[发明专利]一种粒径可控硅溶胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于精密铸造与微电子及光电子材料技术领域，涉及一种粒径可控的二氧化硅溶胶的制造方法。

背景技术

随着微电子与光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、光学晶体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。在这一过程中，抛光液发挥着化学腐蚀和机械磨削这两方面的作用。

抛光液由研磨料、可溶性化学物质和水介质这三部分构成，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，其颗粒尺寸以及固含量很大程度上决定着抛光液的抛光性能，包括抛光速率和抛光质量两方面。硅溶胶已成为目前抛光液中精密抛光的优选研磨颗粒。

工业上生产硅溶胶常用的方法有离子交换法和硅粉水解法两种。离子交换法生产大粒径硅溶胶存在粒径大小有限，粒径不均匀，反应时间长，工艺较难控制，制成硅溶胶浓度偏低，成本较高等缺点。硅粉水解法生产硅溶胶则具有工艺简单，粒径较为均匀，成本较低等优势。

单质硅一步溶解法采用工业单质纯硅作为原料，采用不同的方法生产硅溶胶，其工艺流程与离子交换法相比有较大区别。单质硅一步溶解法以单质工业纯硅为原料，在催化剂的作用下加热，单质硅直接溶解在软水介质中，可制得硅溶胶成品。

单质硅一步溶解法制备硅溶胶的流程为：原料的选择；催化加热溶解；蒸发去水；收集硅溶胶成品。原料纯硅的选择：可选用纯度较高的单质纯硅，也可直接采用工业用单质纯硅，本制备方法中的杂质含量较低，最终硅溶胶中SiO₂来源为单质硅，原料中杂质的影响降低到较低的程度。催化加热溶解：用软水作为溶解介质，将单质纯硅置于溶解介质中，加入适量催化剂，并将整个溶解装置进行加热，反应后可得硅溶胶稀成品。蒸发去水：上面制得的制成品经过蒸发去水，分离催化剂可得硅溶胶的成品。

美国的一些公司，如Cabot,Rodel等，采用大粒径的SiO₂(130nm左右)作为磨料。大粒径的SiO₂具有能够增强抛光过程中的机械作用、提高抛光速率的优点，但是容易造成表面划伤，适用于粗抛；粒径较小的SiO₂可以解决表面划伤等问题，适用于精抛。因此，硅粉水解法制备粒径可控硅溶胶能较好的适应于化学机械抛光，同时硅粉水解法生产的小粒径硅溶胶在精密铸造等领域也具有成本优势。

发明内容

本发明的目的是根据化学机械抛光对二氧化硅溶胶所需的粒径要求，提供一种可控粒径的二氧化硅溶胶的制备方法。

本发明的粒径可控硅溶胶的制备方法，包括以下步骤：

1)制备晶种：以硅粉为原料，在碱性催化剂作用下，分批加入硅粉，制成小粒径二氧化硅溶胶晶种；

2)制备粒径增长的大粒径二氧化硅溶胶：以硅粉和步骤1)的晶种为原料，在碱性催化剂作用下，分批加入硅粉，硅粉水解后在晶种上二次生长，制备粒径增长的大粒径二氧化硅溶胶；

所述的步骤1)中，反应温度为50～95℃，反应时间为3～10h；

所述的步骤2)中，反应温度为50～95℃，反应时间为3～20h

所述的步骤1)和步骤2)的反应过程中，维持反应体系的pH为8-12。

优选地，

所述的步骤1)和步骤2)中的硅粉均为经过一次活化的硅粉。

所述反应体系的pH为9.5～11.5。

所述的碱性催化剂为无机碱和有机碱中一种或几种的混合。

所述的无机碱选自氢氧化钠，氢氧化钾或氨水，所述的有机碱为羟乙基乙二胺或四甲基氢氧化铵。

本发明中：

“小粒径二氧化硅溶胶”指的是作为晶种的具有较小粒径的二氧化硅溶胶；

“大粒径二氧化硅溶胶”指的是粒径增长后的具有较大粒径的二氧化硅溶胶。

本发明的反应机理如下：

单质硅粉在碱做催化剂的条件下,能与水反应生成水合硅酸单体,单体聚合后便是硅溶胶。反应方程式为:

Si+2OH^-+H₂O—SiO₃^2-+2H₂↑