티렌 미소구체의 표면 위로 노출된 실리카가 평탄화 공정을 수행하는 동안, 부드러운 고분자 재료인 상기 폴리스티렌 미소구체는 완충 역할을 수행하게 되어 평탄화 공정 중에 생성되는 스크래치를 감소시킬 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 폴리스티렌 미소구체의 평균 입자 크기가 약 50 nm 내지 약 600 nm인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 폴리스티렌 미소구체의 평균 입자 크기는 약 50 nm 내지 약 600 nm, 약 80 nm 내지 약 600 nm, 약 100 nm 내지 약 600 nm, 약 150 nm 내지 약 600 nm, 약 200 nm 내지 약 600 nm, 약 250 nm 내지 약 600 nm, 약 300 nm 내지 약 600 nm, 약 350 nm 내지 약 600 nm, 약 400 nm 내지 약 600 nm, 약 450 nm 내지 약 600 nm, 약 500 nm 내지 약 600 nm, 약 550 nm 내지 약 600 nm, 약 50 nm 내지 약 550 nm, 약 50 nm 내지 약 500 nm, 약 50 nm 내지 약 450 nm, 약 50 nm 내지 약 400 nm, 약 50 nm 내지 약 350 nm, 약 50 nm 내지 약 300 nm, 약 50 nm 내지 약 250 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 또는 약 50 nm 내지 약 80 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리카의 평균 입자 크기가 약 50 nm 내지 약 600 nm인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리카의 평균 입자 크기는 약 50 nm 내지 약 600 nm, 약 80 nm 내지 약 600 nm, 약 100 nm 내지 약 600 nm, 약 150 nm 내지 약 600 nm, 약 200 nm 내지 약 600 nm, 약 250 nm 내지 약 600 nm, 약 300 nm 내지 약 600 nm, 약 350 nm 내지 약 600 nm, 약 400 nm 내지 약 600 nm, 약 450 nm 내지 약 600 nm, 약 500 nm 내지 약 600 nm, 약 550 nm 내지 약 600 nm, 약 50 nm 내지 약 550 nm, 약 50 nm 내지 약 500 nm, 약 50 nm 내지 약 450 nm, 약 50 nm 내지 약 400 nm, 약 50 nm 내지 약 350 nm, 약 50 nm 내지 약 300 nm, 약 50 nm 내지 약 250 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 또는 약 50 nm 내지 약 80 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리카의 함량은 상기 연마재의 총 중량에 대하여 약 1 중량% 내지 약 30 중량%일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리카의 함량은, 상기 연마재의 총 중량에 대하여, 약 1 중량% 내지 약 2.5 중량%, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 2.5 중량% 내지 약 7.5 중량%, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%, 약 7.5 중량% 내지 약 12.5 중량%, 약 10 중량% 내지 약 15 중량%, 약 12.5 중량% 내지 약 17.5 중량%, 약 15 중량% 내지 약 20 중량%, 약 17.5 중량% 내지 약 22.5 중량%, 약 20 중량% 내지 약 25 중량%, 약 22.5 중량% 내지 약 27.5 중량%, 약 25 중량% 내지 약 30 중량%, 또는 약 27.5 중량% 내지 약 30 중량%일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연마재의 경도가 약 6 내지 약 8일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원에 따른 연마재의 경도는 상기 실리카의 함량을 변경하여 쉽게 조절될 수 있다.

본원의 제 2 측면은, 폴리스티렌 미소구체에 실리카 모결정을 함입시키고; 및, 상기 함입된 실리카 모결정에 실리카 전구체를 첨가한 후 알코올 수용액 중에서 가수분해하여 실리카를 성장시켜 산딸기 형상을 가지는 폴리스티렌/실리카 복합체를 형성하는 것을 포함하는, 본원의 상기 제 1 측면에 따른 연마재의 제조 방법을 제공한다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 폴리스티렌 미소구체에 실리카 모결정을 함입시키는 것은, 스티렌과 실리카 전구체를 결합시켜 스티렌 미셀 (micelle)을 제조하고; 상기 스티렌 미셀에 중합개시제를 첨가하여 중합함으로써 실리카 전구체가 결합된 폴리스티렌 미소구체를 수득하고; 및, 상기 실리카 전구체가 결합된 폴리스티렌 미소구체 중 상기 실리카 전구체를 가수분해하여 폴리스티렌 미소구체 표면에 함입된 실리카 모결정을 형성하는 것을 포함하는 방법에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연마재의 제조 방법은 순수 (pure water)를 포함하여 수행될 수 있으며, 상기 순수는, 예를 들어, 초순수 또는 탈이온수일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스티렌 미셀은 폴리비닐피롤리돈 (PVP) 또는 폴리비닐알코올 (PVA)을 함유하는 결합제를 추가 포함하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 결합제를 이용하여 상기 스티렌 및 상기 실리카 전구체를 결합시키면 실리카 전구체의 중심 Si 원소들이 스티렌에 결합된 미셀을 수득할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 결합제의 첨가량이 상기 실리카 전구체에 대하여 약 1 중량부 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 결합제의 첨가량은, 상기 실리카 전구체에 대하여, 약 1 중량부 내지 약 2 중량부, 약 1 중량부 내지 약 3 중량부, 약 2 중량부 내지 약 4 중량부, 약 3 중량부 내지 약 5 중량부, 약 4 중량부 내지 약 6 중량부, 약 5 중량부 내지 약 7 중량부, 약 6 중량부 내지 약 8 중량부, 약 7 중량부 내지 약 9 중량부, 약 8 중량부 내지 약 10 중량부, 또는 약 9 중량부 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 중합개시제는 포타슘 퍼설페이트 (KPS), 암모늄 퍼설페이트 (APS), 소듐 퍼설페이트 (SPS), 아조이소부틸니트릴 (AIBN), 및 벤조일 퍼옥사이드 (BPO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 중합개시제는 포타슘 퍼설페이트일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알코올이 에탄올, 프로판올, 부탄올, 및 이들의 이성질체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 알코올은 에탄올을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

상기 알코올은 수용액의 형태로 사용될 수 있고, 상기 알코올 수용액은 순수 약 1 중량부에 대하여 알코올이 약 10 중량부 이하로 혼합된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 알코올은 상기 순수 약 1 중량부에 대하여, 약 10 중량부 이하, 약 9 중량부 이하, 약 8 중량부 이하, 약 7 중량부 이하, 약 6 중량부 이하, 약 5 중량부 이하, 약 4 중량부 이하, 약 3 중량부 이하, 약 2 중량부 이하, 또는 약 1 중량부 이하로 혼합된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리카 전구체가 테트라에틸오르소실리케이트 (TEOS), 테트라메틸오르소실리케이트 (TMOS), 메틸트리메톡시실란 (MTMS), 및 디메틸디메톡시실란 (DMS)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 실리카 전구체의 첨가량이 상기 실리카 전구체가 결합된 폴리스티렌 미소구체에 대하여 약 1 중량부 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 실리카 전구체의 첨가량은, 상기 실리카 전구체가 결합된 폴리스티렌 미소구체에 대하여, 약 1 중량부 내지 약 2 중량부, 약 1 중량부 내지 약 3 중량부, 약 2 중량부 내지 약 4 중량부, 약 3 중량부 내지 약 5 중량부, 약 4 중량부 내지 약 6 중량부, 약 5 중량부 내지 약 7 중량부, 약 6 중량부 내지 약 8 중량부, 약 7 중량부 내지 약 9 중량부, 약 8 중량부 내지 약 10 중량부, 또는 약 9 중량부 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 제조 방법에 따라 제조되는 연마재의 경도는 상기 실리카 전구체의 첨가량에 의해서 쉽게 조절될 수 있고, 이러한 연마재는 조절된 경도에 의하여 다중 웨이퍼 평탄화 (multiple wafer planarization)에 이용될 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 가수분해는 암모니아, NaOH, KOH, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 염기 촉매에 의하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 염기 촉매가 암모니아일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 제조 방법에 따라 제조되는 연마재는 상기 폴리스티렌 미소구체 표면 위에 실리카 나노입자가 함입되어 존재하므로, 종래의 폴리스티렌 미소구체의 표면에 실리카 층이 커버링되어 형성된 코어-쉘 구조의 연마재와 달리 평탄화 공정 중에 붕괴의 우려가 없이 안정적이다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연마재의 제조 방법은 상기 폴리스티렌/실리카 복합체의 형성 후에 스티렌 중합 과정을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 연마재의 제조 방법은 상기 폴리스티렌/실리카 복합체의 형성 후에 가수분해 과정을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

도 2는 본원의 일 실시예에 따른 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재의 제조 방법을 나타내는 개략도이다. 본원의 제조 방법에 따라 제조되는 연마재는 스티렌과 실리카 전구체를 결합시켜 스티렌 미셀을 제조하고; 상기 스티렌 미셀에 중합개시제를 첨가하여 중합함으로써 실리카 전구체가 결합된 폴리스티렌 미소구체를 수득한 후, 도 2에 나타난 바와 같이, 암모니아 촉매 및 실리카 전구체를 첨가하고 가수분해하여 상기 폴리스티렌 표면에 실리카가 함입된 실리카 모결정을 형성하고 여기에 다시 암모니아 촉매 및 실리카 전구체를 첨가하고 가수분해하여 실리카를 성장시켜 폴리스티렌/실리카 복합체를 형성하는 것을 포함하는 방법에 의하여 수득될 수 있고, 스티렌 및 상기 중합개시제를 추가 포함하여 폴리스티렌을 추가 중합할 수 있고, 상기 암모니아 촉매 및 상기 실리카 전구체를 추가 포함하여 가수분해 과정을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 중합 과정 및 상기 가수분해 과정을 거듭 수행함으로써 상기 폴리스티렌 미소구체의 크기 및 상기 실리카의 함량을 조절할 수 있다.

이하, 본원의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

<제조예 1> 스티렌 미셀의 제조

TEOS (2 mL)와 단량체 스티렌 (5 mL)은 30 분 동안 초음파 처리로 혼합되었다. PVP (1.2 g)를 탈이온수 (deionized water: DI water) 250 mL에 용해시켰다. 상기 TEOS 및 스티렌의 혼합물을 상기 PVP 수용액에 한 방울씩 첨가하였다. 질소 분위기 하에서, 상기 TEOS, 스티렌 및 PVP의 혼합 용액을 마그네틱 교반 (400 RPM)에 의하여 30 분 동안 교반함으로써 TEOS가 결합된 스티렌 미셀을 수득하였다.

<제조예 2> 실리카 전구체가 결합된 폴리스티렌 미소구체의 제조

단량체 스티렌의 중합을 촉진하기 위하여, 탈이온수 10 mL에 용해된 KPS (0.07 g)를 제조예 1에서 수득된 TEOS가 결합된 스티렌 미셀에 한 방울씩 첨가하였다. 질소 분위기 하에서 중합 반응이 수행되었고, 상기 중합 반응은 70℃의 온도에서 10 시간 동안 진행되었다. 상기 중합이 완료된 후, 10,000 RPM 미만의 회전 속도의 원심분리기에 의해서 TEOS가 결합된 폴리스티렌 미소구체 나노입자가 액체 용액으로부터 분리되었다.

<실시예 1>

1. SiO ₂ 모결정의 형성

제조예 2에서 수득된 TEOS가 결합된 폴리스티렌 미소구체 나노입자를 탈이온수 (50 mL) 및 에탄올 (200 mL)의 혼합액에 분산시켰다. 상기 나노입자가 분산된 혼합액에 NH₃OH (10 mL)를 한 방울씩 첨가하였다. 최종 혼합액을 50℃ 미만에서 교반하였고, 12 시간 후에 상기 폴리스티렌 미소구체 표면에 SiO₂ 모결정이 형성된 나노입자가 원심분리기에 의해 분리되었다.

2. SiO ₂ 의 성장

물 (50 mL)과 에탄올 (200 mL)의 혼합액에 상기 폴리스티렌 미소구체 표면에 SiO₂ 모결정이 형성된 나노입자 (5 g)와 TEOS (5 g)를 첨가한 후 혼합하였다. 상기 나노입자와 TEOS의 혼합 용액에 NH₃OH (10 mL)를 한 방울씩 첨가하였다. TEOS의 가수 분해가 진행되면서 SiO₂ 모결정이 성장함으로써 상기 폴리스티렌 미소구체 표면에 SiO₂가 함입되어 형성된 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 나노입자를 수득하였다. 상기 수득된 나노입자를 주사전자현미경 (scanning electron microscope: SEM)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3은 본 실시예에 따른 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재 입자의 주사전자현미경 (SEM) 이미지이다. 도 3a에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 연마재가 비교적 균일한 크기를 갖는 나노입자로 수득되었음을 확인하였고, 도 3b에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따라 제조된 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는 연마재 입자는 폴리스티렌 미소구체 표면 위에 실리카 나노입자가 함입되어 형성된 산딸기 형상을 가지는 것으로 확인할 수 있었다.

폴리스티렌 미소구체 표면에 함입되어 형성된 SiO₂ 나노입자의 비율 및 크기는 상기 폴리스티렌 미소구체 표면에 SiO₂ 모결정이 형성된 나노입자의 양 (A g)과 TEOS의 첨가량 (X g)의 비율, 즉 A/X에 의존함을 확인할 수 있었다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

1. 폴리스티렌 미소구체에 실리카 나노입자가 함입되어(embedded) 형성됨으로써 산딸기 형상을 가지는 폴리스티렌/실리카 복합체를 포함하는, 연마재로서,
   상기 실리카 나노입자의 함량을 상기 연마재 총 중량에 대해 1 중량% 내지 30 중량%로 변경함으로써, 상기 연마재의 경도가 조절되는 것인, 연마재.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 실리카 나노입자는 그의 일부가 상기 폴리스티렌 미소구체 내에 함입되고 그의 나머지 일부가 상기 폴리스티렌 미소구체의 표면 위로 노출되어 있는 것인, 연마재.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴리스티렌 미소구체의 평균 입자 크기가 50 nm 내지 600 nm인 것을 포함하는 것인, 연마재.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 실리카의 평균 입자 크기가 50 nm 내지 600 nm인 것을 포함하는 것인, 연마재.
   
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6. 제 1 항에 있어서,
   상기 연마재의 경도가 6 내지 8인, 연마재.
   
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