專利名稱：硅石和硅石基淤漿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅石，淤漿組合物，和其制備方法。尤其是，本發(fā)明硅石包括聚集的一次顆粒。引入硅石的淤漿組合物適用于拋光制品和尤其可用于半導(dǎo)體襯底和其它微電子襯底的化學(xué)-機(jī)械平面化(″CMP″)。
背景技術(shù)：
一般來說，多個(gè)集成電路在半導(dǎo)體襯底上形成以制造半導(dǎo)體晶片。集成電路通常通過系列工藝步驟而形成，其中材料，如導(dǎo)電，絕緣和半導(dǎo)體材料的圖案化層在襯底上形成。銅和鉭金屬互連在半導(dǎo)體襯底上的應(yīng)用是本領(lǐng)域已知的。一般來說，銅用作被絕緣中間層介電材料(ILD)如二氧化硅包圍的導(dǎo)電互連，和鉭用作銅和ILD之間的阻擋層以防銅遷移至ILD。CMP是一種已知用于從半導(dǎo)體襯底中去除這些金屬材料的技術(shù)。對(duì)金屬去除速率，以及例如，銅，鉭，鎢，鋁和ILD之間的選擇性的控制是獲得平面性要求所需的。
制品如半導(dǎo)體襯底的粗糙表面CMP至光滑的表面一般包括使用受控的和重復(fù)的運(yùn)動(dòng)用拋光墊的工作表面摩擦粗糙表面。因此，該工藝通常包括在存在流體的情況下將拋光墊和半導(dǎo)體襯底相對(duì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。流體可包含顆粒材料如礬土，鈰土，硅石或其混合物。墊和顆粒材料用于機(jī)械平面化半導(dǎo)體襯底，而流體和顆粒材料用于化學(xué)平面化襯底和有助于從制品的粗糙表面上去除和運(yùn)送走被磨掉材料。
為了使半導(dǎo)體晶片上的集成電路的密度最大化，需要在整個(gè)半導(dǎo)體晶片生產(chǎn)工藝的各種階段具有非常平面的襯底。因此，半導(dǎo)體晶片生產(chǎn)通常包括至少一個(gè)，和通常多個(gè)平面化步驟。
本領(lǐng)域已知在CMP工藝中使用礬土和硅石磨料。美國(guó)專利5,980,775公開了一種CMP組合物，包括氧化劑，至少一種催化劑，至少一種穩(wěn)定劑和金屬氧化物磨料如礬土或硅石。另外，該專利公開了一種使用CMP組合物拋光襯底的至少一金屬層的方法。美國(guó)專利6,136,711公開了一種CMP組合物，包括一種能夠刻蝕鎢的化合物，至少一種鎢刻蝕抑制劑，和金屬氧化物磨料如礬土或硅石。另外，該專利公開了一種使用CMP組合物拋光包含鎢的襯底的方法。美國(guó)專利5,904,159公開了一種包含通過將汽相法硅石顆粒分散在含水溶劑中而得到的分散硅石的拋光淤漿，其中在重量基礎(chǔ)上的平均一次顆粒尺寸是5-30nm，具有光散射指數(shù)3-6和硅石濃度1.5％重量，和平均二次顆粒尺寸30-100nm。
一般來說，礬土的使用在本領(lǐng)域被認(rèn)為是理想的，因?yàn)榈\土顆粒在二氧化硅上具有低于硅石顆粒的化學(xué)反應(yīng)性，和因此，礬土顆粒表現(xiàn)出高于硅石顆粒的金屬選擇性。沒有高選擇性，非所需量的二氧化硅層可與金屬一起拋光掉。但礬土淤漿一般比硅石淤漿更昂貴，和更容易出現(xiàn)缺陷。一般，礬土顆粒比硅石顆粒更難以分散。因此，最好開發(fā)出一種具有受控的去除速率和相對(duì)各種金屬材料的高選擇性的硅石淤漿。這里所用的″選擇性″是指兩種或多種材料在CMP過程中的去除速率的比率。例如，銅對(duì)鉭的選擇性表示銅的去除速率與鉭的去除速率的比率。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，包含具有本發(fā)明所確定的特性的硅石的淤漿組合物在金屬去除速率和選擇性方面提供性能優(yōu)點(diǎn)。
按照本發(fā)明，提供了一種硅石，包含(i)一次顆粒的聚集體，所述一次顆粒具有平均直徑至少7納米，其中所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米；和(ii)羥基含量至少7個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明硅石的這些確定特性使用沉淀硅石而得到。
本發(fā)明還包括一種包含本發(fā)明所述硅石的硅石基淤漿。
表征本發(fā)明的特點(diǎn)在作為本公開內(nèi)容一部分的以下技術(shù)方案中具體給出。本發(fā)明的這些和其它特點(diǎn)，其操作優(yōu)點(diǎn)和通過其使用而得到的特定目的根據(jù)以下的詳細(xì)描述和操作實(shí)施例獲得更全面的理解。
在本發(fā)明中提供以下技術(shù)方案(1)一種硅石，包含(a)一次顆粒的聚集體，所述一次顆粒具有平均直徑至少7納米，其中所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米；和(b)羥基含量至少7個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(2)根據(jù)上述(1)的硅石，其中所述一次顆粒的所述平均直徑是至少10納米。
(3)根據(jù)上述(1)的硅石，其中所述一次顆粒的所述平均直徑是至少15納米。
(4)根據(jù)上述(1)的硅石，其中所述羥基含量是至少10個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(5)根據(jù)上述(1)的硅石，其中所述羥基含量是至少15個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(6)根據(jù)上述(1)的硅石，其中所述聚集體尺寸低于0.5微米。
(7)一種淤漿組合物，該組合物包含硅石，它包含(a)一次顆粒的聚集體，所述一次顆粒具有平均直徑至少7納米，其中所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米；(b)羥基含量至少7個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米；和(c)液體。
(8)根據(jù)上述(7)的硅石，其中所述一次顆粒的所述平均直徑是至少10納米。
(9)根據(jù)上述(7)的硅石，其中所述一次顆粒的所述平均直徑是至少15納米。
(10)根據(jù)上述(7)的硅石，其中所述羥基含量是至少10個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(11)根據(jù)上述(7)的硅石，其中所述羥基含量是至少15個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(12)一種化學(xué)機(jī)械平面化襯底的方法，包括供給包含硅石的淤漿組合物的步驟，所述硅石包含(a)一次顆粒的聚集體，所述一次顆粒具有平均直徑至少7納米，其中所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米；和(b)羥基含量至少7個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(13)根據(jù)上述(12)的方法，其中所述化學(xué)機(jī)械平面化包括從所述襯底上去除選自金屬，金屬氧化物和聚合物介電體的材料。
(14)根據(jù)上述(12)的方法，其中所述化學(xué)機(jī)械平面化包括從所述襯底上去除選自銅，鉭，鎢和鋁的元素。
(15)根據(jù)上述(12)的方法，其中所述化學(xué)機(jī)械平面化包括從所述襯底上去除二氧化硅。
(16)根據(jù)上述(12)的方法，其中所述化學(xué)機(jī)械平面化包括從所述襯底上去除銅和鉭。
(17)根據(jù)上述(16)的方法，其中所述鉭去除的速率是等于或高于所述銅去除的速率。
(18)一種包含硅石的用于襯底的化學(xué)機(jī)械平面化的淤漿組合物，所述硅石包含一次顆粒的聚集體，其中所述硅石的BET/CTAB比率大于1。
(19)根據(jù)上述(18)的淤漿組合物，其中所述硅石所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米。
(20)根據(jù)上述(18)的淤漿組合物，其中所述硅石的所述一次顆粒平均直徑大于7納米。
(21)根據(jù)上述(18)的淤漿組合物，其中所述硅石的羥基含量大于7個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(22)一種包含硅石的用于化學(xué)機(jī)械平面化襯底的淤漿組合物，所述硅石包含一次顆粒的聚集體，所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米，其中所述硅石具有油吸收值至少150毫升/100克硅石。
(23)根據(jù)上述(22)的淤漿組合物，其中所述油吸收值是至少220毫升/100克硅石。
(24)根據(jù)上述(1)的硅石，其中所述硅石包含沉淀硅石。
(25)一種沉淀硅石，包含(a)一次顆粒的聚集體，所述一次顆粒具有平均直徑至少7納米，其中所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米；和(b)羥基含量至少7個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(26)根據(jù)上述(25)的沉淀硅石，其中所述一次顆粒的所述平均直徑是至少10納米。
(27)根據(jù)上述(25)的沉淀硅石，其中所述一次顆粒的所述平均直徑是至少15納米。
(28)根據(jù)上述(25)的沉淀硅石，其中所述羥基含量是至少10個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(29)根據(jù)上述(25)的沉淀硅石，其中所述羥基含量是至少15個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(30)根據(jù)上述(7)的淤漿組合物，其中所述硅石包含沉淀硅石。
(31)根據(jù)上述(7)的淤漿組合物，其中所述淤漿被施用到襯底上用于所述襯底的化學(xué)機(jī)械平面化。
(32)一種包含沉淀硅石的用于化學(xué)機(jī)械平面化襯底的淤漿組合物，所述沉淀硅石包含(a)一次顆粒的聚集體，所述一次顆粒具有平均直徑至少7納米，其中所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米；和(b)羥基含量至少7個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
(33)根據(jù)上述(18)的淤漿組合物，其中所述BET/CTAB比率是至少1.2或更高。
(34)一種通過采用濕研磨工藝能被降至聚集體尺寸低于1微米的硅石。
(35)一種通過采用濕研磨工藝能被降至聚集體尺寸低于1微米的沉淀硅石。
除了在操作實(shí)施例外，或另有所指，用于說明書和權(quán)利要求的所有的數(shù)或措辭，如表示結(jié)構(gòu)尺寸，壓力，流速，等的那些要理解為在所有情況下被術(shù)語(yǔ)″約″所修飾。
具體實(shí)施例方式
一般來說，硅石可通過合并可溶金屬硅酸鹽的水溶液與酸合并而制成。
可溶金屬硅酸鹽通常是堿金屬硅酸鹽如硅酸鈉或硅酸鉀。酸可選自無機(jī)酸，有機(jī)酸，和二氧化碳。硅酸鹽/酸淤漿可隨后老化。將酸或堿加入硅酸鹽/酸淤漿中。所得硅石顆粒從混合物的液體部分中分離。分離的硅石用水洗滌，將濕硅石產(chǎn)物干燥，并隨后使用常規(guī)洗滌，干燥和分離方法將干燥硅石與其它反應(yīng)產(chǎn)物的殘余物相互分離。
本領(lǐng)域已知，如果硅酸鹽聚合至足夠的分子量使得聚合物尺寸超過約1納米，形成離散硅石顆粒。這些顆粒在本文中稱作“一次”顆粒。用于表征一次顆粒的方法已在已有技術(shù)文獻(xiàn)(如，″硅石化學(xué)(TheChemistry of Silica)，″Ralph K.Iler，1979 John Wiley & Sons，NewYork，章節(jié)5)中描述。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，一次顆粒具有平均直徑至少7納米，或至少10納米，或至少15納米。本文中本發(fā)明的硅石的一次顆粒的平均直徑使用CTAB比表面積計(jì)算。該計(jì)算包括將2720除以CTAB比表面積(平方米/克)。該方法類似于用于具有骨架密度2.2克/立方厘米的無定形硅石的Iler參考文獻(xiàn)(如上，頁(yè)數(shù)465)所述。
另外，在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，一次顆?？梢允墙魄蛐蔚?。
本領(lǐng)域已知，除了一次顆粒內(nèi)的硅氧烷鍵，顆粒尺寸低于約100納米的一次顆粒傾向聚集在一起和形成顆粒之間的共價(jià)硅氧烷鍵(如，″Iler″文獻(xiàn))。這些共價(jià)鍵接的一次顆粒的集團(tuán)在本文中稱作″聚集體″。用于表征聚集體的方法另外描述于已有技術(shù)(如，″Iler″文獻(xiàn))。
用于制備本發(fā)明硅石的硅石一次顆粒之間的鍵充分弱使得該鍵可在使用市售設(shè)備如常規(guī)勻化器，NanomiserTM，或MicrofluidizerTM施加機(jī)械剪切時(shí)可斷裂。本發(fā)明硅石包括聚集體尺寸低于1微米，或低于0.5微米的聚集的一次顆粒。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，硅石的一次顆粒之間的鍵斷裂以提供其中聚集體尺寸低于1微米，或低于0.5微米的分散體或淤漿。
聚集體的尺寸可通過熟練技術(shù)人員已知的方法，如，使用光散射技術(shù)，如Coulter LS顆粒尺寸分析器而測(cè)定。這里和在權(quán)利要求中所用的″聚集體尺寸″定義為聚集體基于體積％的直徑，例如通過光散射使用Coulter Counter LS顆粒尺寸分析器而測(cè)定。在該光散射技術(shù)中，直徑由回旋流體動(dòng)力學(xué)半徑測(cè)定，與聚集體的實(shí)際的形狀無關(guān)?！迤骄寰奂w尺寸是聚集體基于體積％的平均直徑。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，平均聚集體尺寸是75-250nm。
用于制備本發(fā)明硅石的硅石使得一次顆粒的聚集體能夠在經(jīng)受顆粒尺寸降低技術(shù)時(shí)″破碎″成一次顆粒的較小聚集體。用于制造硅石的工藝條件使得它們有利于形成傾向破碎成較小聚集體的聚集體。傾向于破碎的聚集體據(jù)信是由于在一次顆粒之間具有較少硅氧烷鍵的硅石聚集體。
進(jìn)一步相信，油吸收是對(duì)硅石結(jié)構(gòu)的開放度的一種度量和表示硅石進(jìn)行顆粒尺寸降低的敏感性。在本發(fā)明中，至少50％的聚集的一次顆粒被降低至聚集體尺寸低于1微米。在一個(gè)實(shí)施方案中，至少80％，和優(yōu)選100％的聚集的一次顆粒被降低至聚集體尺寸低于1微米。本說明書和權(quán)利要求所用的無定形沉淀硅石的鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)油吸收根據(jù)ASTM D 2414-93使用鄰苯二甲酸二丁酯作為被吸收物測(cè)定。本發(fā)明硅石通常具有油吸收至少150毫升/100克硅石。在一個(gè)實(shí)施方案中，油吸收是至少220毫升/100克硅石。
但不能僅依賴于油吸收來表示硅石經(jīng)歷顆粒尺寸降低的敏感性。顆粒間橋接在一些情況下可增強(qiáng)硅石聚集體和防止硅石破碎，盡管油吸收可以是高的?；蛘撸@微鏡檢查可用于得到對(duì)一次顆粒之間的材料橋接程度的一種物理測(cè)量。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，硅石是沉淀硅石。本發(fā)明硅石具有″表面粗糙度″至少1.0(如果定義為BET-氮(5-點(diǎn))表面積與CTAB比表面積的比率)。本文所用的術(shù)語(yǔ)″BET表面積″通過Brunauer，Emmett，和Teller(BET)方法根據(jù)ASTM D1993-91測(cè)定。這里所用的術(shù)語(yǔ)″表面粗糙度″以一種類似于″粗糙度因子″的方式定義，后者由Anderson和Emmett描述為BET氮表面積與通過電子顯微照片確定的表面積的比率[參見R.B.Anderson和P.H.Emmett，應(yīng)用物理雜志，1939，19，367]。通過電子顯微照片確定的表面積在此被替代為CTAB比表面積。
BET表面積通過擬合使用Micromeritics Tristar 3000TM儀器進(jìn)行的氮吸附等溫測(cè)量的五個(gè)相對(duì)壓點(diǎn)而確定。FlowPrep-060TMstation提供熱和連續(xù)氣體流動(dòng)以制備用于分析的樣品。在氮吸附之前，硅石樣品通過在流動(dòng)氮(P5級(jí))中在溫度160℃下加熱至少1小時(shí)而干燥。
CTAB比表面積是對(duì)硅石的外部表面積的一種度量。法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)方法(法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFT 45-007，用于橡膠工業(yè)的原材料沉淀水合硅石，部分5.12，方法A，pp.64-71，1987年十一月)通過使用陰離子表面活性劑AerosolOT的溶液作為滴定劑確定CTAB(鯨蠟基三甲基溴化銨)在pH9.0-9.5下吸附前后的量而測(cè)定外比表面積。不同于使用過濾分離硅石的其它CTAB方法，法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)方法使用離心。給定重量的硅石所吸附的CTAB的量和CTAB分子所占據(jù)的空間用于計(jì)算硅石的外比表面積。外比表面積值以平方米/克表示。用于確定CTAB的詳細(xì)步驟在實(shí)施例中給出。
硅石的表面積和表面粗糙度可取決于用于制備硅石的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，隨后用于制備本發(fā)明硅石的硅石通過采用沉淀工藝而制成。一般來說，在沉淀步驟過程中的較低溫度和更高氫氧化物含量得到具有高CTAB比表面積的硅石。在沉淀步驟之后的較長(zhǎng)的老化時(shí)間和較高溫度通常使表面粗糙度最小化。
在一個(gè)實(shí)施方案中，給定一次顆粒尺寸下的硅石的表面粗糙度可通過改變沉淀?xiàng)l件而增加。例如，氫氧化物濃度可在″老化″步驟(例如下述工藝的步驟I.e.)過程中通過將堿如氫氧化物加入到混合物而增加。氫氧化物的加入量可使得硅石/氫氧化物摩爾比超過2.9。在一個(gè)實(shí)施方案中，硅石/氫氧化物摩爾比是3.3-10；和在另一實(shí)施方案中，4.0-6.6。氫氧化物可選自各種各樣的已知的氫氧化物，如氫氧化鉀。增加的氫氧化物濃度導(dǎo)致明顯較高的BET表面積，但CTAB比表面積未變或稍微下降。該方法一般可用于增加具有低CTAB表面積的硅石的表面粗糙度。″低″CTAB表面積通常低于100m2/g。
在另一實(shí)施方案中，硅酸鹽和酸流速在整個(gè)硅酸鹽和酸加入步驟(例如下述工藝的步驟I.c.)過程中被平衡以保持較高硅酸鹽/酸流速比率。在該實(shí)施方案中，較高氫氧化物濃度降低了在加入步驟過程中硅酸鹽中和的水平。該方法一般可用于增加具有高CTAB表面積的硅石的表面粗糙度?！甯摺錍TAB表面積通常大于100m2/g。
另外，如果反應(yīng)混合物具有pH 8.5或更低(例如下述工藝的步驟II.d.)，改變老化步驟的持續(xù)時(shí)間也可用于調(diào)節(jié)硅石的表面粗糙度。在該pH范圍內(nèi)，較長(zhǎng)的老化時(shí)間通常導(dǎo)致較低表面粗糙度。
一種制備可隨后用于制備本發(fā)明硅石的硅石的方法可包括將固體形式的堿金屬硅酸鹽溶解在水中以得到″添加劑″溶液。或，可將含水堿金屬硅酸鹽的濃溶液稀釋得到堿金屬在″添加劑″溶液中的所需濃度。在此，堿金屬的重量量在分析上表示為″M2O″。堿金屬硅酸鹽可選自硅酸鋰，硅酸鈉，硅酸鉀，和其混合物。
本文所述的硅石制備工藝在足夠高以排除反應(yīng)混合物膠凝的溫度下進(jìn)行。因此，該溫度通常是至少70℃。另外，如果工藝在非加壓容器中進(jìn)行，進(jìn)行制備工藝時(shí)的溫度足夠低以避免反應(yīng)混合物的沸騰和相變結(jié)晶。因此，該溫度通常不高于100℃。另外，用于該工藝的SiO2和M2O的量根據(jù)膠凝和結(jié)晶情況而選擇。
所得″添加劑″溶液通常包含1-30％重量SiO2和具有SiO2∶M2O摩爾比0.1-3.9。在一個(gè)實(shí)施方案中，″添加劑″溶液包含10-25％重量SiO2；和在另一實(shí)施方案中，15-20％重量SiO2。另外，在一個(gè)實(shí)施方案中，SiO2∶M2O摩爾比是2.9-3.5。在另一實(shí)施方案中，SiO2∶M2O摩爾比是3.0-3.4；和在另一實(shí)施方案中，3.1-3.4。
一種制備用于本發(fā)明的具有低CTAB比表面積的硅石的方法可包括以下步驟。如上所述，術(shù)語(yǔ)″低CTAB比表面積″通常是指約100平方米/克或更低的值。
(I.a.)一部分″添加劑″含水堿金屬硅酸鹽溶液用水稀釋以制備出″起始″含水堿金屬硅酸鹽溶液。
該″起始″溶液包含0.1-2.0％重量SiO2和具有SiO2∶M2O摩爾比0.1-3.9。在一個(gè)實(shí)施方案中，含水堿金屬硅酸鹽溶液包含0.2-1.5％重量SiO2；或0.3-1.0％重量SiO2。另外，在一個(gè)實(shí)施方案中，SiO2∶M2O摩爾比是1.6-3.9；或2.9-3.5；或3.1-3.4。
(I.b.)將酸加入″起始″含水堿金屬硅酸鹽溶液中以中和所存在的M2O，以形成第一反應(yīng)混合物。另外，在一個(gè)實(shí)施方案中，至少90％的存在于起始含水堿金屬硅酸鹽溶液中的M2O被中和。差不多100％的M2O可被中和。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，95-100％M2O被中和。
％中和可通過假設(shè)1當(dāng)量強(qiáng)酸中和1當(dāng)量M2O而計(jì)算。例如，1摩爾(2當(dāng)量)硫酸中和1摩爾(2當(dāng)量)M2O。在一個(gè)實(shí)施方案中，pH被調(diào)節(jié)至低于9.5，或低于9.0，或8.5或更低。適用于該中和步驟的酸可廣泛地改變。一般來說，酸應(yīng)該足夠強(qiáng)以中和堿金屬硅酸鹽。這些酸的例子包括硫酸，氫氯酸，硝酸，磷酸，甲酸，乙酸，和其混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用硫酸，氫氯酸，硝酸或磷酸。在另一實(shí)施方案中，使用硫酸。
(I.c.)將另一部分的″添加劑″含水堿金屬硅酸鹽溶液和酸在一段時(shí)間內(nèi)優(yōu)選同時(shí)加入第一反應(yīng)混合物中以形成第二反應(yīng)混合物。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，加入在20-180分鐘；或30-120分鐘；或45-90分鐘內(nèi)完成。″添加劑″溶液的用量使得SiO2的加入量是存在于″起始″含水堿金屬硅酸鹽溶液中的SiO2的量的0.5-30倍。在一個(gè)實(shí)施方案中，加入存在于″起始″溶液中的SiO2的3-28倍。在本發(fā)明另一實(shí)施方案中，酸的加入量使得在同時(shí)加入過程中加入的″添加劑″溶液所含的至少90％M2O被中和。在一個(gè)實(shí)施方案中，至少95％M2O被中和；和在另一實(shí)施方案中，100％M2O被中和。在一個(gè)實(shí)施方案中，pH保持在低于9.5，或低于9.0，或8.5或更低。
適用于該第二中和步驟的酸可廣泛地改變。如上所述，酸應(yīng)該足夠強(qiáng)以中和堿金屬硅酸鹽。這些酸的例子包括硫酸，氫氯酸，硝酸，磷酸，甲酸，乙酸，和其混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用硫酸，氫氯酸，硝酸或磷酸。在另一實(shí)施方案中，使用硫酸。
(I.d.1.)如果具有低表面粗糙度的硅石是希望的，酸在攪拌下加入第二混合物中以形成第三反應(yīng)混合物。在此使用的″低″表面粗糙度是指硅石的BET表面積/CTAB比表面積比率低于1.2或更低。酸的用量使得第三反應(yīng)混合物的pH是9.3或更低。在一個(gè)實(shí)施方案中，pH是7.0-9.3；和在另一實(shí)施方案中，7.5-9.0。各種各樣的酸可用于該步驟。酸應(yīng)該選擇使得酸足夠強(qiáng)以將pH降至所述pH范圍內(nèi)的值。在一個(gè)實(shí)施方案中，合適的酸包括硫酸，氫氯酸，硝酸，磷酸，甲酸，和乙酸。在另一實(shí)施方案中，使用硫酸，氫氯酸，硝酸或磷酸；和在進(jìn)一步實(shí)施方案，使用硫酸。
(I.d.2.)如果具有高表面粗糙度的硅石是希望的，氫氧化物在攪拌下加入第二混合物中以形成第三反應(yīng)混合物。在此使用的″高″表面粗糙度是指硅石的BET表面積/CTAB比表面積比率是1.2或更高。氫氧化物的加入量使得硅石/氫氧化物摩爾比大于2.9。在一個(gè)實(shí)施方案中，硅石/氫氧化物摩爾比是3.3-10；和在另一實(shí)施方案中，4.0-6.6。用于該步驟的氫氧化物可廣泛變化。合適的氫氧化物的例子包括氫氧化銨，氫氧化鉀，氫氧化鈉，有機(jī)氫氧化銨，有機(jī)胺的氫氧化物，和其混合物。
(I.e.)任一種第三反應(yīng)混合物(用于低或高表面粗糙度)可在攪拌下老化。在一個(gè)實(shí)施方案中，老化時(shí)間是10-100分鐘；和在另一實(shí)施方案中，20-90分鐘。
(I.f.)酸隨后在攪拌下加入第三反應(yīng)混合物中以形成第四反應(yīng)混合物。酸的加入量使得第四反應(yīng)混合物的pH低于7.0。在一個(gè)實(shí)施方案中，pH是3.0-6.0；和在另一實(shí)施方案中，3.5-4.5。用于該步驟的酸可廣泛變化。如前所述，所用的應(yīng)該足夠強(qiáng)以將混合物的pH降至規(guī)定的范圍內(nèi)。這些酸的例子包括硫酸，氫氯酸，硝酸，磷酸，甲酸，和乙酸。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，使用硫酸，氫氯酸，硝酸，和磷酸。在另一實(shí)施方案中，使用硫酸。
在一個(gè)實(shí)施方案中，用于本發(fā)明的具有高CTAB比表面積的硅石可根據(jù)以下工藝制成。
(II.a.)一部分″添加劑″含水堿金屬硅酸鹽溶液可用水稀釋得到包含0.1-5.0％重量SiO2和具有氫氧化物含量0.02mol/升-0.35mol/升的″起始″含水堿金屬硅酸鹽溶液?？闪硗鈱溲趸锛尤朐撈鹗己畨A金屬硅酸鹽溶液以將氫氧化物含量由0.02mol/升調(diào)節(jié)至0.35mol/升。在一個(gè)實(shí)施方案中，起始含水堿金屬硅酸鹽溶液包含0.2-4.0％重量SiO2；或0.3-3.0％重量SiO2。另外，在一個(gè)實(shí)施方案中，氫氧化物含量是0.02mol/升-0.26mol/升；或0.03mol/升-0.22mol/升。
反應(yīng)混合物的氫氧化物含量(mol/升)可通過以下工藝而測(cè)定。將反應(yīng)混合物的樣品用約100毫升去離子水稀釋，然后使用0.645N氫氯酸在酚酞指示劑的存在下滴定樣品。氫氧化物含量(mol/升)隨后通過將用于以上滴定的0.645N HCl的毫升數(shù)乘以滴定劑的當(dāng)量濃度并除以反應(yīng)混合物的體積(毫升)而計(jì)算。
(II.b.)在一段時(shí)間內(nèi)，在攪拌下，將一部分添加劑含水堿金屬硅酸鹽溶液和酸優(yōu)選同時(shí)加入第一反應(yīng)混合物中，這樣形成第二反應(yīng)混合物。添加劑含水堿金屬硅酸鹽溶液的用量使得SiO2的加入量是存在于步驟(II.a.)所確立的起始含水堿金屬硅酸鹽溶液中的SiO2的量的0.5-30倍。酸的加入量使得保持在步驟(II.a.)中所確立的氫氧化物含量。在一個(gè)實(shí)施方案中，SiO2的加入量是存在于步驟(II.a.)所確立的起始含水堿金屬硅酸鹽溶液中的SiO2的量的3-28倍。該加入步驟可在20-180分鐘內(nèi)完成。在另一實(shí)施方案中，該加入步驟在30-120分鐘，或45-90分鐘內(nèi)完成。
(II.c.)將酸在攪拌下加入第二混合物中以形成第三反應(yīng)混合物。酸的用量使得第三反應(yīng)混合物的pH是9.3或更低。在一個(gè)實(shí)施方案中，pH是7.0-9.3；和在另一實(shí)施方案中，7.5-9.0。各種各樣的酸可用于該步驟。所選的酸應(yīng)該足夠強(qiáng)以將pH降至前述規(guī)定范圍內(nèi)的值。在一個(gè)實(shí)施方案中，合適的酸包括硫酸，氫氯酸，硝酸，磷酸，甲酸，和乙酸。在另一實(shí)施方案中，使用硫酸，氫氯酸，硝酸或磷酸；和在進(jìn)一步實(shí)施方案，使用硫酸。
(II.d.)第三反應(yīng)混合物可在攪拌下老化10-120分鐘；或20-90分鐘。
(II.d.1.)在一個(gè)實(shí)施方案中，具有低表面粗糙度的硅石可通過老化第三反應(yīng)混合物時(shí)間超過30分鐘而制成。在另一實(shí)施方案中，老化步驟的時(shí)間超過60分鐘。如上所述，這里所用的″低″表面粗糙度是指硅石的BET表面積/CTAB比表面積比率低于1.2。
(II.d.2.)在一個(gè)實(shí)施方案中，具有低表面粗糙度的硅石可通過老化第三反應(yīng)混合物120分鐘或更低而制成。在另一實(shí)施方案中，老化步驟進(jìn)行30分鐘或更長(zhǎng)。如上所述，在此使用的″高″表面粗糙度是指硅石的BET表面積/CTAB比表面積比率是1.2或更高。
(II.e.)酸隨后在攪拌下加入第三反應(yīng)混合物中以形成第四反應(yīng)混合物。酸的加入量使得第四反應(yīng)混合物的pH低于7.0。在一個(gè)實(shí)施方案中，pH是3.0-6.0；和在另一實(shí)施方案中，3.5-4.5。用于該步驟的酸可廣泛變化。如前所述，酸應(yīng)該選擇使得該酸足夠強(qiáng)以將混合物的pH降至規(guī)定的范圍內(nèi)。這些酸的例子包括硫酸，氫氯酸，硝酸，磷酸，甲酸，和乙酸。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，使用硫酸，氫氯酸，硝酸，和磷酸。在另一實(shí)施方案中，使用硫酸。
用于制備具有高CTAB比表面積的硅石的工藝和用于制備具有低CTAB比表面積的硅石的工藝，正如以上討論，可進(jìn)一步包括以下步驟。
(III.a.)將在第四反應(yīng)混合物中制成的硅石從老化的第四反應(yīng)混合物的大部分液體中分離。該分離可通過一種或多種本領(lǐng)域已知用于從液體中分離固體的技術(shù)；如，例如，過濾，離心，傾析，和類似技術(shù)而實(shí)現(xiàn)。
(III.b.)分離的硅石隨后使用任何已知用于洗滌固體的工藝而洗滌，如，例如，使水經(jīng)過濾餅，和將硅石在水中再制漿隨后從液體中分離固體。可根據(jù)需要采用一個(gè)洗滌周期或一系列洗滌周期。洗滌硅石的一個(gè)目的是將通過各種中和形成的鹽去除至理想地低的水平。硅石通常洗滌直至鹽在干燥硅石中的濃度低于或等于2％重量。在一個(gè)實(shí)施方案中，硅石洗滌直至鹽的濃度低于或等于1％重量。
(III.c.)洗滌的硅石隨后使用一種或多種熟練技術(shù)人員已知的技術(shù)干燥。例如，硅石可在空氣爐或在真空爐中干燥。在一個(gè)實(shí)施方案中，硅石分散在水中和在熱空氣塔中噴霧干燥。進(jìn)行干燥時(shí)的溫度并不重要。在一個(gè)實(shí)施方案中，干燥溫度低于熔融溫度；因此，干燥溫度通常低于700℃。干燥工藝可繼續(xù)至硅石具有粉末特性。
一般來說，干燥硅石不完全是無水的而是包含變化量的″結(jié)合″水(如，1-5％重量)和不是結(jié)合水的水分(如，1-15％重量)。后者可取決于普遍的相對(duì)濕度和取決于樣品在真空干燥時(shí)的重量損失?！褰Y(jié)合″水在本文中定義為通過在煅燒溫度，例如，1000℃-1200℃下另外加熱硅石而去除的水。在本發(fā)明中，結(jié)合水值用于計(jì)算每克無水分硅石的羥基基團(tuán)的數(shù)目。在該計(jì)算中，假設(shè)每摩爾結(jié)合水有兩個(gè)表面羥基。羥基基團(tuán)/nm2的數(shù)目根據(jù)以下等式計(jì)算羥基/nm2＝2*10-18*N*結(jié)合水*(CTAB比表面積)-1其中結(jié)合水以每克硅石的摩爾數(shù)給出；CTAB比表面積以平方米/克硅石給出，和N是阿伏伽德羅數(shù)(6.023*1023羥基/摩爾)。
硅石的表面一般包含來自硅氧烷-鏈終止的硅烷醇的羥基基團(tuán)。每單位硅石表面積的羥基基團(tuán)的數(shù)目根據(jù)用于制備硅石的工藝而變化。在一個(gè)實(shí)施方案中，羥基基團(tuán)/nm2的數(shù)目是至少7，或至少10，或至少15。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，這些參數(shù)通常代表通過沉淀工藝制成的硅石的特征。
羥基基團(tuán)在使用硅石基淤漿的CMP材料去除速率方面的作用已在本領(lǐng)域中提出。例如，已經(jīng)提出，淤漿中的硅石的羥基基團(tuán)與二氧化硅ILD中的羥基基團(tuán)鍵接，這在化學(xué)上有助于ILD去除(參見L.M.Cook，非結(jié)晶固體雜志，1990，120，152-171)。在使用包含汽相法硅石的淤漿的CMP中，羥基基團(tuán)在銅和鉭去除速率方面的作用也被提出(參見Li，Y.和Babu，S.V.，″使用硅石磨料的Cu和Ta的CMP中的化學(xué)機(jī)理，F(xiàn)ifthAnnual CMP Symposium 2000，八月14日，2000，Lake Placid，New York，和Li.；Jindal，A；和Babu，S.V.，化學(xué)品和磨料顆粒性能在銅和鉭的化學(xué)-機(jī)械拋光中的作用，電化學(xué)學(xué)會(huì)第198次會(huì)議會(huì)刊，Phoenix，Arizona，十月22-27日，2000)。
％重量水分的確定包括一種用于測(cè)量在約105℃下真空干燥得到的樣品的重量損失。一種步驟描述于ASTM標(biāo)準(zhǔn)，D-280的方法A，卷06.02。硅石樣品在105±3℃下在稱重瓶在大氣壓下干燥。在約30分鐘之后，施加真空并將樣品在真空下干燥另外30分鐘。原始樣品的重量損失是水分損失，和用于計(jì)算％重量水分。
每克硅石的結(jié)合水測(cè)定如下。每克硅石的總重?fù)p失通過在將硅石由室溫加熱至1150℃達(dá)1小時(shí)之后重量分析灼燒而測(cè)定。將水分損失(如上所述)從總重?fù)p失中減去。另外，在灼燒過程中產(chǎn)生的每克氯和三氧化硫的重量損失也從總重?fù)p失中減去。氯和三氧化硫含量相應(yīng)由硅石中的氯化物鹽和硫酸鹽含量計(jì)算。用于該計(jì)算的氯化物和硫酸鹽的濃度通過硅石的x-射線熒光測(cè)量而測(cè)定。因此，每克硅石的結(jié)合水通過下式計(jì)算結(jié)合水＝總重?fù)p失-水分損失-氯損失-三氧化硫損失其中如上所述，用于總重?fù)p失，氯損失和三氧化硫損失的值按每克硅石和在溫度1150℃下給出。用于水分損失的值按每克硅石和在溫度105℃下給出。
一般來說，對(duì)于上述的硅石制備方法，用于各種步驟的攪拌程度可顯著變化。在加入一種或多種反應(yīng)物過程中所采用的攪拌應(yīng)該至少足以提供反應(yīng)物和反應(yīng)混合物的充分分散，這樣避免超過不重要的局部高濃度的反應(yīng)物并確保硅石沉積基本上均勻出現(xiàn)。在老化過程中所采用的攪拌應(yīng)該至少足以避免固體的沉降，這樣確保硅石沉積基本上均勻出現(xiàn)在整個(gè)硅石顆粒物質(zhì)中而不是在顆粒沉降層的頂部或其附近的那些顆粒上。
如上所述，用于制備本發(fā)明硅石的硅石使得聚集的一次顆粒的聚集體能夠在經(jīng)受顆粒尺寸降低技術(shù)時(shí)″破碎″成一次顆粒的較小聚集體。這些技術(shù)是本領(lǐng)域已知的和可例舉為研磨和粉碎。在一個(gè)實(shí)施方案中，濕研磨工藝如流體能量研磨工藝可用于減少顆粒的尺寸。該研磨工藝包括空氣或超加熱蒸汽作為工作流體的使用。流體能量磨機(jī)已經(jīng)描述于已有技術(shù)(如，Perry′s Chemical Engineers Handook，第四版，McGraw-Hill Book Company，New York，(1963)，國(guó)會(huì)圖書館目錄卡號(hào)6113168，頁(yè)數(shù)8-42和8-43；McCabe和Smith，化學(xué)工程的單元操作，第三版，McGraw-Hill Book Company，New York(1976)，ISBN0-07-044825-6，頁(yè)數(shù)844和845；F.E Albus，″現(xiàn)代流體能量磨機(jī)″，化學(xué)工程發(fā)展，卷60，No.6(June 1964)，頁(yè)數(shù)102-106，整個(gè)內(nèi)容在此作為參考并入本發(fā)明)。
在流體能量研磨工藝中，硅石的聚集的一次顆粒懸浮在氣體物流中并在高速度下在圓形或橢圓路徑中在限制的腔內(nèi)循環(huán)。當(dāng)顆粒撞擊或摩擦該限制腔的壁時(shí)，聚集體顆粒尺寸出現(xiàn)一些下降，但大多數(shù)下降據(jù)信由顆粒間磨損所造成。
在另一實(shí)施方案中，硅石通過直接將硅石與高壓水射流接觸而分散。所得含水淤漿物流隨后被送入包含交替系列的窄-孔徑和寬-孔徑單元(cell)的空化腔。第二高壓水射流以相反的流向被導(dǎo)向空化腔以增加單元內(nèi)的硅石-顆粒碰撞。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明硅石通過使用雙射流單元(double-jetcell)工藝降低硅石的聚集體尺寸而制成，其中所述工藝涉及公開于WO00/39056和美國(guó)專利No.5,720,551的裝置和方法。例如公開于這些文獻(xiàn)的工藝使用雙射流單元，通過減少水油混合物中的液滴尺寸而生產(chǎn)乳液。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，雙射流單元工藝可用于生產(chǎn)用于半導(dǎo)體CMP所用淤漿的硅石，因?yàn)楣枋械木奂w最好具有低于1微米的聚集體尺寸以防晶片擦傷。在一個(gè)實(shí)施方案中，雙射流單元工藝包括一種包含兩個(gè)噴嘴的裝置；每個(gè)噴嘴沿著路徑傳輸一股流體。各噴嘴基本上相互相對(duì)取向。因此，第一流體射流導(dǎo)向第二流體射流，且兩股流體射流在長(zhǎng)條形腔的某個(gè)區(qū)域相互作用。噴嘴可以是陶瓷如礬土，藍(lán)寶石，或金剛石涂覆的，這樣降低流體射流的磨損。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述流體包含水。該長(zhǎng)條形腔構(gòu)造以形成來自兩股射流的流體物流，所述兩股射流沿著一個(gè)方向基本上與射流之一的路徑相反的路徑行進(jìn)。為了降低顆粒尺寸，所述腔包括一個(gè)或多個(gè)可具有不同的特性(如，內(nèi)徑，輪廓，和組成)的反應(yīng)器。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用12個(gè)或更少的反應(yīng)器，或4-8個(gè)反應(yīng)器。密封可位于反應(yīng)器之間。密封可具有不同的密封特性(如，內(nèi)徑)。密封的內(nèi)徑與反應(yīng)器內(nèi)徑的比率大于1，或高于2。
兩股流體射流從具有不同的直徑的兩個(gè)噴嘴孔中射出。一股流體射流的速度是占優(yōu)勢(shì)的且另一流體射流的速度是劣勢(shì)的。兩股射流速率的比率影響任何給定顆粒在長(zhǎng)條形腔中的平均滯留期。劣勢(shì)(或較低)射流速度越接近占優(yōu)勢(shì)(或更高)射流的速度，出現(xiàn)更多的逆流(flowreversal)。這種回流(back flow)增加顆粒碰撞，這樣增加硅石中的聚集體的顆粒尺寸降低作用。長(zhǎng)條形腔中的反應(yīng)器的內(nèi)徑可用于接近劣勢(shì)射流的噴嘴尺寸。兩個(gè)噴嘴的孔直徑的比率可大于1∶1，但低于2∶1。在一個(gè)實(shí)施方案中，該比率是1.05∶1-1.3∶1。
雙射流單元裝置還包括一個(gè)在排出較低速度射流的噴嘴附近設(shè)置的出口部。出口部從長(zhǎng)條形腔中放出流體物流。入口部被包括在長(zhǎng)條形腔的設(shè)置有排出高速度射流的噴嘴的區(qū)域中。入口部可用于接受第三流體，和將第三流體排出到具有較高射流速度的噴嘴排出物。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，第三流體包含硅石。在另一實(shí)施方案中，硅石是沉淀硅石，或噴霧干燥硅石。在其它實(shí)施方案中，第三流體可進(jìn)一步包含氣體如空氣，或液體如水。穿過噴嘴的壓降在該入口部處產(chǎn)生真空。
硅石可由機(jī)械加料器如螺桿加料器加料到該入口部?；颍枋赏ㄟ^將硅石在真空下通過加料管抽吸到該入口部中而被加入入口部。進(jìn)入兩個(gè)噴嘴的流體壓力必須使得流體射流得到足夠的速度以降低硅石的聚集體尺寸。一般，對(duì)于從具有0.1-0.15毫米孔的噴嘴排出的流體射流，足夠的顆粒-尺寸降低使用超過30,000psig，或超過40,000psig的壓力。
流體射流可包含已知用于降低噴嘴磨損和降低水射流技術(shù)中的能量消耗的化學(xué)品，如聚丙烯酰胺共聚物。流體射流可包含其它化學(xué)品，如表面活性劑和增稠劑以防顆粒絮凝。其它可溶配方組分可加入流體射流中而不是在硅石顆粒尺寸降低之后加入淤漿。
在另一實(shí)施方案中，硅石可通過將液化產(chǎn)物經(jīng)過一個(gè)高壓勻化器以降低聚集體尺寸而無需干燥就分散。多次通過勻化器對(duì)于優(yōu)化聚集體尺寸可能是需要的。硅石在流體中的預(yù)分散體也可通過勻化器經(jīng)受顆粒尺寸降低。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明硅石可用于制備淤漿。這里和在權(quán)利要求所用的術(shù)語(yǔ)″淤漿″是指硅石和液體的混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，液體可以是水。本發(fā)明淤漿可由具有不同的物理和化學(xué)性能的硅石的混合物組成。本發(fā)明淤漿可由包含具有不同的物理和化學(xué)性能的硅石的淤漿共混物組成。
淤漿可經(jīng)受離子交換以降低非所需的金屬，如，例如鈉，鉀或鐵的濃度。陽(yáng)離子或陰離子可被交換。離子交換可通過將淤漿(在顆粒尺寸降低之后)，經(jīng)過離子-交換樹脂床而實(shí)現(xiàn)。例如鈉或鉀離子通過將淤漿經(jīng)過酸化陽(yáng)離子交換樹脂而去除。非所需離子也可通過與其它離子的置換作用，即將硅石(在顆粒尺寸降低之前)作為含水淤漿暴露于可接受的離子的鹽而去除。例如鈉離子可通過將含水沉淀硅石淤漿與過量氯化鉀加熱而去除。將硅石過濾洗滌和干燥，以得到鈉減少的硅石粉末。
在一個(gè)實(shí)施方案中，用于CMP工藝的淤漿可通過加入無鈉的酸如無機(jī)酸，例如硫酸或氫氯酸，或有機(jī)酸，如羧酸，二酸，或多元酸，其量使得pH大于2而配制。各種緩沖劑可用于減緩在CMP工藝過程中的pH波動(dòng)。其它配方組分也可加入淤漿中以優(yōu)化特定CMP場(chǎng)合，如用于去除特定金屬的性能。配方組分可包括腐蝕抑制劑，靜態(tài)刻蝕控制劑，促進(jìn)劑，金屬鹵化物如氟化物，表面活性劑，金屬螯合或配合劑，和氧化劑。
本發(fā)明淤漿也可用于介電材料，如用于微電子器件的中間層介電材料(ILD)，所述器件如金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)，互補(bǔ)-MOS(CMOS)，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)，以及其它的CMP。用于制造這些器件的工藝方法包括鑲嵌(damascene)，雙鑲嵌，和淺溝槽隔離。這些ILD可以是二氧化硅，或金屬-摻雜二氧化硅如在硼磷酸鹽硅石玻璃(BPSG)中摻雜硼或磷。這些二氧化硅型ILD可通過化學(xué)氣相沉積(CVD)，或等離子體-增強(qiáng)CVD，高密度等離子體CVD，或熱氧化而制成。其它ILD材料包括旋涂玻璃(SOG)或聚合物材料如聚酰亞胺。這些其它的ILD材料包括硅-襯底料如Black DiamondTM，氟-摻雜硅酸鹽，干凝膠，或倍半硅氧烷如氫倍半硅氧烷和有機(jī)倍半硅氧烷。碳-基ILD包括例如paralyene，SILKTM，無定形碳或氟碳，類金剛石碳或氟碳，或其混合物。
本發(fā)明在以下實(shí)施例中更具體地描述，這些實(shí)施例僅用于說明，因?yàn)槠渲械脑S多改性和變型對(duì)于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員是顯而易見的。除非另有規(guī)定，所有的份數(shù)和所有的百分?jǐn)?shù)是重量計(jì)的。
在以下實(shí)施例中，所有的拋光實(shí)驗(yàn)使用來自Struers的市售臺(tái)面(bench-top)拋光機(jī)模型DAP-VTM進(jìn)行。用于這些實(shí)驗(yàn)的銅和鉭圓片是3mm厚，99.99％純和具有直徑1.25英寸。除非另有說明，工作臺(tái)速度保持在90rpm，淤漿加料速率是60毫升/分鐘，和拋光壓力是6.3psig。淤漿在供給罐中使用磁性攪拌器連續(xù)攪拌以保持良好的分散。所用的拋光墊是Suba 500或IC 1400，兩種都可購(gòu)自Rodel。墊在每次拋光操作之前使用220粒度砂紙手工調(diào)節(jié)1分鐘。拋光速率通過測(cè)量在拋光3分鐘前后的圓片的重量而測(cè)定。所報(bào)告的拋光速率通過將對(duì)3-5次重復(fù)拋光操作所得拋光速率取平均而得到。
實(shí)施例對(duì)于每個(gè)實(shí)施例，添加劑硅酸鹽溶液通過將市售濃縮的含水硅酸鉀用去離子水稀釋至每個(gè)實(shí)施例所規(guī)定的K2O濃度而制成。所述濃硅酸鹽水溶液一般具有30％重量SiO2和SiO2∶K2O摩爾比3.25的組成。除非另有規(guī)定，用于這些實(shí)施例中的每一個(gè)的酸是硫酸。
在本說明書和權(quán)利要求中所用的，無定形沉淀硅石的CTAB表面積是按照以下步驟測(cè)定的CTAB表面積使用分析天平，將11.0克(g)還稱作CTAB和十六烷基三甲基溴化銨[CAS 57-09-0]的鯨蠟基三甲基溴化銨稱重至最接近的1/10毫克并記錄以克表示的重量，C。將稱重的CTAB溶解在蒸餾水中并在容量瓶中用蒸餾水稀釋至2升以形成標(biāo)準(zhǔn)CTAB溶液，然后在使用之前在黑暗中儲(chǔ)存至少12天。使用分析天平，稱出3.70克AerosolOT，二(2-乙基己基)磺基琥珀酸鈉，[CAS 577-11-7]。將稱重的AerosolOT溶解在蒸餾水中并在容量瓶中用蒸餾水稀釋至2升以形成標(biāo)準(zhǔn)AerosolOT溶液，然后在使用之前在黑暗中儲(chǔ)存至少12天。標(biāo)準(zhǔn)CTAB溶液和標(biāo)準(zhǔn)AerosolOT溶液的有效儲(chǔ)存期是在12天儲(chǔ)存期之后兩個(gè)月。使用吸量管，將10.0毫升(mL)CTAB標(biāo)準(zhǔn)溶液轉(zhuǎn)移至包含攪拌棒的250mL Erlenmeyer燒瓶。然后，將30mL氯仿，50mL蒸餾水，15滴0.02％溴酚藍(lán)含水指示劑溶液，和1滴1N NaOH水溶液加入燒瓶。在劇烈攪拌但極小噴濺的情況下，將Erlenmeyer燒瓶的內(nèi)容物用來自50mL滴定管的標(biāo)準(zhǔn)AerosolOT溶液滴定。滴定在快速滴加速率(旋塞閥從未開至最大)下開始，降至約25-30mL并隨后更慢地滴加至出現(xiàn)在約37.5mL時(shí)的終點(diǎn)。終點(diǎn)的接近的特征首先在于遍及各處的乳藍(lán)色顏色。然后，隨著終點(diǎn)更加接近，底部氯仿層變成更深的藍(lán)色和頂部含水層呈現(xiàn)紫丁香或紫色色調(diào)。恰在終點(diǎn)之前，劇烈攪拌的混合物變得視覺更透徹(即，不太″乳白色″)，和底層可看出為非常深的藍(lán)色。
使用洗滌瓶，將燒瓶的內(nèi)部用不超過25mL的蒸餾水洗滌。增加攪拌器速度以恢復(fù)劇烈混合，這樣使兩液體相有效接觸。在每次滴加滴定劑之后，就在終點(diǎn)之前經(jīng)過至少10秒。頻繁地停止攪拌以使相分離，這樣分析員可觀察到這些顏色改變并隨后恢復(fù)劇烈攪拌。在終點(diǎn)時(shí)，底部相失去所有的顏色并表現(xiàn)出無色的或乳白色外觀，而頂部相是強(qiáng)紫色。滴定體積記錄至最近的0.01mL。標(biāo)準(zhǔn)CTAB溶液的滴定進(jìn)行至少兩次(滴定劑體積必須在0.05mL內(nèi)一致)并記錄每次滴定所用的標(biāo)準(zhǔn)AerosolOT溶液的平均體積，V1。
將200ml寬口玻璃瓶稱皮重并將約0.500克硅石樣品(處于收到時(shí)的狀態(tài)，沒有干燥)放在瓶中并稱重至最接近的0.1mg。記錄該硅石樣品重量，S。將100毫升標(biāo)準(zhǔn)CTAB溶液通過使用50mL吸量管，填充和傳輸兩次而吸量至該瓶；并小心加入攪拌棒。瓶的口部用鋁箔覆蓋，并將內(nèi)容物在沒有pH調(diào)節(jié)下輕微攪拌15分鐘。使用pH電極，pH使用滴加的1N含水NaOH調(diào)節(jié)至9.0-9.5。如果pH已穩(wěn)定在9.0和9.5之間，將瓶的口部再次用鋁箔或等效物覆蓋以延遲蒸發(fā)損失?；旌衔镌趐H 9.0-9.5下輕微攪拌1小時(shí)。將硅石-液體混合物轉(zhuǎn)移至離心管，并將混合物離心處理30分鐘，得到透明的離心液。透明的離心液使用移液管小心地取出并轉(zhuǎn)移至小的，干燥玻璃瓶。使用吸量管，將10.0毫升離心液轉(zhuǎn)移至包含攪拌棒的250mL Erlenmeyer燒瓶。然后，將30mL氯仿，50mL蒸餾水，和15滴0.02％溴酚藍(lán)含水指示劑溶液加入燒瓶。將Erlenmeyer燒瓶的內(nèi)容物用來自50mL滴定管的標(biāo)準(zhǔn)AerosolOT溶液使用相同的步驟滴定至用于滴定標(biāo)準(zhǔn)CTAB溶液的相同的終點(diǎn)。將所用的標(biāo)準(zhǔn)AerosolOT溶液的體積，V2記錄至最接近的0.01mL。
將小玻璃瓶和蓋在105℃在真空爐中加熱至少30分鐘。瓶和蓋隨后在干燥器中冷卻。瓶和蓋稱重至最接近的0.1毫克(mg)，本文所用的是皮重。將約1克硅石樣品加入瓶中，將蓋放在瓶上，并將其總重量記錄至最接近的0.1mg。去除蓋并將含樣品的瓶和蓋在105℃在真空爐中加熱30分鐘。在引入真空之后，繼續(xù)加熱另外30分鐘。瓶和蓋隨后在干燥器中冷卻。包含樣品的瓶的重量記錄至最接近的0.1mg。將皮重從硅石在加熱之前的重量(克)A，和硅石在加熱之后的重量(克)B中減去。
CTAB表面積(干基)，ACTAB，表示為m2/g，根據(jù)下式計(jì)算ACTAB=(V1-V2)(C)(A)(28.92)(V1)(S)(B)]]>具有低表面積和低表面粗糙度的硅石的實(shí)施例實(shí)施例1起始含水硅酸鉀溶液通過將水(75升)加熱至溫度205(96℃)，和加入添加劑含水硅酸鉀(1.2升，118.8gm K2O/升)而制成。該攪拌溶液通過加入濃硫酸而調(diào)節(jié)至pH 8.5。在5分鐘之后，添加劑硅酸鉀溶液(31.7升)和濃硫酸(2.16升)同時(shí)在45分鐘內(nèi)加入。所得淤漿在溫度205下攪拌另外80分鐘。隨后加入酸以將淤漿的pH從8.5降至4.2。一部分產(chǎn)物淤漿過濾并用水洗滌。所得濾餅通過使用頂式混合器(overheadmixer)上的CrawlesTM葉片的高剪切而液化，并將所得淤漿調(diào)節(jié)至pH6.3。將一部分該淤漿噴霧干燥，得到具有3.27％重量水分的白色粉末。對(duì)該粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))89m2/g；CTAB 89m2/g；243ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些CTAB數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為30納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
顆粒尺寸降低使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)相對(duì)的噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分噴霧干燥粉末在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿包含8.71％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.219微米；中值0.181微米。
將一部分淤漿用去離子水稀釋至5.4％重量固體并配制用于銅和鉭拋光評(píng)估，其中使用由Rodel制造的Struers DAP-VTM和拋光墊(SUBA500TM)。配方和金屬去除速率示于下表1表1

實(shí)施例2第二批硅石使用實(shí)施例1中的前述步驟制成，只是改變以下反應(yīng)物的量。用于制備起始硅酸鉀溶液的添加劑含水硅酸鉀的加入量是1.2升的105.7gm K2O/升；和在同時(shí)加入步驟過程中加入的濃硫酸的量是1.92升。
對(duì)所得白色硅石粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))108m2/g；CTAB 91m2/g；269ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些CTAB數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為30納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.2。
顆粒尺寸降低針對(duì)一部分硅石使用實(shí)施例1中的前述工藝而進(jìn)行。所得淤漿是9.10％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.205微米；中值0.165微米；和10體積％大于0.401微米。大于1.05微米的顆粒的體積％是0。
實(shí)施例3一部分第二批硅石(實(shí)施例2)的顆粒尺寸降低通過使用常規(guī)勻化器而進(jìn)行。一部分濾餅使用高剪切而液化并在pH 4下用水稀釋至10％固體。用于該淤漿的顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均31.53微米；中值27.06微米；和10體積％大于58.65微米。大于1.05微米的顆粒的體積％是100。將該淤漿加壓并經(jīng)過一個(gè)配有碳化鎢閥和座的APV LAB1000 Gaulin-型勻化器，其中間隙調(diào)節(jié)以提供約12,500psig回壓。用于該淤漿的聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.253微米；中值0.194微米；和10體積％大于0.481微米。大于1.05微米的顆粒的體積％是0.851。
將該單程淤漿加壓并經(jīng)過一個(gè)配有碳化鎢閥和座的APV LAB 1000Gaulin-型勻化器，其中間隙調(diào)節(jié)以提供約13,000psig回壓。該產(chǎn)物淤漿是9.24％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.241微米；中值0.200微米；和10體積％大于0.464微米。大于1.05微米的顆粒的體積％是0.0。
對(duì)比例4對(duì)使用表示兩種顆粒-尺寸降低方法的實(shí)施例2和3的硅石淤漿(平均顆粒尺寸分別為0.205和0.21微米)進(jìn)行比較。使用在pH 4下具有5.4％重量硅石的5％重量H2O2配方。結(jié)果示于下表2。
表2

速度在所測(cè)試的窄范圍80-100RPM內(nèi)作用很小。壓力的作用可通過Preston等式估計(jì)等式1RR＝KPv+C。
給定金屬的去除速率是RR，Pv是在恒定速度下的壓力，C是在零壓力下的RR，和K是Preston常數(shù)表示壓力增加下的RR增量。
實(shí)施例2淤漿的用于銅去除速率的Preston常數(shù)是實(shí)施例3的1.2倍。實(shí)施例2淤漿的用于鉭去除速率的Preston常數(shù)是實(shí)施例2的1.3倍。
該實(shí)施例說明，在硅石粉末通過單程操作經(jīng)過雙射流單元而減小的方法中，所得淤漿組合物提供與來自常規(guī)勻化方法的淤漿組合物相比明顯優(yōu)異的性能。
實(shí)施例5硅石使用實(shí)施例1中的前述步驟制備。對(duì)所得白色硅石粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))97m2/g；CTAB 99m2/g；264毫升鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為27納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
顆粒尺寸降低通過使用描述于實(shí)施例1的工藝而進(jìn)行，只不同的是使用相對(duì)水加料速率更高的硅石加料速率。所得淤漿是22.22％重量固體。聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.216微米；中值0.174微米；和10體積％大于0.420微米。
實(shí)施例6硅石使用描述于實(shí)施例1中的工藝制備。對(duì)所得白色粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))89m2/g；CTAB 91m2/g；244ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末，X-射線熒光氯化物32ppm，X-射線熒光硫酸鹽0.095％重量(作為硫酸鈉)，灼燒損失(1150℃)6.07％重量，水分(105℃)3.62％重量。由這些CTAB數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為30納米。由結(jié)合水測(cè)定值2.39％重量，羥基含量計(jì)算為18羥基/平方納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
顆粒尺寸降低通過使用描述于實(shí)施例1的前述工藝而進(jìn)行。該淤漿(813-973)是6.67％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.215微米；中值0.175微米；和10體積％大于0.416微米。
實(shí)施例7起始含水硅酸鉀溶液通過加熱水(110加侖)和添加劑含水硅酸鉀(1.6加侖；111.2gm K2O/升)而制成。將該攪拌溶液中和至pH 8.5，和加熱至205。在5分鐘之后，添加劑硅酸鉀溶液(41.9加侖)和濃硫酸(10.4升)同時(shí)在45分鐘內(nèi)加入。所得淤漿在pH 8.5下在205下攪拌另外80分鐘，隨后酸化至pH 4.2。一部分產(chǎn)物淤漿過濾并水洗。所得濾餅通過高剪切而液化，并調(diào)節(jié)至pH 6.3。將一部分該淤漿噴霧干燥，得到具有標(biāo)稱平均顆粒尺寸(通過激光散射)30微米且10體積％大于50微米(813-1121，2.95％水分)的白色粉末。對(duì)該粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))92m2/g；CTAB 93m2/g；259ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為29納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的水射流。將一部分噴霧干燥粉末(813-1121)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1180，15.3kg)是13.33％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.164微米；中值0.126微米；和10體積％大于0.331微米。
將一部分淤漿(813-1180)用去離子水稀釋，并配制用于銅和鉭拋光評(píng)估，其中使用Struers DAP-V和IC1400TM墊(Rodel)。金屬去除速率使用變化的拋光壓力，墊速度，和磨料濃度和使用5％重量過氧化氫在pH 4下的配方而測(cè)定。結(jié)果如下表3

將另一部分噴霧干燥粉末(813-1121)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1192，17.8kg)是12.29％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.166微米；中值0.126微米；和10體積％大于0.341微米。
將另一部分噴霧干燥粉末(813-1121)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1235，22.5kg)是16.41％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.160微米；中值0.127微米；和10體積％大于0.309微米。
該淤漿(813-1235)通過抽吸經(jīng)過串聯(lián)的以下過濾器而過濾75微米/25微米梯度筒，25微米/1微米梯度筒，Millipore CM13筒，和Millipore CMP 5筒?？諝怛?qū)動(dòng)隔膜泵用于抽吸淤漿。過濾器上的壓降的增加在過濾過程中可不計(jì)。產(chǎn)物淤漿(813-1247，9.90千克)是14.30％重量固體和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.131微米；中值0.118微米；和10體積％大于0.218微米。
該淤漿隨后通過將硅石用氫氟酸和硫酸蒸煮(digest)，隨后用硝酸和硫酸蒸煮而制備用于火焰原子發(fā)射光譜。在蒸發(fā)至硫酸發(fā)煙之后，溶解在氫氯酸中完成。樣品被稀釋至體積，振蕩，和通過火焰發(fā)射光譜分析。對(duì)該淤漿的分析表明0.062％重量鉀和2.5ppm鈉。該淤漿(pH 6.9)隨后抽吸通過用于離子交換的強(qiáng)酸陽(yáng)離子柱。該柱是1英寸直徑和30英寸高且包含約19.75英寸的Bayer KPS大網(wǎng)狀離子交換樹脂。該柱已用硫酸(0.713L@40g/L)再生。淤漿在約0.5GPM/ft3床體積下加料，并收集排放物產(chǎn)物。該淤漿(813-1263，pH 2.4)隨后如前所述制備用于火焰原子發(fā)射光譜。對(duì)該淤漿的火焰發(fā)射光譜分析表現(xiàn)出0.039％重量鉀和16ppm鈉。
具有低表面積和高表面粗糙度的硅石的實(shí)施例實(shí)施例8起始含水硅酸鉀溶液通過將水(75升)加熱至205，和加入添加劑含水硅酸鉀(1.2升，105.7gm K2O/升)而制成。該攪拌溶液被中和至pH 8.5。在5分鐘之后，添加劑硅酸鉀溶液(31.7升)和濃硫酸(1.92升)同時(shí)在45分鐘內(nèi)加入。加入含水氫氧化鉀(45％重量，3000g)。所得淤漿在205下攪拌另外80分鐘，隨后酸化至pH 4.2。一部分產(chǎn)物淤漿過濾并水洗。所得濾餅(810-727)通過高剪切而液化，并調(diào)節(jié)至pH 6.3。將一部分該淤漿噴霧干燥，得到具有標(biāo)稱平均顆粒尺寸(通過激光散射)30微米且10體積％大于50微米的白色粉末(810-728，6.04％水分)。對(duì)該粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))141m2/g；CTAB 72m2/g；264ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為38納米。計(jì)算的表面粗糙度是2.0。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分噴霧干燥粉末(810-728)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-906)是10.20％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.210微米；中值0.167微米；和10體積％大于0.415微米。
將一部分淤漿(813-906)用去離子水稀釋至5.4％重量固體，并配制用于銅和鉭拋光評(píng)估，其中使用Struers DAP-V和SUBA 500TMRodel墊(Rodel)。配方和金屬去除速率如下表4

實(shí)施例9一部分以前實(shí)施例的硅石批料(實(shí)施例8)的顆粒尺寸降低通過使用常規(guī)勻化器而進(jìn)行。一部分濾餅使用高剪切而液化并在pH 4下用水稀釋至10％固體。該淤漿(813-921)的顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均26.58微米；中值22.87微米；和10體積％大于48.76微米。大于1.05微米的顆粒的體積％是100。將該淤漿(813-921)加壓并經(jīng)過一個(gè)配有碳化鎢閥和座的APV LAB 1000 Gaulin-型勻化器，其中間隙調(diào)節(jié)以提供約12,600psig回壓。該產(chǎn)物淤漿(813-922)的顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.441微米；中值0.201微米；和10體積％大于0.686微米。大于1.05微米的顆粒的體積％是9.6。
需要第二次經(jīng)過常規(guī)勻化器以將所有的顆粒降至低于1微米。將單程淤漿(813-922)加壓并經(jīng)過一個(gè)配有碳化鎢閥和座的APV LAB 1000Gaulin-型勻化器，其中間隙調(diào)節(jié)以提供約13,000psig回壓。該產(chǎn)物淤漿(813-925)是10.21％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.229微米；中值0.180微米；和10體積％大于0.455微米。大于1.05微米的顆粒的體積％是0.0。
對(duì)比例10對(duì)使用表示兩種顆粒-尺寸降低方法的實(shí)施例8和9的硅石淤漿(平均顆粒尺寸分別為0.210微米和0.229微米)進(jìn)行比較。使用在pH 4下具有5.4％重量硅石的5％重量H2O2配方。結(jié)果示于下表5。
表5

速度在所測(cè)試的窄范圍80-100RPM內(nèi)作用很小。壓力的作用可通過Preston等式，等式1估計(jì)。Preston常數(shù)K表示RR在增加壓力時(shí)的增量。實(shí)施例8的銅去除速率的Preston常數(shù)是實(shí)施例9的1.9倍。實(shí)施例8的鉭去除速率的Preston常數(shù)是實(shí)施例9的1.7倍。
該實(shí)施例說明，在硅石粉末通過單程操作經(jīng)過雙射流單元而減小的方法中，所得淤漿組合物提供與來自常規(guī)勻化方法的淤漿組合物相比明顯優(yōu)異的性能。
實(shí)施例11第二批硅石使用實(shí)施例8中的前述步驟制成，只不同的是改變以下反應(yīng)物的量。制備起始含水硅酸鉀溶液并加入添加劑含水硅酸鉀(1.2升，110.5gm K2O/升)。該攪拌溶液被中和至pH 8.5。在5分鐘之后，添加劑硅酸鉀溶液(31.7升)和濃硫酸(2.03升)同時(shí)在45分鐘內(nèi)加入。對(duì)噴霧干燥粉末產(chǎn)物的分析表明以下性能6.01％重量水分，氮BET(5-點(diǎn))140m2/g；CTAB 83m2/g；270ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為33納米。根據(jù)結(jié)合水測(cè)量值，羥基含量計(jì)算為29羥基/平方納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.7。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分噴霧干燥粉末(810-854)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1081)是12.00％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.209微米；中值0.169微米；和10體積％大于0.407微米。
具有高表面積和低表面粗糙度的硅石的實(shí)施例實(shí)施例12起始含水硅酸鉀溶液通過將水(75升)加熱至167，和加入添加劑含水硅酸鉀(2.39升，113gm K2O/升)而制成。在5分鐘之后，添加劑硅酸鉀溶液(31.5升)和濃硫酸(1.96升)同時(shí)在90分鐘內(nèi)加入。所得淤漿在205下攪拌另外30分鐘，隨后酸化至pH 4.2。一部分產(chǎn)物淤漿過濾并水洗。所得濾餅通過高剪切而液化，調(diào)節(jié)至pH 6.3，并將一部分該淤漿噴霧干燥得到白色粉末(810-881，4.06％水分)。對(duì)該粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))166m2/g；CTAB 156m2/g；293ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為17納米。根據(jù)結(jié)合水測(cè)量值，羥基含量計(jì)算為12羥基/平方納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.1。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分噴霧干燥粉末(810-881)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1106)是8.59％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.207微米；中值0.165微米；和10體積％大于0.406微米。
實(shí)施例13硅石使用實(shí)施例12中的前述步驟制備。對(duì)噴霧干燥粉末產(chǎn)物的分析表明以下性能4.92％重量水分；氮BET(5-點(diǎn))158m2/g；CTAB 152m2/g；299ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為18納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分噴霧干燥粉末(810-903)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1186)是12.86％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.207微米；中值0.166微米；和10體積％大于0.406微米。
將一部分淤漿(813-1186)用去離子水稀釋，并配制用于銅和鉭拋光評(píng)估，其中使用Struers DAP-V和IC1400TM墊(Rodel)。金屬去除速率使用變化的拋光壓力，墊速度，和磨料濃度和使用5％重量過氧化氫在pH 4下的配方而測(cè)定。結(jié)果如下表6

具有低表面積和低表面粗糙度的汽相法硅石的實(shí)施例實(shí)施例14得到汽相法硅石的市售樣品Cabot L90。對(duì)該粉末(813-1179；0.66％重量水分)的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))93m2/g；CTAB 100m2/g；和顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.188微米；中值0.145微米；和10體積％大于0.382微米。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為27納米。計(jì)算的表面粗糙度是0.9。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分粉末(813-1179)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1188)是11.56％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.111微米；中值0.099微米；和10體積％大于0.178微米。
將一部分淤漿(813-1188)用去離子水稀釋，并配制用于銅和鉭拋光評(píng)估，其中使用Struers DAP-V和IC1400TM墊(Rodel)。金屬去除速率使用變化的拋光壓力，墊速度，和磨料濃度和使用5％重量過氧化氫在pH 4下的配方而測(cè)定。結(jié)果如下表7

具有高表面積和低表面粗糙度的汽相法硅石的實(shí)施例實(shí)施例15得到汽相法硅石的市售樣品Aerosil 130。對(duì)該粉末(813-1003；1.25％重量水分)的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))137m2/g；CTAB 142m2/g；218ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均31.06微米；中值23.99微米；和10體積％大于62.47微米。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為19納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分粉末(813-1003)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1190)是9.86％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.106微米；中值0.096微米；和10體積％大于0.169微米。
將一部分淤漿(813-1190)用去離子水稀釋，并配制用于銅和鉭拋光評(píng)估，其中使用Struers DAP-V和IC1400TM墊(Rodel)。金屬去除速率使用變化的拋光壓力，墊速度，和磨料濃度和使用5％重量過氧化氫在pH 4下的配方而測(cè)定。結(jié)果如下表8

對(duì)比例16。
這些對(duì)比例說明本發(fā)明的硅石和由具有類似聚集體和一次顆粒尺寸的汽相法硅石制成的硅石的差異。表5和6的數(shù)據(jù)用于表示本發(fā)明硅石的高和低表面積。表7和8的數(shù)據(jù)用于表示汽相法硅石的高和低表面積。
一個(gè)線性模型用于描述使用5％重量過氧化氫配方在pH 4下得到的拋光數(shù)據(jù)。進(jìn)行線性回歸分析以解該等式等式2MRR＝KPv+m[SiO2]+nPv[SiO2]+rS+B。
其中各項(xiàng)定義如下，Pv是在恒定速度時(shí)的壓力[SiO2]是％重量硅石磨料S是硅石磨料的CTAB表面積B是常數(shù)速度在用于得到這些數(shù)據(jù)的窄范圍內(nèi)有很小作用。比較銅和鉭去除速率兩者。
為了直接比較汽相法硅石和本發(fā)明，將參數(shù)與例如按照標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)方法的正交碼變量進(jìn)行比較。該方法能夠比較每個(gè)參數(shù)的杠桿作用(lever age)而沒有其天然范圍大小的偏差。因此，例如可以比較表面積和濃度的杠桿作用，盡管表面積在約50個(gè)單位內(nèi)變化，和濃度在僅5個(gè)單位內(nèi)變化。正交碼術(shù)語(yǔ)如下表9

這些參數(shù)表明，銅去除速率隨著表面積增加而下降，但該下降在汽相法硅石時(shí)更急劇。增加硅石濃度更強(qiáng)地影響沉淀硅石的銅去除速率。增加壓力更急劇地增加汽相法硅石的銅去除速率。
表10

這些參數(shù)表明，沉淀硅石的鉭去除速率隨著表面積增加而下降，但該速率在汽相法硅石時(shí)升高。增加硅石濃度更強(qiáng)地影響沉淀硅石的鉭去除速率。增加壓力對(duì)兩種硅石類型都更類似地升高鉭去除速率。
該模型可用于評(píng)估預(yù)期的去除速率，后者可進(jìn)一步用于說明這些實(shí)施例之間的差異。可用于該評(píng)估的模型淤漿由在pH 4下具有4％重量的表面積90m2/g的硅石的5％重量過氧化氫組成，且拋光壓力是6psig和速度是約90RPM。預(yù)期的去除率如下表11

該模型預(yù)測(cè)低表面沉淀硅石生產(chǎn)較高鉭相對(duì)銅的去除速率，這樣應(yīng)該在阻擋層去除CMP步驟中在使用鉭阻擋層的銅互連上產(chǎn)生更少的下凹(dishing)作用。在較高硅石表面積下，鉭:銅選擇性對(duì)于沉淀硅石變化很小，和對(duì)于汽相法硅石保持低于1。
具有高表面積和高表面粗糙度的硅石的實(shí)施例實(shí)施例17起始含水硅酸鉀溶液通過將水(74升)加熱至176，和加入添加劑含水硅酸鉀(2.4升，111.2gm K2O/升)而制成。將含水氫氧化鉀(45％重量，1.4kg)加入該熱硅酸鹽溶液。在5分鐘之后，添加劑硅酸鉀溶液(31.5升)和濃硫酸(2升)同時(shí)在90分鐘內(nèi)加入。淤漿pH被調(diào)節(jié)至8.5。所得淤漿在176下攪拌另外30分鐘，隨后酸化至pH 4.2。一部分產(chǎn)物淤漿過濾并水洗。所得濾餅通過高剪切而液化，調(diào)節(jié)至pH 6.3，并將一部分該淤漿是噴霧干燥得到白色粉末(810-980，6.7％水分)。對(duì)該粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))237m2/g；CTAB 107m2/g；267ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為25納米。計(jì)算的表面粗糙度是2.2。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分噴霧干燥粉末(810-980)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1237)是14.33％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.206微米；中值0.166微米；和10體積％大于0.401微米。
實(shí)施例18起始含水硅酸鉀溶液通過將水(74.5升)加熱至176，和加入添加劑含水硅酸鉀(2.4升，111.2gm K2O/升)而制成。將含水氫氧化鉀(45％重量，0.7kg)加入該熱硅酸鹽溶液。在5分鐘之后，添加劑硅酸鉀溶液(31.5升)和濃硫酸(2升)同時(shí)在90分鐘內(nèi)加入。淤漿pH被調(diào)節(jié)至8.5。所得淤漿在176下攪拌另外30分鐘，隨后酸化至pH 4.2。一部分產(chǎn)物淤漿過濾并水洗。所得濾餅通過高剪切而液化，調(diào)節(jié)至pH 6.3，并將一部分該淤漿噴霧干燥得到白色粉末(6.92％水分)。對(duì)該粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))218m2/g；CTAB 134m2/g；283ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為20納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.6。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分噴霧干燥粉末(810-985)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿是(813-1238)11.02％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.158微米；中值0.132微米；和10體積％大于0.275微米。
實(shí)施例19起始含水硅酸鉀溶液通過將水(80.5升)加熱至176，和加入添加劑含水硅酸鉀(4.8升，111.2gm K2O/升)而制成。在5分鐘之后，添加劑硅酸鉀溶液(31.5升)和濃硫酸(2升)同時(shí)在90分鐘內(nèi)加入。淤漿pH被調(diào)節(jié)至8.5。所得淤漿在176下攪拌另外30分鐘，隨后酸化至pH4.2。一部分產(chǎn)物淤漿過濾并水洗。所得濾餅通過高剪切而液化，調(diào)節(jié)至pH 6.3，并將一部分該淤漿噴霧干燥得到白色粉末(810-987，7.03％水分)。對(duì)該粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))217m2/g；CTAB 147m2/g；285ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為18.5納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.5。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分噴霧干燥粉末(810-987)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1239)是10.02％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.125微米；中值0.111微米；和10體積％大于0.213微米。
實(shí)施例20起始含水硅酸鉀溶液通過將水(86升)加熱至176，和加入添加劑含水硅酸鉀(7.2升，111.2gm K2O/升)而制成。在5分鐘之后，添加劑硅酸鉀溶液(31.5升)和濃硫酸(2升)同時(shí)在90分鐘內(nèi)加入。淤漿pH被調(diào)節(jié)至8.5。所得淤漿在176下攪拌另外30分鐘，隨后酸化至pH 4.2。一部分產(chǎn)物淤漿過濾并水洗。所得濾餅通過高剪切而液化，調(diào)節(jié)至pH6.3，并將一部分該淤漿噴霧干燥得到白色粉末(810-989，7.35％水分)。對(duì)該粉末的分析表明以下性能氮BET(5-點(diǎn))244m2/g；CTAB 129m2/g；292毫升鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為21納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.9。
顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分噴霧干燥粉末(810-989)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-1240)是11.96％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.137微米；中值0.115微米；和10體積％大于0.232微米。
通過單個(gè)礬土孔的硅石淤漿加料的對(duì)比例這些實(shí)施例說明，其中硅石淤漿通過礬土孔在變化的壓力下加料而得到的淤漿組合物提供一種具有CMP淤漿所特有的顆粒尺寸分布-即具有完全亞微米顆粒尺寸分布的淤漿。但磨料淤漿非常迅速地磨損礬土噴嘴使得合適的工藝強(qiáng)度僅在少數(shù)小樣品時(shí)得到保持。
實(shí)施例21本發(fā)明硅石的濾餅(813-368)在低剪切下用水液化至約12％重量，得到具有pH約6.3的硅石淤漿(813-442)。一部分該硅石淤漿在噴霧干燥時(shí)得到白色粉末(813-369)。對(duì)該粉末的分析表明以下性能氮BET(5點(diǎn))158m2/g；CTAB 152m2/g。由這些數(shù)據(jù)計(jì)算平均一次顆粒直徑為18納米。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
將具有平均顆粒尺寸25.83微米和中值顆粒尺寸24.180微米，和10體積％大于45.09微米的另一部分的該液化濾餅(813-442)通過0.1mmI.D.礬土噴嘴在不同的噴嘴壓降下加料。在經(jīng)過噴嘴孔之后，所述流體隨后進(jìn)入一個(gè)包含反應(yīng)器和密封，即11個(gè)具有內(nèi)徑1.0mm的礬土反應(yīng)器以及具有內(nèi)徑2.6mm的交替的UHMWPE密封的長(zhǎng)條形腔，至相互作用腔的端部，在此物流隨后反轉(zhuǎn)并經(jīng)過該相互作用腔對(duì)著原始射流的路徑流回。相互作用腔的出口部導(dǎo)向浸漬在冰和水的浴中的不銹鋼蛇管(coil)，然后將產(chǎn)物淤漿收集在開口容器中。
在孔壓降15,000psig下，包含約150ml(813-445)的淤漿排放物具有平均顆粒尺寸0.239微米和中值顆粒尺寸0.206微米且10體積％大于0.446微米。
在孔壓降30,000psig下，包含約150ml(813-446)的淤漿排放物具有平均顆粒尺寸0.197微米和中值顆粒尺寸0.155微米且10體積％大于0.386微米。
在孔壓降45,000psig下，包含約150ml(813-447)的淤漿排放物具有平均顆粒尺寸0.181微米和中值顆粒尺寸0.137微米且10體積％大于0.364微米。
如果在以上所述試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)之后使水經(jīng)過機(jī)器，該機(jī)器不再能夠保持45,000psig噴嘴壓降，因此更換噴嘴。
實(shí)施例22本發(fā)明硅石(813-442)的濾餅的pH用濃氫氧化銨(29.6％重量分析)由6.28調(diào)節(jié)至9.99以提供硅石淤漿，該淤漿具有與(813-442)相同的顆粒尺寸分布。在孔壓降45,000psig下，包含約150ml(813-450)的所得淤漿排放物具有平均顆粒尺寸0.156微米和中值顆粒尺寸0.124微米且10體積％大于0.303微米。
本發(fā)明硅石(813-442)的液化濾餅的pH用濃氫氧化鈉(50％w/w)由6.37調(diào)節(jié)至10.14以提供硅石淤漿(813-444)，該淤漿具有與(813-442)相同的顆粒尺寸分布。在孔壓降25,000psig下，包含約150ml(813-451)的所得淤漿排放物具有平均顆粒尺寸0.179微米和中值顆粒尺寸0.136微米且10體積％大于0.306微米。
該淤漿通過的噴嘴被充分磨損使得具有類似特性的樣品的最大可得噴嘴壓降是25,000psig。
加料到單個(gè)水射流中的硅石淤漿的對(duì)比例該實(shí)施例說明通過在單個(gè)水射流已產(chǎn)生之后將硅石淤漿加料到該單個(gè)水射流中而得到淤漿組合物，這樣消除在礬土噴嘴上的磨損使得可保持合適的工藝強(qiáng)度。淤漿然后經(jīng)受所述的隨后反應(yīng)器構(gòu)型，和該工藝提供一種具有CMP淤漿所特有的顆粒尺寸分布-即-在較高操作壓力下具有完全亞微米顆粒尺寸分布的排放物淤漿。
實(shí)施例23具有平均顆粒尺寸25.83微米和中值顆粒尺寸24.180微米，和10體積％大于45.09微米的本發(fā)明硅石(813-442)的淤漿在礬土噴嘴的低壓側(cè)加入，沒有經(jīng)過礬土噴嘴，而是進(jìn)入由水射流所產(chǎn)生的真空區(qū)域。在噴嘴不同的壓降下產(chǎn)生的水射流通過一種包括一個(gè)0.1mm I.D.噴嘴的構(gòu)型而形成，所述構(gòu)型構(gòu)造使得水射流沿著一個(gè)路徑傳送至包含反應(yīng)器和密封，即具有內(nèi)徑1.0mm的11個(gè)礬土反應(yīng)器和具有內(nèi)徑2.6mm的交替的UHMWPE密封的長(zhǎng)條形腔，到達(dá)相互作用腔的末端，在此物流隨后被反轉(zhuǎn)，通過相互作用腔向著原始射流的路徑流回。相互作用腔的出口部導(dǎo)向收集產(chǎn)物淤漿的開口容器。
將一部分原始硅石淤漿(813-442)在水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該單射流單元(single-jet cell)，水射流在壓降20,000psig下形成。所得淤漿排放物(813-448)具有平均顆粒尺寸0.723微米和中值顆粒尺寸0.230微米且10體積％大于1.913。水從中經(jīng)過的噴嘴沒有劣化跡象。
將一部分原始硅石淤漿(813-442)在水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該單射流單元，水射流在壓降40,000psig下形成。所得淤漿排放物(813-449)具有平均顆粒尺寸0.211微米和中值顆粒尺寸0.156微米且10體積％大于0.432微米。水從中經(jīng)過的噴嘴沒有劣化跡象。
雙射流，雙加料粉末在各種反應(yīng)器構(gòu)型下加料到水射流中這些實(shí)施例說明，通過硅石粉末被加料到具體地具有礬土反應(yīng)器(1反應(yīng)器，1mm I.D.)和交替的UHMWPE密封(2.6mm I.D.)的雙水射流構(gòu)型中的方法所得到的淤漿組合物不提供具有完全亞微米顆粒尺寸分布的排放物淤漿，而與操作壓力無關(guān)。它們還說明，通過硅石粉末被加料到具體地具有礬土反應(yīng)器(5個(gè)反應(yīng)器，1mm I.D.，后面有1個(gè)反應(yīng)器，0.5mm I.D.)和交替的UHMWPE密封(2.6mm I.D.)的雙水射流構(gòu)型中的方法所得到的淤漿組合物當(dāng)在45,000psig下操作時(shí)不提供具有完全亞微米顆粒尺寸分布的排放物淤漿。它們還說明，通過硅石粉末被加料到具體地具有礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm I.D.)和交替的UHMWPE密封(2.6mm I.D.)的雙水射流構(gòu)型中的方法所得到的淤漿組合物當(dāng)在45,000psig下操作時(shí)的確提供具有完全亞微米顆粒尺寸分布的排放物淤漿。
實(shí)施例24本發(fā)明硅石的濾餅(813-368)在低剪切下用水液化至約12％重量，和pH調(diào)節(jié)至約6.3。一部分該硅石淤漿在噴霧干燥時(shí)得到白色粉末。對(duì)該粉末(813-369)的分析表明以下性能氮BET(5點(diǎn))158m2/g；CTAB 152m2/g。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
該噴霧-干燥粉末(813-369)特征在于具有平均顆粒尺寸28.89微米和中值顆粒尺寸31.170微米。一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(1個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(30,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(813-369)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-474)是20.2％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均16.51微米；中值12.97微米；和10體積％大于40.19微米。
實(shí)施例25
另一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(1個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石淤漿(813-369)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-473)是14.9％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均12.54微米；中值7.313微米；和10體積％大于34.61微米。
實(shí)施例26另一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(813-369)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-477)是7.4％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.148微米；中值0.121微米；和10體積％大于0.280微米。
實(shí)施例27制備出本發(fā)明的噴霧干燥硅石粉末，對(duì)該粉末(810-541)的分析表明以下性能氮BET(5點(diǎn))169m2/g；CTAB 166m2/g.計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
一部分該粉末的顆粒尺寸下降通過使用包含礬土反應(yīng)器(交替的1mm ID礬土反應(yīng)器和0.5mm ID礬土反應(yīng)器，分別用UHMWPE密封(2.6mmI.D.)隔離)的長(zhǎng)條形腔的雙射流單元。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將粉末(810-541)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-497)是6.4％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.827微米；中值0.245微米；和10體積％大于2.867微米。
實(shí)施例28另一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(5個(gè)反應(yīng)器，1mm ID，后面有1個(gè)反應(yīng)器，0.5mm I.D.)和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的長(zhǎng)條形腔的雙射流單元進(jìn)行，其中0.5mm I.D.反應(yīng)器最靠近出料口。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(810-541)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-498)是2.9％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均1.532微米；中值0.302微米；和10體積％大于5.062微米。
實(shí)施例29另一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(810-541)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-491)是8.1％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.149微米；中值0.119微米；和10體積％大于0.289微米。
實(shí)施例30另一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(810-541)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-492)是6.5％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均0.134微米；中值0.113微米；和10體積％大于0.233微米。
加料到雙射流，雙加料構(gòu)型的各種硅石粉末的對(duì)比例這些例子說明，通過硅石粉末被加料到具體地具有礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm I.D.)和交替的UHMWPE密封(2.6mm I.D.)的雙水射流構(gòu)型中的方法所得到的淤漿組合物當(dāng)在45,000psig下操作時(shí)不一定提供具有完全亞微米顆粒尺寸分布的排放物淤漿。這些實(shí)施例說明，用于制備沉淀硅石的方法對(duì)于通過雙射流，雙加料構(gòu)型得到完全亞微米的淤漿是重要的。
實(shí)施例31HiSil 233粉末(678-594)具有以下性能氮BET(5點(diǎn))133m2/g；CTAB 135m2/g；201ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mmID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(678-594，6.2％重量水分)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-679)是12.10％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均28.04微米；中值22.72微米；和10體積％大于52.20微米。
實(shí)施例32HiSil 233粉末(678-594)具有以下性能氮BET(5點(diǎn))133m2/g；CTAB 135m2/g；201ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(678-594，6.2％重量水分)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-680)是8.50％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均12.85微米；中值8.97微米；和10體積％大于29.75微米。
實(shí)施例33HiSil SBG粉末(715-6532)具有以下性能氮BET(5點(diǎn))147m2/g；197ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(715-6532)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-686)是10.50％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均2.528微米；中值0.251微米；和10體積％大于8.970微米。
實(shí)施例34HiSil SBG粉末(715-6532)具有以下性能氮BET(5點(diǎn))147m2/g；197ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(715-6532)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-687)是11.60％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均2.487微米；中值0.244微米；和10體積％大于8.881微米。
實(shí)施例35HiSil SBG粉末(715-6532)具有以下性能氮BET(5點(diǎn))147m2/g；197ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mm ID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(715-6532)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(813-688)是13.70％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均2.469微米；中值0.257微米；和10體積％大于8.835微米。
實(shí)施例36HiSil 2000粉末(623-1800)具有以下性能氮BET(5點(diǎn))234m2/g；CTAB 232m2/g；326ml鄰苯二甲酸二丁酯/100gm無水粉末。計(jì)算的表面粗糙度是1.0。
一部分該粉末的顆粒尺寸降低通過使用包含礬土反應(yīng)器(6個(gè)反應(yīng)器，1mm ID)的長(zhǎng)條形腔和交替的UHMWPE密封(2.6mm ID)的雙射流單元進(jìn)行。水被加壓(45,000psig)并經(jīng)過兩個(gè)噴嘴(0.1mm ID和0.13mmID)，得到由相對(duì)方向進(jìn)入該長(zhǎng)條形腔的各水射流。將一部分硅石粉末(623-1800)在占優(yōu)勢(shì)水射流(來自0.13mm ID噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間引入該雙射流單元。淤漿排放物在大氣壓下從該雙射流單元中通過一個(gè)在劣勢(shì)水射流(0.1mm噴嘴)和長(zhǎng)條形腔之間的開口排出。該淤漿(623-1801)是10.96％重量固體，和聚集體顆粒尺寸通過激光散射表征如下平均8.484微米；中值0.402微米；和10體積％大于23.67微米。
權(quán)利要求
1.一種淤漿組合物用于的化學(xué)機(jī)械平面化襯底的用途，所述淤漿組合物包含硅石，所述硅石包含一次顆粒的聚集體，其中所述硅石的BET/CTAB比率大于1。
2.權(quán)利要求1的用途，其中所述硅石所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米。
3.權(quán)利要求1的用途，其中所述硅石的所述一次顆粒平均直徑大于7納米。
4.權(quán)利要求1的用途，其中所述硅石的羥基含量大于7個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
5.權(quán)利要求1的用途，其中所述BET/CTAB比率為至少1.2或更大。
6.一種淤漿組合物用于化學(xué)機(jī)械平面化襯底的用途，所述淤漿組合物包含硅石，所述硅石包含一次顆粒的聚集體，所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米，其中所述硅石具有油吸收值至少150毫升/100克硅石。
7.權(quán)利要求6的用途，其中所述油吸收值是至少220毫升/100克硅石。
8.一種淤漿組合物用于化學(xué)機(jī)械平面化襯底的用途，所述淤漿組合物包含沉淀硅石，所述沉淀硅石包含(a)一次顆粒的聚集體，所述一次顆粒具有平均直徑至少7納米，其中所述聚集體的聚集體尺寸低于1微米；和(b)羥基含量至少7個(gè)羥基基團(tuán)/平方納米。
9.一種通過采用濕研磨工藝能被降至聚集體尺寸低于1微米的硅石在化學(xué)機(jī)械平面化襯底中的用途。
10.一種通過采用濕研磨工藝能被降至聚集體尺寸低于1微米的沉淀硅石在化學(xué)機(jī)械平面化襯底中的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種淤漿組合物用于的化學(xué)機(jī)械平面化襯底的用途，所述淤漿組合物包含硅石，所述硅石包含一次顆粒的聚集體，其中所述硅石的BET/CTAB比率大于1。
文檔編號(hào)C09G1/02GK1881540SQ20061009125
公開日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月14日
發(fā)明者S·D·赫爾靈, C·P·麥克卡恩, S·V·巴布, 李玉琢, N·薩緹施 申請(qǐng)人:Ppg工業(yè)俄亥俄公司