[發(fā)明專利]一種鈰摻雜二氧化硅溶膠的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110220443.8
• 申請日: 2011-08-03
• 公開（公告）號: CN102344761A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李家榮;唐會明;徐功濤;馬超
• 申請（專利權(quán)）人: 南通海迅天恒納米科技有限公司
• 主分類號: C09G1/02
• 分類號: C09G1/02
• 代理公司: 南京正聯(lián)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32243
• 代理人: 盧霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種金屬鈰摻雜二氧化硅溶膠的制備方法，屬于微電子化學(xué)機械拋光或平坦化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著微電子技術(shù)朝著器件微細化、結(jié)構(gòu)多層化的發(fā)展，為了使半導(dǎo)體襯底材料以及集成電路芯片的表面達到納米級甚至原子級的平整度，需要采用化學(xué)機械拋光（CMP）或平坦化工藝。

化學(xué)機械拋光借助化學(xué)腐蝕和機械磨削的協(xié)同作用來實現(xiàn)材料表面的快速全局平坦化。在化學(xué)機械拋光過程中，拋光液發(fā)揮著化學(xué)腐蝕和機械磨削的雙重作用。拋光液包括研磨料、可溶性化學(xué)物質(zhì)和水介質(zhì)三部分，其中研磨料提供機械磨削作用，可溶性化學(xué)物質(zhì)用于腐蝕材料表面，水介質(zhì)為拋光液提供良好的流動性。作為發(fā)揮機械作用的研磨料，其磨料種類、顆粒尺寸、形貌以及固含量很大程度上決定著拋光液的拋光速率和拋光質(zhì)量。

我們目前所制備的離子交換法硅溶膠存在拋光速率偏低的現(xiàn)象，為進一步的提高拋光速率，必須想辦法提高二氧化硅粒子的硬度。有相關(guān)報道顯示，鈰改性硅溶膠主要存在兩個趨勢：（1）以氧化硅為核，在其表面包裹氧化鈰形成核殼結(jié)構(gòu)；（2）在硅溶膠成核的過程中加入鈰離子，形成鈰摻雜的硅溶膠。目前，國內(nèi)外對于氧化鈰包裹氧化硅形成核殼結(jié)構(gòu)的研究相對較多，其結(jié)論均定為此結(jié)構(gòu)能夠提高拋光速率。對于鈰摻雜氧化硅改性的研究較少，主要以M.S.Tsai等人為首，其他研究者的結(jié)論大多與其一致。此外，還有人對氧化鈰與氧化硅進行物理混合，作為拋光液磨料后對拋光速率的影響，其結(jié)論為能夠提高拋光速率。研究者對于氧化鈰在硅片拋光中的關(guān)注度越來越高。

在閱讀文獻中發(fā)現(xiàn)，氧化鈰包裹和鈰摻雜所形成的膠體顆粒都不是規(guī)則的球型，這主要是因為氧化鈰比較容易結(jié)晶，在包裹二氧化硅的過程中很難形成均勻的一層殼結(jié)構(gòu)；在鈰摻雜的過程中，鈰與二氧化硅以化學(xué)鍵相結(jié)合形成Si-O-Ce結(jié)構(gòu)，但Si-O鍵與Ce-O長度不同，因此形成的膠體顆粒不規(guī)則。Si的電負性比Ce大，因此Si原子周圍的電子密度增大，屏蔽效應(yīng)增大；同時，與Si鍵合的O原子周圍的電子密度也有所提高，經(jīng)過改性后改變了原SiO₂膠團的電子結(jié)合能力，有可能使得膠團更為緊密。

國外有研究表明，非球形硅溶膠磨料在拋光過程采取滑動摩擦，其摩擦系數(shù)大于球型硅溶膠的滾動摩擦，能夠提高拋光速率。SiO₂/CeO₂粒子的核殼結(jié)構(gòu)能降低粒子對表面的“硬”沖擊，達到“柔性拋光”效果，從而降低表面粗糙度、減輕拋光劃痕和凹坑等微觀缺陷。經(jīng)鈰改性后的硅溶膠因其結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此在提高拋光速率方面有一定的可行性。

上述試驗方法均是利用離子交換法所制備，而利用離子交換法和硅粉水解法相結(jié)合的基礎(chǔ)上，再進行金屬摻雜，目前尚未見相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為解決在微電子行業(yè)拋光用的二氧化硅溶膠磨料硬度較小的問題，在不改變原有制備硅溶膠的過程中進行金屬摻雜實驗，得到硬度較高的二氧化硅磨料，進而提高磨料的拋光速率，滿足電子行業(yè)對氮化鋁基片的表面質(zhì)量要求，提供一種鈰摻雜二氧化硅溶膠的制備方法。

本發(fā)明的鈰摻雜二氧化硅溶膠的制備方法，包括以下步驟：

1）以離子交換法得到的不同粒徑硅溶膠作為晶種，晶種濃度為1.5-2wt%，加入一定量的堿催化劑使得晶種的pH值控制在9-10內(nèi)，升溫60-90℃；

2）將一定量的硝酸鈰銨加純水溶解成硝酸鈰銨水溶液，備用；

3)?利用水浴加熱，將步驟1）中的晶種伴隨攪拌升溫至60-90℃，開始加入一定量的硅粉，此后每隔30-45min加入一次一定量的硅粉和一定量步驟2）中配好的硝酸鈰銨水溶液；

4）按照步驟3）的加料方式，重復(fù)加入5-10次；

5）加料完畢后，繼續(xù)攪拌反應(yīng)1-2h。

優(yōu)選地，

所說的離子交換法得到的不同粒徑的硅溶膠，其粒徑為30-130nm。

所說的堿催化劑為2-5wt%NaOH水溶液。

每次加入硝酸鈰銨用量為每次加入硅粉質(zhì)量的0.2-1%。

所說的硅粉的粒徑為200目。

所說的硅粉的活化溫度控制在60℃，且在水浴中活化。

所說的硝酸鈰銨水溶液的濃度為10-50wt%。

本發(fā)明具有如下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明采用硅粉水解法，通過對反應(yīng)過程中的加料配比、物料濃度、反應(yīng)液PH、反應(yīng)溫度進行工藝控制，改變鈰的加入量，直接制備不同粒徑硬度較高的硅溶膠。本發(fā)明生長周期短、工藝簡單。制備的硅溶膠能夠應(yīng)用于CMP技術(shù)粗拋過程的研磨拋光。