异形磨粒及其制备方法和应用与流程

本发明涉及化学机械抛光领域，具体涉及一种异形磨粒及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，作为抛光液的研磨介质的单分散的球形胶体二氧化硅存在抛光效率低和容易造成划痕等缺点。现阶段，常采用烷氧硅烷水解法制备纯硅溶胶，烷氧硅烷水解法(stober法)是在碱催化剂的存在下，使四烷氧基硅烷水解的同时，进行缩合和颗粒生长，在该方法下产品纯度直接与合成过程中使用的原料以及设备的纯度相关，不会引入其它杂质金属离子，因此是目前制备高纯硅溶胶较为成熟的工艺。

2、在生产的过程中，若不对合成过程的参数进行严苛的控制，制备出的颗粒大多其形貌大多都为球形。另外，以烷氧基硅烷水解液为原料制备水解液因硅酸溶液容易成胶的倾向，通常只能配制质量浓度5％以下二氧化硅的水溶液，会导致所得硅溶胶的固含量过低，生产效率低下。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种异形磨粒及其制备方法和应用。该异形磨粒的制备方法中，水解液中的质量浓度最高可达15wt％，解决了生产效率低下的问题。

2、在本发明的第一个方面，本发明提出一种异形磨粒的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)分别提供即将成胶的水解液、第一母液和第二母液；其中，所述第一母液和第二母液分别独立地为碱液；

4、(2)将所述即将成胶的水解液加入到所述第一母液中，进行第一反应，以得到包含晶种的水解液；

5、(3)将所述第二母液和第二烷氧基硅烷加入到所述包含晶种的水解液中，得到晶种生长液，进行生长和熟化，形成异形磨粒；其中，

6、步骤(1)中，所述即将成胶的水解液的制备方法包括：

7、(1-1)在第一水解条件下，将第一烷氧基硅烷与水混合，使所述第一烷氧基硅烷水解，得到二氧化硅质量含量为a的第一水解液，a≤15％；

8、(1-2)继续保持第一水解条件，使第一水解液的粘度达到第一粘度c1，得到即将成胶的水解液；其中，第一粘度c1与第一水解液的临界成胶粘度c0满足：0.9≤c1/c0≤1；

9、基于有机硅烷水解液易成胶且成胶体系不稳定的特点，有机硅烷水解液会发生水解生成二氧化硅颗粒，水解完成后二氧化硅颗粒会团聚，继而成胶的特点，本发明的方法利用即将成胶的水解液，将即将成胶水解液加入第一母液中，使其中的团聚二氧化硅颗粒发生撕裂进而解胶，第一母液中的碱会溶解部分二氧化硅，从而使团聚颗粒分裂为小颗粒，由于分裂和解胶的不均匀进行，进而制备出不同形貌的非球形二氧化硅晶种；另外，第一母液的加入还提高了水解液的ph，提高了非球形二氧化硅晶种的稳定性，避免再次成胶；再经熟化后长大得到异形二氧化硅。此外，本发明的方法因在成胶过程中加入第一母液进行解胶，使产物固含量提高，突破了烷氧基硅烷水解液质量浓度需在5％以下的限制，提高了生产效率。再者，本发明采用的原料简单，类型少，制备的sio2的杂质少，且制备过程温和可控，便于大规模生产。

10、根据本发明的实施例，步骤(1)中，第一水解液的临界成胶粘度c0的判定方法为：

11、以时间为横坐标，以粘度为纵坐标，获取第一水解液在所述第一水解条件下的粘度随时间从0～t的变化曲线，且t时间下的第一水解液已形成凝胶；

12、基于所述变化曲线，获取临界成胶粘度c0。由此，可以预测水解液的成胶情况，得到即将成胶的水解液。

13、根据本发明的实施例，所述第一烷氧基硅烷和所述第二烷氧基硅烷各自独立包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯中的至少一种。

14、根据本发明的实施例，步骤(1)满足以下条件中的至少一者：

15、第一水解条件包括：温度15℃～30℃，水解在搅拌条件下进行，搅拌转速为150rpm～500rpm；

16、第一水解液中sio2的质量含量a满足：7％≤a≤15％；由此，可提供固含量高的水解液以提高异形二氧化硅的产率；

17、所述第一母液的ph为9.5～13.5；由此，更有利于进行解胶。

18、根据本发明的实施例，步骤(2)满足以下条件的至少一者：

19、第一母液提供的碱与所述即将成胶的水解液的二氧化硅的摩尔比为(2～16)∶n×100，n为碱的元数；

20、即将成胶的水解液的加入方式为滴加，由此，使得水解液与碱充分接触；

21、第一反应的温度为45℃～90℃；

22、第一反应时间为1h～6h。

23、根据本发明的实施例，步骤(3)满足以下条件的至少一者：

24、所述晶种生长液的ph为9.5～10.5；由此，可为晶种提供更有利于生长和熟化的条件。

25、第二烷氧基硅烷的加入量与晶种的水解液中的二氧化硅晶种的关系为，每1g二氧化硅晶种，添加10g～12g第二烷氧基硅烷；

26、第二烷氧基硅烷的加入方式为滴加；

27、生长和熟化条件包括：温度75℃～90℃，时间为1h～6h；

28、生长和熟化的过程中伴随有搅拌，搅拌速率为150rpm～500rpm。

29、根据本发明的实施例，所述第一母液和第二母液中的碱分别独立地包括koh、naoh、氨水、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、三乙醇胺、二乙醇胺、三乙胺、乙二胺、三乙胺、三乙烯二胺、吡啶、3-乙氧基丙胺中的至少一种。

30、在本发明的第二个方面，本发明提供由第一方面制备方法得到的异形磨粒。所述异形磨粒为多分散的异形二氧化硅颗粒。

31、根据本发明的实施例，所述异形磨粒的平均粒度为40nm～70nm。

32、根据本发明的实施例，所述异形磨粒的pdi小于0.5。由此，得到粒度更均匀的磨粒。

33、根据本发明的实施例，所述异形磨粒的缔合度大于1.7。由此，得到异形磨粒。

34、在本发明的第三个方面，本发明提供第二方面的异形磨粒在cmp中的应用，采用异形二氧化硅颗粒作为抛光液的研磨介质，非球型颗粒在抛光过程中与衬底之间为滑动摩擦，接触面积大大增加，相较于球形二氧化硅的滚动摩擦，异形二氧化硅颗粒对衬底的抛光效果具有更高的去除速率。

35、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种异形磨粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的异形磨粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，第一水解液的临界成胶粘度c0的判定方法为：

3.根据权利要求1所述的异形磨粒的制备方法，其特征在于，所述第一烷氧基硅烷和所述第二烷氧基硅烷各自独立包括正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的异形磨粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)满足以下条件中的至少一者：

5.根据权利要求1所述的异形磨粒的制备方法，其特征在于，步骤(2)满足以下条件的至少一者：

6.根据权利要求1所述的异形磨粒的制备方法，其特征在于，步骤(3)满足以下条件的至少一者：

7.根据权利要求1-6任一项所述的异形磨粒的制备方法，其特征在于，所述第一母液和第二母液中的碱分别独立地包括koh、naoh、氨水、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、三乙醇胺、二乙醇胺、三乙胺、乙二胺、三乙胺、三乙烯二胺、吡啶、3-乙氧基丙胺中的至少一种。

8.一种异形磨粒，其特征在于，根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。

9.根据权利要求8所述的异形磨粒，其特征在于，所述异形磨粒满足以下条件的至少一者：

10.根据权利要求8或9所述的异形磨粒在cmp中的应用。

技术总结
本发明属于化学机械抛光领域，本发明公开了一种异形磨粒及其制备方法和应用。一种异形磨粒的制备方法，包括以下步骤：(1)分别提供即将成胶的水解液、第一母液和第二母液；其中，所述第一母液和第二母液分别独立地为碱液；(2)将所述即将成胶的水解液加入到所述第一母液中得到晶种反应液，进行第一反应，以得到包含晶种的水解液；(3)将所述第二母液和第二烷氧基硅烷加入到所述包含晶种的水解液中，进行生长和熟化，以得到异形磨粒。本发明解决了生产效率低下的问题。

技术研发人员：苏宏久,王卓杰,徐翰琦,高云峰
受保护的技术使用者：甬江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31