[发明专利]一种非球形硅溶胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非球形二氧化硅溶胶的制备方法, 属于微电子化学机械抛光或平坦化技术领域。

背景技术

随着微电子技术朝着器件微细化、结构多层化的发展，为了使半导体衬底材料以及集成电路芯片的表面达到纳米级甚至原子级的平整度，需要采用化学机械抛光（CMP）或平坦化工艺。

化学机械抛光借助化学腐蚀和机械磨削的协同作用来实现材料表面的快速全局平坦化。在化学机械抛光过程中，抛光液发挥着化学腐蚀和机械磨削的双重作用。抛光液包括研磨料、可溶性化学物质和水介质三部分，其中研磨料提供机械磨削作用，可溶性化学物质用于腐蚀材料表面，水介质为抛光液提供良好的流动性。作为发挥机械作用的研磨料，其磨料种类、颗粒尺寸、形貌以及固含量很大程度上决定着抛光液的抛光速率和抛光质量。

胶体型二氧化硅是目前抛光液浆料中使用最多的一种优选研磨料。本领域现有技术中通常以水玻璃为原料，通过离子交换法制备小粒径晶种母液，经粒径增长反应和浓缩工艺制备一定浓度、粒径为十至数十纳米的硅溶胶。此法制备的硅溶胶硬度适中、粘度低、粘附性弱，但具有工艺过程复杂、生长周期长、能耗高、经济效益低等缺陷。此外，通过单质硅溶解法和Stober法也可制得CMP用硅溶胶。

目前，用于CMP研磨抛光工艺中的抛光液均采用上述三种方法制备的球型纳米二氧化硅磨料，能够有效地解决气相二氧化硅作为磨料时产生的划痕、波纹和清洁问题，但抛光速率低。增加CMP抛光液中球型粒子的浓度能够提高抛光速率，但会增加原料成本、清洁费用和废抛光液的处理费用等。

改变硅溶胶的形貌，将抛光液中传统的球型硅溶胶磨料换为非球形硅溶胶能够有效地提高抛光速率，这主要是因为非球型磨料的滑动摩擦系数要高于球形磨料的滚动摩擦系数。如专利文献CN101747841A中公开了一种含有二聚哑铃型和/或多聚链型二氧化硅溶胶研磨颗粒的化学机械抛光液，相比于球型单分散硅溶胶颗粒作为磨料的抛光液，对介质材料的抛光效果具有更高的去除速率，抛光后的晶圆表面管解读和平坦度较好，能够满足各种工艺条件下对介质材料表面的要求。

目前，对于非球形二氧化硅颗粒制备的研究主要集中在加入添加剂或对生成的硅溶胶进行改性这两个方面。如专利文献US6334880公开了一种非球形二氧化硅颗粒的制备方法，将含有小粒径（低于100nm）的球型或接近球型二氧化硅颗粒的硅溶胶进行稀释，通过改变溶液的PH、温度、离子浓度、加入盐等途径促进小粒径二氧化硅粒子发生二次成核，形成两个或两个以上的非球形二氧化硅粒子聚合体，并将其用作化学机械抛光所需的磨料。专利文献US5221497中公开了一种具有细长形状的硅溶胶的制备方法，通过向活性硅酸的胶体水溶液或平均粒径在3~30nm的酸性硅溶胶中加入钙盐、镁盐或其混合物，在60~300℃下加热0.5~40h，制得粒径在5~40nm范围的细长形状的二氧化硅粒子，并将其用于玻璃镀膜。专利文献US2900348中公开了一种采用解胶法制备非球形二氧化硅粒子的硅溶胶的方法，将由水玻璃的水溶液中加入酸制备硅凝胶，用水洗涤后加入碱调节PH为9~9.5，然后加热至95~100℃使其变成非球形硅溶胶，并将其用作地板蜡防滑剂、纺织品的防滑防静电剂、感光纸的预涂膜和胶乳橡胶的填充物。

传统球形硅溶胶颗粒作为化学机械抛光液磨料时存在的材料去除率低的缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种非球形二氧化硅溶胶的制备方法，解决上述问题：（1）去除率与气相二氧化硅相当，但划痕明显减少并具有较优的清洁力；（2）相比于含同样大小和浓度球型磨料的抛光液，具有更高的材料去除率。

本发明的非球形硅溶胶的制备方法，包括以下步骤：

（1）在醇溶剂中加入碱和去离子水配成混合液A并充分搅拌均匀；在醇溶剂中加入正硅酸乙酯配成混合液B并充分搅拌均匀；将混合液B加入到混合液A中，在20～50℃下恒温恒速搅拌反应5～8h，反应过程中的pH控制在7.5～10，得到粒径20～50nm的非球形硅溶胶晶种母液；

（2）将上步制得的溶液与去离子水等体积混合稀释，充分搅拌均匀后，加热混合液使醇蒸发，加热温度为醇的沸点，将混合液蒸发至原体积的二分之一或低于二分之一，得到醇低于5wt%的水溶性硅溶胶。

优选地，

在步骤（1）和（2）之间还包括以下步骤：在制得的晶种母液中加入摩尔比为2:1的去离子水和正硅酸乙酯，在温度20～50℃下恒温恒速搅拌反应，进行多步生长，得到粒径50～100nm的非球形硅溶胶醇溶液。