[發明專利]一種粒徑可控硅溶膠的制備方法

在審

• 申請號: 201610157738.8
• 申請日: 2016-03-17
• 公開（公告）號: CN105731468A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 李薇薇;李家榮
• 申請（專利權）人: 江蘇天恒納米科技股份有限公司
• 主分類號: C01B33/14
• 分類號: C01B33/14
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 盧霞

技術領域

本發明屬于精密鑄造與微電子及光電子材料技術領域，涉及一種粒徑可控的二氧化硅溶膠的制造方法。

背景技術

隨著微電子與光電子技術朝著器件微細化、結構多層化的發展，為了使半導體襯底材料、光學晶體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，需要采用化學機械拋光或平坦化工藝。

化學機械拋光借助化學腐蝕和機械磨削的協同作用來實現材料表面的快速全局平坦化。在這一過程中，拋光液發揮著化學腐蝕和機械磨削這兩方面的作用。

拋光液由研磨料、可溶性化學物質和水介質這三部分構成，其中研磨料提供機械磨削作用，可溶性化學物質用于腐蝕材料表面，水介質為拋光液提供良好的流動性。作為發揮機械作用的研磨料，其顆粒尺寸以及固含量很大程度上決定著拋光液的拋光性能，包括拋光速率和拋光質量兩方面。硅溶膠已成為目前拋光液中精密拋光的優選研磨顆粒。

工業上生產硅溶膠常用的方法有離子交換法和硅粉水解法兩種。離子交換法生產大粒徑硅溶膠存在粒徑大小有限，粒徑不均勻，反應時間長，工藝較難控制，制成硅溶膠濃度偏低，成本較高等缺點。硅粉水解法生產硅溶膠則具有工藝簡單，粒徑較為均勻，成本較低等優勢。

單質硅一步溶解法采用工業單質純硅作為原料，采用不同的方法生產硅溶膠，其工藝流程與離子交換法相比有較大區別。單質硅一步溶解法以單質工業純硅為原料，在催化劑的作用下加熱，單質硅直接溶解在軟水介質中，可制得硅溶膠成品。

單質硅一步溶解法制備硅溶膠的流程為：原料的選擇；催化加熱溶解；蒸發去水；收集硅溶膠成品。原料純硅的選擇：可選用純度較高的單質純硅，也可直接采用工業用單質純硅，本制備方法中的雜質含量較低，最終硅溶膠中SiO₂來源為單質硅，原料中雜質的影響降低到較低的程度。催化加熱溶解：用軟水作為溶解介質，將單質純硅置于溶解介質中，加入適量催化劑，并將整個溶解裝置進行加熱，反應后可得硅溶膠稀成品。蒸發去水：上面制得的制成品經過蒸發去水，分離催化劑可得硅溶膠的成品。

美國的一些公司，如Cabot,Rodel等，采用大粒徑的SiO₂(130nm左右)作為磨料。大粒徑的SiO₂具有能夠增強拋光過程中的機械作用、提高拋光速率的優點，但是容易造成表面劃傷，適用于粗拋；粒徑較小的SiO₂可以解決表面劃傷等問題，適用于精拋。因此，硅粉水解法制備粒徑可控硅溶膠能較好的適應于化學機械拋光，同時硅粉水解法生產的小粒徑硅溶膠在精密鑄造等領域也具有成本優勢。

發明內容

本發明的目的是根據化學機械拋光對二氧化硅溶膠所需的粒徑要求，提供一種可控粒徑的二氧化硅溶膠的制備方法。

本發明的粒徑可控硅溶膠的制備方法，包括以下步驟：

1)制備晶種：以硅粉為原料，在堿性催化劑作用下，分批加入硅粉，制成小粒徑二氧化硅溶膠晶種；

2)制備粒徑增長的大粒徑二氧化硅溶膠：以硅粉和步驟1)的晶種為原料，在堿性催化劑作用下，分批加入硅粉，硅粉水解后在晶種上二次生長，制備粒徑增長的大粒徑二氧化硅溶膠；

所述的步驟1)中，反應溫度為50～95℃，反應時間為3～10h；

所述的步驟2)中，反應溫度為50～95℃，反應時間為3～20h

所述的步驟1)和步驟2)的反應過程中，維持反應體系的pH為8-12。

優選地，

所述的步驟1)和步驟2)中的硅粉均為經過一次活化的硅粉。

所述反應體系的pH為9.5～11.5。

所述的堿性催化劑為無機堿和有機堿中一種或幾種的混合。

所述的無機堿選自氫氧化鈉，氫氧化鉀或氨水，所述的有機堿為羥乙基乙二胺或四甲基氫氧化銨。

本發明中：

“小粒徑二氧化硅溶膠”指的是作為晶種的具有較小粒徑的二氧化硅溶膠；

“大粒徑二氧化硅溶膠”指的是粒徑增長后的具有較大粒徑的二氧化硅溶膠。

本發明的反應機理如下：

單質硅粉在堿做催化劑的條件下,能與水反應生成水合硅酸單體,單體聚合后便是硅溶膠。反應方程式為:

Si+2OH^-+H₂O—SiO₃^2-+2H₂↑