專利名稱：一種二氧化硅基cmp拋光液及其制備方法
技術領域：
本發明涉及CMP (化學機械拋光)拋光液，特別涉及一種應用于超大規模集成電路硅襯底及層間介質全局平坦化的二氧化硅基CMP拋光液及其制備方法。
背景技術：
隨著超大規模集成電路器件特征尺寸的減小和集成度的提高，要求作為硅襯底或層間介質表面平均粗糙度Ra和平均波紋度Wa均應< lnm，為此，CMP拋光液必須做到高速率、低損傷、高選擇性和容易清洗。為了提高品競爭能力，在滿足這些要求的同時還必須千方百計降低生產成本，降低能源消耗和環境污染。但是對于二氧化硅基CMP拋光液的制造過程而言，公知的制備方法多是通過晶體生長法，即先將水玻璃原料溶解于水中，通過離子交換樹脂將硅酸鈉中的鈉離子交換出來，得到SiO2晶種。并在一定的工藝條件下，讓SiO2顆粒長大到需要的粒度大小及分布，再經過超濾、濃縮制得成品。例如，美國專利US 4356107·公開的高溫高壓法在130-370°C的高壓容器中制得40nm左右的硅溶膠。此方法采用的設備投資大，生產成本高，安全隱患也多。用該專利提供的方法生產的產品還存在著金屬離子含量高，易吸附，難清洗等問題。美國專利US 3440174、US 3673104、US 3947376公開的在常壓條件制備大粒徑硅溶膠的方法，反應時間長，能耗特別大。中國專利CN 1155514A公開的大顆粒納米SiO2硅溶膠的制造方法，雖然也在常壓下進行，但粒度分散性較大，且反應時間長達24小時，最后還須用微孔膜濾除小于20nm的顆粒，最終產品含有多種金屬雜質離子。可見通過簡化工藝流程提高操作的專業化程度來保證產品質量是當今需要解決的重要課題。
發明內容
鑒于上述現有技術存在的問題，本發明提供一種二氧化硅基CMP拋光液及其制備方法。通過直接采用專業化企業以及規模化生產的指定規格納米二氧化硅粉體作為拋光液的磨料，在通過分散劑表面改性，運用高速機械攪拌，高剪切研磨和超聲波分散等技術手段把納米微粒特有的大比表面積及由于小尺寸效應，量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等導致的表面自由能高，熱力學狀態不穩定，極易凝聚成團的SiO2粉體穩定地分散到納米級，制備出市場適用的CMP拋光液。可以用于超大規模集成電路硅襯底、層間電介質、淺溝槽隔離絕緣體、導體和鑲嵌金屬的化學機械拋光。本發明米取的技術方案是一種二氧化娃基CMP拋光液,其特征在于拋光液中含有重量百分比為10 50%的納米二氧化硅研磨料，0. I 10%的分散劑，0. I 10%的潤濕劑，0. I 10%的螯合劑，0.01 1%的PH調節劑，其余為去離子水。本發明所述的一種二氧化硅基CMP拋光液的制備方法，其特征在于包括如下步驟
(一) 按照比例先將分散劑、潤濕劑、螯合劑溶于去離子水中攪拌至完全溶解；
(二).加PH調節劑調節溶液PH值；(三).按照比例邊攪拌邊加入納米二氧化硅研磨料；
(四).將攪拌均勻的溶液通過研磨機進行研磨；
(五).最后再經超聲波進行分散，即制得成品。超聲波分散時間為30 60分鐘。本發明通過加入表面活性劑作為分散劑降低磨料粒子表面活性和自由能，防止自發凝聚成團；利用高速機械攪拌使磨料粒子在液體中分散的更均勻；對液體進行高剪切力研磨，破壞掉已生成聚團；對液體進行超聲波分散，防止磨料顆粒沉降，提高分散穩定性。
本發明與現有技術相比有以下優點
I.由于選用指定規格的納米二氧化硅研磨料粒度分布窄，拋光速率容易調控，平坦化 效率高。2.工藝流程簡化，生產設備減少，成本降低。3.研磨料利用率高，浪費少，加工表面容易清洗。4.拋光液呈堿性(PH ^ 10)，不腐蝕設備。5.節約了能源，環境污染減小。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明作進一步說明，但本發明并不局限于以下實施例。本發明所采用的納米二氧化硅粉體、分散劑、潤濕劑、螯合劑以及PH調節劑均為常規市售工業品及分析純或者化學純化學試劑。二氧化硅基CMP拋光液中的納米二氧化硅研磨料選用專業公司生產的納米二氧化硅粉體。納米二氧化硅粉體的平均粒徑為10 180nm。納米二氧化硅粉體可以由氣相化學反應法、沉淀法、溶膠-凝膠法和微乳液法等方法制得。分散劑是非離子表面活性劑，選用脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯基醇酰胺及聚醚類化合物中的任意一種。潤濕劑選用高級脂肪酸鹽、磺酸鹽、硫酸酯鹽、甲醇、乙醇及異丙醇中的任意一種或兩種。高級脂肪酸鹽、磺酸鹽、硫酸酯鹽屬于陰離子表面活性劑。螯合劑選用檸檬酸銨、乙二胺四乙酸胺、四(2-羥乙基)乙二胺、羧甲基纖維素及水溶性丙烯酸聚酯樹脂中的任意一種或兩種。PH調節劑選用氨水、三乙醇胺、四甲基氫氧化銨中的任意一種或兩種混合物。二氧化硅基CMP拋光液PH值為8 12。實施例I :配制100克二氧化硅基CMP拋光液
取70克去離子水，在強烈攪拌下依次加入2克脂肪醇聚氧乙烯(9)醚分散劑，0. 6克脂肪酸鹽和0. 4克乙醇，0. 5克四(2-羥乙基)乙二胺螯合劑及0. 5克羧甲基纖維素；攪拌至均勻透明，使固體完全溶解，并用三乙醇胺調節溶液PH值到10左右，再緩緩向溶液中加入15克粒徑為20 30nm的納米二氧化硅粉體，邊加入邊劇烈地攪拌，在攪拌過程中，可根據溶液總量適當加入少量去離子水，并將溶液中的固體顆粒簇團搗碎，繼續攪拌均勻，最后再進行超聲分散30分鐘，即制得成品。穩定性測試將制得的拋光液注入50ml玻璃比色管中，至液面與管最上部的刻度持平；然后于室溫下靜置24小時，觀察液體分水程度，上層清液的厚度為4. 4mm (以上層清液的厚度不得超過5mm為合格)。Zeta電位測試采用JS94F型微電泳儀測試拋光液中磨料顆粒的表面Zeta電位，其絕對值為58mv (其絕對值應在50 70mv為合格)。 實施例2 :配制200克二氧化硅基CMP拋光液
先取170克去離子水，在強烈的攪拌下依次加入4克聚氧乙烯基醇酰胺分散劑，2克甲醇，0. 8克乙二胺四乙酸二胺螯合劑及I. 2克羧甲基纖維素，攪拌至均勻透明，使固體完全溶解，并用四甲基氫氧化銨調節溶液PH值近似等于10，再緩緩向溶液中加入20克粒徑為60 SOnm的納米二氧化硅粉體，邊加入邊劇烈地攪拌，在攪拌過程中，可根據溶液總量適當加入少量去離子水，并將溶液中的固體顆粒簇團搗碎，繼續攪拌均勻，最后再進行超聲分散40分鐘，即制得成品。 穩定性測試將制得的拋光液注入到50ml比色管中，直到管中的液面與管最上面的刻度線持平，然后于室溫下靜置24小時，觀察液體分水程度，上層清液厚度為4. 5mm (以上層清液的厚度不得超過5mm為合格)。Zeta電位測試采用JS94F型微電泳儀測試拋光液中磨料顆粒的表面Zeta電位，其絕對值為60mv (其絕對值應在50 70mv為合格)。實施例3 :配制500克二氧化硅基CMP拋光液
先取360克去離子水，在強烈的攪拌下依次加入8克脂肪酸聚氧乙烯酯，5克乙醇，3克檸檬酸銨螯合劑及6克羧甲基纖維素，攪拌至均勻透明，使固體完全溶解，并用氨水和三乙醇胺混合液調節溶液PH值近似等于10，再緩緩向溶液中加入120克粒徑為100 120nm的納米二氧化硅粉體，邊加入邊劇烈地攪拌，在攪拌過程中，可根據溶液總量適當加入少量去離子水，并將溶液中的固體顆粒簇團搗碎，繼續攪拌均勻，最后再進行超聲分散50分鐘，SP制得成品。穩定性測試將制得的拋光液注入到50ml比色管中，直到管內液面與管上面的刻度線持平，然后于室溫下靜置24小時，觀察溶液分水程度，上層清液厚度為4. 8mm (以上層清液的厚度不得超過5mm為合格)。Zeta電位測試采用JS94F型微電泳儀測試拋光液中磨料顆粒表面的Zeta電位，其絕對值為62mv (其絕對值應在50 70mv為合格)。以上實施例適用于二氧化硅基CMP拋光液的小劑量配制，在加PH調節劑調節溶液PH值時，通過采用滴管滴入即可達到調節溶液PH值近似等于10的要求，同時在向溶液中加入納米二氧化硅粉體時，邊加入邊劇烈地攪拌，并將溶液中的固體顆粒簇團搗碎。如果形成大規模生產，則按照比例邊攪拌邊加入納米二氧化硅粉體，將攪拌均勻的溶液通過研磨機進行研磨，即可達到要求。
權利要求
1.一種二氧化娃基CMP拋光液,其特征在于拋光液中含有重量百分比為10 50%的納米二氧化硅研磨料，O. I 10%的分散劑，O. I 10%的潤濕劑，O. I 10%的螯合劑，0.01 1%的PH調節劑，其余為去離子水。
2.根據權利要求I所述的一種二氧化硅基CMP拋光液，其特征在于所述的納米二氧化硅研磨料選用納米二氧化硅粉體。
3.根據權利要求I所述的一種二氧化娃基CMP拋光液,其特征在于所述的分散劑選用脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯基醇酰胺及聚醚類化合物中的任意一種。
4.根據權利要求I所述的一種二氧化硅基CMP拋光液，其特征在于所述的潤濕劑選用脂肪酸鹽、磺酸鹽、硫酸酯鹽、甲醇、乙醇及異丙醇中的任意一種或兩種。
5.根據權利要求I所述的一種二氧化娃基CMP拋光液,其特征在于所述的螯合劑選用檸檬酸銨、乙二胺四乙酸胺、四(2-羥乙基)乙二胺、羧甲基纖維素及水溶性丙烯酸聚酯樹脂中的任意一種或兩種。
6.根據權利要求I所述的一種二氧化硅基CMP拋光液，其特征在于所述的PH調節劑選用氨水、三乙醇胺、四甲基氫氧化銨中的任意一種或兩種混合物。
7.根據權利要求2所述的一種二氧化硅基CMP拋光液，其特征在于所述的納米二氧化硅粉體的平均粒徑為10 180nm。
8.根據權利要求I所述的一種二氧化娃基CMP拋光液,其特征在于所述的拋光液的PH值為8 12。
9.根據權利要求I所述的一種二氧化娃基CMP拋光液的制備方法,其特征在于包括如下步驟 (一).按照比例先將分散劑、潤濕劑、螯合劑溶于去離子水中攪拌至完全溶解； (二).加PH調節劑調節溶液PH值； (三).按照比例邊攪拌邊加入納米二氧化硅研磨料； (四).將攪拌均勻的溶液通過研磨機進行研磨； (五)·最后再經超聲波進行分散，即制得成品。
10.根據權利要求9所述的一種二氧化娃基CMP拋光液的制備方法,其特征在于超聲波分散時間為30 60分鐘。
全文摘要
本發明提供一種應用于超大規模集成電路硅襯底及層間介質全局平坦化的二氧化硅基CMP拋光液及其制備方法。拋光液中含有重量百分比為10～50％的納米二氧化硅研磨料，0.1～10％的分散劑，0.1～10％的潤濕劑，0.1～10％的螯合劑，0.01～1％的pH調節劑，其余為去離子水。該拋光液是通過用表面活性劑改性，強力機械攪拌，高剪切研磨以及超聲波分散等手段，克服了納米級磨料顆粒極易絮凝、團聚問題進行制備的。由于磨料的粒度分布窄，范圍可選擇，拋光速率容易調控，拋光液為堿性，不腐蝕設備，損傷少、易清洗、不污染環境。可以用于超大規模集成電路硅襯底、層間電介質、淺溝槽隔離絕緣體、導體和鑲嵌金屬的化學機械拋光。
文檔編號C09G1/02GK102796460SQ20121031788
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月31日 優先權日2012年8月31日
發明者高桂花, 張蘭田 申請人:安特迪(天津)科技有限公司