[发明专利]一种非球形二氧化硅溶胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及CMP技术抛光领域，特别是涉及一种非球形二氧化硅溶胶及其制备方法。

背景技术

随着半导体工业沿着摩尔定律发展，芯片集成度随时间呈指数上升，性能也呈指数提高。驱使着加工工艺向着更高的电流密度、更高的时钟频率和更多的互连层转移。由于器件尺寸的缩小，光学光刻设备焦深的减小，要求晶片表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级。为解决这一问题，能够实现全局平坦化的化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技术，一举成为半导体制造重要关键工艺之一。CMP技术在实行过程中，抛光垫和晶圆片作相对转动，抛光液在两者之间流动，以此达到全局平坦化的目的。

在CMP工艺的诸多应用中，氧化硅介电材料的抛光一直占据着很重要的位置。传统的CMP抛光浆料中磨料主要有两种，即煅烧二氧化硅（Fumed Silica）和胶体二氧化硅(ColloidalSilica)，且胶体二氧化硅多为球形。煅烧的二氧化硅呈多边形的晶体形态，其棱角虽然有助于抛光速率的提升，但对片子的刚性损伤太严重，经抛光后的片子划痕很多。而球形的胶体二氧化硅磨料对芯片表面的划伤非常少，但抛光速率的进一步提高已经成为制约其应用的一个瓶颈。

为了加快抛光速率，同时又不损伤表面，非球形的胶体二氧化硅越来越受到关注。已经有许多研究人员作出了很多有益的尝试。在CN101626979A中，日产化学工业株式会社的大森丰等人研发除了一种呈细长形状的二氧化硅颗粒，该颗粒的水溶胶具有非常好的被膜性。而在专利CN101402829A中，施为德发明了一种马铃薯形状的二氧化硅颗粒，该颗粒摩擦系数大，抛光速率快，干结物硬度小，抛光片划痕少。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足，提供一种新型非球形二氧化硅溶胶及其制备方法，制得的溶胶颗粒为非圆球形，形状为2~10个小颗粒聚集成的花生形或梅花形，粒径大小为30-100nm，摩擦系数大，抛光效率高。经验证，使用本发明的硅溶胶可将抛光速率提升40%以上，同时抛光片较少有划痕产生。

本发明为实现上述目的，本发明第一方面提供一种非球形二氧化硅溶胶，包括液体介质和溶胶颗粒，所述溶胶颗粒由2~10个二氧化硅胶体粒子聚集而成。

所述的非球形二氧化硅溶胶，其特征是：所述二氧化硅胶体粒子经扫描电镜观察粒径为30-100nm，动力学激光散射（DLS）测得的粒径为30-50nm；液体介质是水，pH为8~10。

优选的，所述溶胶颗粒由2~10个二氧化硅胶体粒子聚集而成，并呈花生状或梅花状。

本发明第二方面提供所述非球形二氧化硅溶胶的制备方法，包括如下步骤：

1）在含SiO2重量百分比2-6%，pH=2.5-4的活性硅酸溶液中，加入水溶性钙盐、镁盐或者它们的混合物水溶液，钙盐、镁盐或者它们的混合物与上述活性硅酸中SiO2的重量比为1000-10000ppm，进行混合，并震荡搅拌0.5-3h；

2）在步骤1制得的水溶液中加入碱金属氢氧化物或有机碱的水溶性溶液进行混合，使SiO2/M2O的摩尔比为10-300，溶液pH为8.5-10.5，其中M表示碱金属离子或有机碱分子；

3）将步骤2所得溶液加热，温度为70℃-110℃，加热搅拌时间为0.5-6小时，制成起始硅溶胶；

4）将步骤3所得溶胶通过阳离子交换床和阴离子交换床，进一步除去离子，制成pH=9-11的碱性硅溶胶；

5）将适量苯乙烯单体溶于醇中，搅拌均匀，与步骤4所得的溶胶混合，并加入适量过氧化苯甲酰，使得苯乙烯单体体积与溶胶体积比为0.1-1:1000，过氧化苯甲酰质量为0.1-1g；

6）将步骤5所得混合溶液在25-60℃的温度下持续搅拌2-6h，直至苯乙烯完全聚合；

7）将步骤6所得溶胶中加入活性硅酸，加入方法为：将起始溶胶放入常规带搅拌的加热装置中，在95-110℃的温度下加热搅拌，蒸出水的速度为80-100升/小时，滴加活性硅酸，加入速度为80-100升/小时，采用横液面生长法，控制硅酸加入量和蒸发水量相等。加入硅酸的量与起始硅溶胶体积比为5-10:1，加入时间为10-30小时，制得二氧化硅含量为25~35%的非球形二氧化硅溶胶。

本发明第三方面提供所述非球形二氧化硅溶胶在CMP抛光领域的应用。