[发明专利]爆米花状硅溶胶、其制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种爆米花状硅溶胶、其制备方法及其应用，该爆米花状硅溶胶纳米粒子为球形，粒径大小在20～150nm，表面具有明显的凹凸不平，凹凸处高度为5～20nm。该爆米花状硅溶胶的制备方法是分两步进行，首先通过球形颗粒表面的定向自组装方式制备不规则的起始晶种，接着是起始晶种的进一步生长，晶种的进一步生长使表面更加致密，凹凸部分更加牢固。本发明采用爆米花状的硅溶胶作为磨粒制成的抛光液，在抛光过程中颗粒与加工工件形成多点接触，摩擦系数增大，抛光速率高。同时，因为形成多点接触，载荷可以有效分散，从而导致较浅的压痕，有利于改善表面粗糙度。

技术领域

本发明涉及一种化学机械抛光技术中的抛光磨粒，尤其涉及到一种硅溶胶及其制备方法，应用于纳米复合材料及其制备工艺技术领域。

背景技术

目前，化学机械抛光技术已成为世界上广泛应用的全局平面化技术之一，其应用范围从集成电路的平面化扩展到薄膜存储盘，微机电系统，陶瓷，磁头，精密阀，光学玻璃，LED衬底和金属材料。研磨剂(磨粒)是化学机械抛光中的主要成分，通常采用氧化铈、氧化硅、氧化铝等无机磨粒。特别是硅溶胶由于性价比高，已经成为化学机械抛光中最主要的磨粒，但是目前商品硅溶胶均为球形外貌，其存在的问题是抛光速率较慢，影响了加工效率，增加了加工成本。研究表明，在化学机械抛光进程中，颗粒会存在滚动摩擦和滑动摩擦两种作用。如果颗粒的不规则度增加，颗粒发生滑动摩擦的比例会增加，发生滚动摩擦的比例会减少，最终表现为平均摩擦系数的增大，即机械作用增强，有利于材料去除速率的提高。例如专利CN103896287A提供了一种非球形氧化硅溶胶的制备方法，但是制备过程中使用到二价金属和苯乙烯，引入的金属离子有残留在加工工件表面的危险，金属离子的残留对半导体芯片的制造是致命的危险，而且颗粒表面包覆的苯乙烯是疏水性的，会影响硅溶胶的储存稳定性。专利CN106590530A提供了一种水溶性高分子包覆的异型硅溶胶，该异型硅溶胶的物理结构为不规则异型，表面由水溶性高分子包覆构成。表面包覆的高分子会阻碍磨粒与加工件的直接接触，可以降低加工件的表面粗糙度，但是一定程度上也会减缓抛光速率。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种爆米花状硅溶胶、其制备方法及其应用，硅溶胶颗粒为爆米花外形，其表面具有明显的凹凸不平，粒径大小在20～150nm，表面凹凸处高度为5～20nm。爆米花状的硅溶胶颗粒与加工工件可以形成多点接触，摩擦系数增大，抛光速率高。同时，因为形成多点接触，载荷可以有效分散，从而导致较浅的压痕，有利于降低表面粗糙度。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种爆米花状硅溶胶，包含液体介质和爆米花状的二氧化硅纳米粒子；所述液体介质为水；所述爆米花状的二氧化硅纳米粒子整体为球形或者球形表面有凸起的类球形，二氧化硅纳米粒子粒径大小为20～150nm，表面凹凸不平，凹凸处高度为5～20nm；爆米花状硅溶胶的pH值为8.5～11。

作为本发明优选的技术方案，爆米花状硅溶胶的pH值为9～11。

作为本发明优选的技术方案，二氧化硅纳米粒子的质量百分比浓度为20～50wt％。

作为本发明优选的技术方案，二氧化硅纳米粒子粒径大小为60～110nm。

一种本发明爆米花状硅溶胶的制备方法，分两步进行，首先通过球形颗粒表面的定向自组装方式制备不规则的起始晶种，然后使起始晶种进一步生长，制备爆米花状硅溶胶，晶种的进一步生长使表面更加致密，凹凸部分更加牢固，所述制备过程如下：

a.制备起始晶种过程：

a-1.将碱性催化剂溶于去离子水中，使碱性催化剂溶液的pH值为7.5～12；所述碱性催化剂采用有机弱碱或无机弱碱；