專利名稱：一種化學(xué)機(jī)械拋光用磨料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密拋光磨料制備工藝領(lǐng)域，尤其是指一種Si02基包覆硅鋁復(fù)合體化學(xué)機(jī)械
拋光用磨料及其制備方法。
背景技術(shù)：
化學(xué)機(jī)械拋光是一種廣泛用于微電子領(lǐng)域的一種工藝方法，無論在襯底的拋光還是在集 成電路的制備過程都是非常必要的過程。它所常用的磨料包括氧化鈰、氧化鋁、氧化硅。氧
化鋁莫氏硬度在9.0，具有拋光速度快的優(yōu)點(diǎn)，但難于分散成均勻的球體，容易造成劃傷，這 在要求嚴(yán)密的微電子領(lǐng)域是個(gè)缺陷；氧化硅和硅的莫氏硬度一樣，難于提高拋光速率，但是 分散性和穩(wěn)定性很好。鑒于化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)磨料苛刻的要求，人們利用各種磨料的優(yōu)缺點(diǎn)， 揚(yáng)長(zhǎng)避短，制作出各種復(fù)合磨料。
例如，CN1850916中描述了一種用Si02包覆Al203的復(fù)合磨料制備方法，是通過包覆的氧 化硅的硬度低于氧化鋁的硬度，從而能降低硬盤和玻璃基片拋光的粗糙度，但是這種制備方 法是用Al203分散，難以達(dá)到膠體Si02在水中那樣的均勻性。且pH值只能在堿性。再如在 CN1635043中介紹了氧化鋁包覆氧化硅的拋光液的應(yīng)用。但是沒有介紹其制備方法，這種磨料 是在酸性條件下存在，不能在堿性條件下拋光，而現(xiàn)在的微電子中要求堿性拋光液。
對(duì)于硅溶膠以及硅溶膠的包覆理論，在Iler的經(jīng)典書籍《硅溶膠》中有詳細(xì)介紹。最近 幾十年人們對(duì)于硅溶膠研究更深入，在H.E.Bergna的《硅溶膠的基礎(chǔ)和應(yīng)用》中有詳細(xì)的介 紹。當(dāng)硅鋁一起存在時(shí)候，鋁會(huì)取代部分硅原子，形成Si-O-Al結(jié)構(gòu)。而在溶膠表面，根據(jù) Bergna研究結(jié)果，Si和羥基、水的結(jié)合，在硅表面形成羥基團(tuán)，羥基團(tuán)也是硅溶膠穩(wěn)定的因 素，但是這只能在堿性條件下，鋁則不和羥基結(jié)合，只能吸引水中的氧原子。所以表面的 Si-0-Al結(jié)構(gòu)能夠使得硅膠體表面的OH量減少，減少的比例可以按照表面鋁含量控制。因此， 控制硅溶膠表面羥基含量是控制化學(xué)機(jī)械拋光手段之一。
本發(fā)明經(jīng)過廣泛的研究，制備出存在于中性和堿性條件下的磨料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種化學(xué)機(jī)械拋光用磨料及其制備方法，能夠擴(kuò)展磨
料存在的pH值范圍；提高化學(xué)機(jī)械拋光的應(yīng)用范圍；改善表面化學(xué)性質(zhì)。
為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種化學(xué)機(jī)械拋光用磨料，其包括基體及
包覆層，所述基體是Si02膠體，所述包覆層是硅氧鋁鍵連，所述Si02膠體由粒徑為5-200nmSi02 制成。 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述Si02膠體是堿性Si02膠體。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述硅氧鋁鍵連是一種Si-O-Al結(jié)構(gòu)。 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，其所用的Si02粒徑為50_100納米。 本發(fā)明進(jìn)一步包括一種化學(xué)拋光用磨料制備方法，該方法包括以下步驟
步驟一，制備Si02膠體；
步驟二，由鋁鹽水解法制備A100H溶液；
步驟三，由離子交換法制備活性硅酸；
步驟四，使用粒子生長(zhǎng)法制備化學(xué)機(jī)械拋光用磨料。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，該方法進(jìn)一步包括步驟五用離心分散法擇出粒徑相近的化 學(xué)機(jī)械拋光用磨料。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述步驟一包括以下步驟選用粒徑在5—200納米之間的 Si02,將其稀釋成1% —5%的膠體溶液，用KOH或HCl調(diào)節(jié)pH值為8 —11.5之間。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述步驟二包括以下步驟選用有機(jī)鋁鹽或無機(jī)鋁鹽充分研 磨，然后按水和鋁鹽mol比200: 1加入到水中，超聲分散；然后放到四口燒瓶中在81 — 89 度下水解1.5-2小時(shí)，升溫90-95度，加入一定量的HN03，使pH值在3.0-4.1之間，回流陳 化16-28小時(shí)。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述有機(jī)鋁鹽是指異丙醇鋁，無機(jī)鋁鹽是指AlCl3。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述步驟三包括以下步驟選取40%硅酸鈉，稀釋成5%濃 度，在強(qiáng)陽離子交換樹脂下進(jìn)行離子交換，生成活性硅酸。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述步驟四包括以下步驟取步驟一中的Si02膠體200ml 做母體，取步驟二和步驟三中生成的AIOOH溶液和活性硅酸溶液，緩慢將AIOOH溶液和活 性硅酸溶液加入Si02膠體中，并同時(shí)加入有機(jī)堿或無機(jī)堿保持pH值9-11之間，并同時(shí)加熱 溫度100度，轉(zhuǎn)速為800ipm,加完以后陳化2小時(shí)。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述步驟四中粒子生長(zhǎng)的條件在85度，堿性條件下，控制 pH9-11之間。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述步驟四所使用的堿包括適用有機(jī)堿。 本發(fā)明提供一種用于制備化學(xué)機(jī)械拋光的磨料及其制備方法，將納米級(jí)的Si02磨料稀釋成 濃度10% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下，作為生長(zhǎng)的基體。用鋁鹽在80-9(TC下加入水解，然后加入酸在 90-10(TC陳化，制得酸性A100H溶液。將水玻璃稀釋到10%以下，通過強(qiáng)陽離子交換樹脂，制得 活性硅酸。最后按照粒子生長(zhǎng)法將制得的A100H溶液和硅酸滴入到硅溶膠中，加入一定量堿，
控制pH值在8-ll之間，恒溫加熱并劇烈攪拌，陳化2小時(shí)。硅基上生長(zhǎng)的鋁硅復(fù)合物中，硅鋁 的原子比例可以按照A100H和活性硅酸的比例控制。制得的磨料能夠擴(kuò)展磨料存在的pH值范 圍；提高化學(xué)機(jī)械拋光的應(yīng)用范圍；能夠改善表面化學(xué)性質(zhì)。


圖1是本發(fā)明一種化學(xué)機(jī)械拋光磨料制備方法流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種鋁硅復(fù)合包覆Si02磨料及制備方法，其包括以下步驟
(1) 制備母體Si02。選用商用Si02，其粒徑可在5-200納米之間，或20—100納米之間， 最佳可選50—100納米?；?-50納米，或100-200納米。pH值可在9 — 11之間。將其稀釋 成1%—5%的膠體溶液，用K0H或HC1調(diào)節(jié)pH值為IO左右。
(2) 水解生成A100H溶液。鋁鹽水解，最佳使用能揮發(fā)的有機(jī)鋁鹽，如異丙醇鋁。其次 可使用無機(jī)鋁鹽。用研缽充分研磨，然后按水和鋁鹽mol比200: l加入到水中，超聲分散。 然后放到四口燒瓶中在81—89度下水解1.5-2小時(shí)，升溫90-95度，加入一定量的HN03，使 pH值在3. 0-4. 1之間?；亓麝惢?6-28小時(shí)。
(3) 制備活性硅酸。選取商用40%硅酸鈉，稀釋成5%濃度，在強(qiáng)陽離子交換樹脂下進(jìn) 行離子交換，生成活性硅酸。
(4) 生成復(fù)合磨料。最后按照需要在多口燒瓶中發(fā)生脫水反應(yīng)。取(1)的膠體200ml 做母體，取一定量(2)和(3)溶液，緩慢將(2)和(3)加入(1),并同時(shí)加入KOH或NaOH 保持pH值9-ll之間，并同時(shí)加熱溫度100度，轉(zhuǎn)速為800rpm。加完以后陳化2小時(shí)。
(5) 離心分散。將(3)制得的復(fù)合磨料，用離心分散，選擇出粒徑相近的復(fù)合磨料。 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述
實(shí)施實(shí)例1:
(1) 量取30% 60納米的硅溶膠10ml，其pH值10.3。將其稀釋20倍。用KOH調(diào)節(jié)pH 值為10。
(2) 稱取異丙醇鋁14g，放在研磨鈸中充分研磨碎，加入400ml水，放在四口燒瓶中加 熱水解1.5h，溫度85度，水循環(huán)。升溫到93度，加入HN03使pH值為然后敞口恒溫加熱24 小時(shí)，得到200mlpH值3. 7透明的鋁溶膠。
(3) 量取50ml4(^水玻璃，稀釋成5%，加入陽離子交換柱，得到408ml活性硅酸
(4) 將(1)得的基體磨料200ml,放入四口燒瓶中，加熱到85度，用蠕動(dòng)泵以2ml/sec
的速率將(2)得到的鋁溶膠打入多口燒瓶中，同樣將(3)得到的200ml活性硅酸2ml/sec加入 到(1)中，并同時(shí)加熱溫度100度，轉(zhuǎn)速為800rpm。同時(shí)加入一定量KOH，保持pH值為9。 用循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻水，每14min放一次水。硅和鋁溶膠打完后，陳化2小時(shí)。得到復(fù)合磨 料200ml。
(5)離心分散。 實(shí)施實(shí)例2:
(1)量取30% 100納米的硅溶膠l0ml，其pH值10.2。將其稀釋20倍，用KOH調(diào)節(jié)pH 值為10。
(2) 稱取AlCl39g,放在研磨哉中充分研磨碎，加入400ml水，放在四口燒瓶中加熱水 解1.5h，溫度85度，水循環(huán)。升溫到93度，加入HN03使pH值為然后敞口恒溫加熱24小時(shí)， 得到200mlpH值3. 2透明的鋁溶膠。
(3) 量取50ml4(^水玻璃，稀釋成5%，加入陽離子交換柱，得到408ml活性硅酸
(4) 將(1)得的基體磨料200ml，放入多口燒瓶中，加熱到85度，用蠕動(dòng)泵以2ml/sec 的速率將(2)得到的鋁溶膠打入多口燒瓶中，同樣將得到的200ml活性硅酸2ml/sec加入到(1) 中，并同時(shí)加熱溫度100度，轉(zhuǎn)速為800rpm。同時(shí)加入一定量KOH，保持pH值為9。用循環(huán) 冷卻系統(tǒng)冷卻水，每14rain放一次水。硅和鋁溶膠打完后，陳化2小時(shí)。得到復(fù)合磨料200ml。
(5)離心分散。
以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。如，其所用的Si02粒徑最好在50— 100納米，其次是5 — 50納米和100-200納米；鋁鹽水解法制備的A100H，其所用鋁鹽最好是 有機(jī)鋁鹽，水解后能自動(dòng)揮發(fā)，如異丙醇鋁，其次是無機(jī)鋁鹽，如A1C1"硅酸和A100H加入 方式為連續(xù)加入，控制形核與長(zhǎng)大；粒子生長(zhǎng)的條件在85度，堿性條件下，控制pH在8-11.5 之間，優(yōu)先9-ll之間；所述步驟四所使用的堿包括適用有機(jī)堿，優(yōu)選無機(jī)堿，如NaOH、 KOH 等特征均不脫離本發(fā)明精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利申請(qǐng)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)機(jī)械拋光用磨料，其包括基體及包覆層，其特征在于所述基體是SiO2膠體，所述包覆層是硅氧鋁鍵連，所述SiO2膠體由粒徑為5-200nm SiO2制成。
2. 如權(quán)利要求1所述的化學(xué)機(jī)械拋光用磨料，其特征在于所述Si02膠體是堿性Si02膠體。
3. 如權(quán)利要求1所述的化學(xué)機(jī)械拋光用磨料，其特征在于所述硅氧鋁鍵連是一種Si-O-Al 結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求3所述的化學(xué)機(jī)械拋光用磨料，其特征在于其所用的Si02粒徑為50_100 納米。
5. —種化學(xué)拋光用磨料制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一，制備Si02膠體；步驟二，由鋁鹽水解法制備A100H溶液； 步驟三，由離子交換法制備活性硅酸；步驟四，使用粒子生長(zhǎng)法制備化學(xué)機(jī)械拋光用磨料。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種化學(xué)拋光用磨料制備方法，其特征在于該方法進(jìn)一步包括步 驟五用離心分散法擇出粒徑相近的化學(xué)機(jī)械拋光用磨料。
7. 如權(quán)利要求5所述的一種化學(xué)拋光用磨料制備方法，其特征在于所述步驟一包括以下步驟選用粒徑在5 — 200納米之間的Si02，將其稀釋成1%—5%的膠體溶液，用KOH 或HC1調(diào)節(jié)pH值為8 —11. 5之間。
8. 如權(quán)利要求5所述的一種化學(xué)拋光用磨料制備方法，其特征在于所述步驟二包括以下 步驟選用有機(jī)鋁鹽或無機(jī)鋁鹽充分研磨，然后按水和鋁鹽mol比200: l加入到水中， 超聲分散；然后放到四口燒瓶中在81_89度下水解1.5-2小時(shí)，升溫90-95度，加入一 定量的HN03，使pH值在3.0-4. l之間，回流陳化16-28小時(shí)。
9. 如權(quán)利要求8所述的一種化學(xué)拋光用磨料制備方法，其特征在于所述有機(jī)鋁鹽是指異 丙醇鋁，無機(jī)鋁鹽是指AlCl3。
10. 如權(quán)利要求5所述的一種化學(xué)拋光用磨料制備方法，其特征在于所述步驟三包括以下 步驟選取40%硅酸鈉，稀釋成5%濃度，在強(qiáng)陽離子交換樹脂下進(jìn)行離子交換，生成活 性硅酸。
11. 如權(quán)利要求5所述的一種化學(xué)拋光用磨料制備方法，其特征在于所述步驟四包括以下步驟取步驟一中的Si02膠體200ral做母體，取步驟二和步驟三中生成的A100H溶液和 活性硅酸溶液，緩慢將A100H溶液和活性硅酸溶液加入Si02膠體中，并同時(shí)加入有機(jī)堿 或無機(jī)堿保持pH值9-ll之間，并同時(shí)加熱溫度100度，轉(zhuǎn)速為800rpm，加完以后陳化2小時(shí)。
12. 如權(quán)利要求5所述的一種化學(xué)拋光用磨料制備方法，其特征在于所述步驟四中粒子生 長(zhǎng)的條件在85度，堿性條件下，控制pH 9-11之間。
13. 如權(quán)利要求5所述的一種化學(xué)拋光用磨料制備方法，其特征在于所述步驟四所使用的 堿包括適用有機(jī)堿。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種化學(xué)機(jī)械拋光用磨料及其制備方法，用于化學(xué)機(jī)械拋光領(lǐng)域。將納米級(jí)的SiO₂磨料稀釋成濃度10％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下，作為生長(zhǎng)的基體。用鋁鹽在80-90℃下加入水解，然后加入酸在90-100℃陳化，制得酸性AlOOH溶液。將水玻璃稀釋到10％以下，通過強(qiáng)陽離子交換樹脂，制得活性硅酸。最后按照粒子生長(zhǎng)法將制得的AlOOH溶液和硅酸滴入到硅溶膠中，加入一定量堿，控制pH值在8-11之間，恒溫加熱并劇烈攪拌，陳化2小時(shí)。硅基上生長(zhǎng)的鋁硅復(fù)合物中，硅鋁的原子比例可以按照AlOOH和活性硅酸的比例控制。制得的磨料能夠擴(kuò)展磨料存在的pH值范圍；提高化學(xué)機(jī)械拋光的應(yīng)用范圍；能夠改善表面化學(xué)性質(zhì)。
文檔編號(hào)C09C1/68GK101372560SQ200810201230
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者劉衛(wèi)麗, 宋志棠, 封松林, 汪海波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所