表征顆粒的方法

專利名稱：表征顆粒的方法
技術領域：
本申請的公開通常涉及一種根據庫爾特原理(Coulter principle)來表征顆粒的方法，更具體地說，本申請的公開涉及一種表征存在于主要是均勻粒度的較小顆粒混合物中的大顆粒的方法。
背景技術：
限定顆粒大小的液體懸浮液可用于許多工業中。當限定大小的顆粒均勻時、優選顆粒在粒徑和重量方面均勻時，這些液體通常是非常有用的。例如，化學機械拋光是一種被傳統地用于玻璃拋光的液體流動應用，并且如今被普遍地用于半導體的制造中。化學機械拋光(CMP)應用運用漿料來拋光硅片，并且提供均勻的無刮痕表面，用于半導體設備的制造中。這些漿料常常在中心位置被制備，被混合，然后經由分配管道傳輸且分配至適合拋光表面的設備。這些漿料通常是由多分散膠體或者煙霧型磨料顆粒組成。重要的是，這些漿料通常含有非常微細的、粒徑最大是0.2微米(μπι)的顆粒。在漿料被分配于拋光的加工點上時，較大粒徑的顆粒(比如Iym或者更大)通常存在于漿料中。這些較大的顆粒可能是由于剪應力、聚集或者由于漿料中存在的異物而形成的。在拋光期間是不希望有聚集的漿料顆粒存在的，這些漿料顆粒將導致晶片中的許多缺陷，比如，由于深凹痕、或者由于差別拋光壓力導致的不均勻拋光。聚集顆粒的存在可以通過下述方法使其減到最少可以通過仔細碾碎微細顆粒，連續不斷地混合其分配的上游漿料，維持適當的電解質平衡，并且在漿料被傳遞至晶片之前在分配點采用過濾以便除去聚集物。均勻粒度的顆粒具有一定的最小濃度聚集的這個需求當然并不僅限于CMP應用。 相反地，這種需求延伸至其它的多種應用。舉例來說，在制藥工業中，藥物制劑中不想有聚集和不同粒徑的顆粒，藥物制劑必須包括精確的并且可重復的有效成分劑量。這些顆粒包括可能易于在溶液中聚集的蛋白質。聚集會影響蛋白質的活性和穩定性，因此制藥工業需要知道蛋白質溶液是否包含有聚集的蛋白質以及這些聚集蛋白質的濃度。此外，當這些制品的制備是為了供給消費者使用時，吸引消費者注意是需考慮的較大因素，這意味著制品可能需要具有均勻的、審美滿足的以及可重復的品質。在另一個實施例中，在用于激光打印機和影印機的色粉組合物的制備中，均勻粒徑的顆粒具有一定的最小濃度聚集是受到重視的。具有相當大濃度聚集或者大顆粒的色粉產品會導致印刷品缺陷，也損害打印機和影印機。正如CMP漿料中的情況一樣，與藥物和色粉產品制造相關的領域也試圖通過改進碾碎、 混合步驟和采用過濾來滿足將大顆粒降低到最少的需求。但是，盡管人們試圖表征存在于主要由均勻粒徑的微細(較小)顆粒組成的溶液中的大顆粒，但是在該技術領域中仍然效率不高。并且這些低效率以不受歡迎的方式影響
4制造工藝(比如，半導體制造和藥物生產)。因此，仍然存在著一定的需求，需要更高效地檢測和表征存在于主要由均勻粒徑的微細(較小的)顆粒組成的懸浮液中的大顆粒。

發明內容
本文公開的是一種表征存在于具有更高濃度小顆粒的顆粒混合物中的大顆粒的方法。所述方法通常包括在電解質中制備混合物的懸浮液。所述方法進一步包括使制備的懸浮液和其中的多個顆粒通過能夠根據庫爾特原理來表征顆粒的儀器中的孔，以便獲得顆粒的數據。更進一步地，所述方法包括由得到的數據得出粒徑分布。所述懸浮液含有至少一個小顆粒每孔體積。大顆粒的平均直徑比小顆粒的平均直徑至少大5倍。所述孔的直徑(i)比小顆粒的平均直徑至少大50倍，并且(ii)比大顆粒的平均直徑大大約1.2倍至小于比大顆粒平均直徑大大約50倍。所述方法優選采用能夠根據庫爾特原理表征顆粒的儀器。因此，除了當前市場上可買到的專用設備之外，不需要任何專用設備來進行本申請公開的方法。此外，本申請公開的方法是特別有用的，因為它提供了一種顆粒表征方法，該方法能夠避免或者減少常規方法所伴隨的問題，例如復雜和麻煩的稀釋、和由于在被表征樣品中不常見的顆粒而采集的稀疏數據所導致的不準確報告。利用本申請公開的方法，現在可以更高效地檢測和表征存在于各種組合物(諸如化學機械拋光漿料、食品乳化劑、油漆、藥物制劑和用于打印機和影印機的色粉)中的大顆粒。根據下面的詳細說明綜述，結合附圖、實施例以及附后的權利要求，本發明的其他特征對于本領域中的技術人員來說就變得顯而易見。


為了對于本申請的公開有更加完整的理解，參照下面的詳細說明以及附圖，其中圖1是庫爾特設備的示意圖，包括檢測器和其中的孔；圖IA是孔的分解放大圖；并且，圖2-8是實施例中所描述的樣品中顆粒的粒徑分布圖(即顆粒數目作為粒徑的函數)。本申請公開的方法容許有各種形式的實施方式，包括附圖中舉例說明的(以及下面將要描述的)本發明的具體實施方式
，應當理解，本申請的公開是用來闡述發明的，而不是將本發明限制于本文所描述的和舉例說明的具體實施方式
。
具體實施例方式上述背景技術，表明了在各個領域中表征存在于主要由均勻粒徑的微細的(較小的)顆粒組成的懸浮液中可能存在的大顆粒的重要性。大顆粒可以通過聚集或者聚合而形成，或者是由于有缺陷的或者有缺點的碾碎或形成方法而生成的殘留顆粒。顆粒可以是非生物學的或者生物學的顆粒。非生物學顆粒包括諸如用于化學機械拋光的磨料、金屬顆粒、 乳膠顆粒和二氧化硅顆粒。生物學顆粒包括諸如細胞、蛋白質、淀粉粒及其他生物聚合物的聚集體。本申請的公開給這些領域提供了一種能夠精確地和高效地檢測和表征存在于具有更高濃度小顆粒的顆粒混合物中的大顆粒的方法。所述方法采用能夠根據庫爾特原理來表征顆粒的儀器。實際上，能夠根據庫爾特原理來表征顆粒的常規設備可以用于進行本申請公開的方法。然而這種設備的常規應用和庫爾特原理不一定適合本領域的需要。在常規應用中，設備通過小孔抽吸出懸浮于電解質溶液中的顆粒，每次為一個顆粒。孔位于二個電極之間，在二個電極之間有電流流量，產生敏感區。當顆粒通過孔(或者敏感區)時，它取代了等同于它自己體積的電解質，瞬間改變了二個電極之間的阻抗。這個阻抗突變產生可以被測定的并被數字化處理的瞬時信號。在常規應用中，當表征大顆粒和小顆粒的混合物時，選擇可以產生信號的孔直徑，當小顆粒或者大顆粒通過孔時該信號可以從背景中辨別。信號與產生所述信號的顆粒體積有關，并且因此，可以從這些數據的分析中得到懸浮液中顆粒數目的粒徑分布、體積和表面積。此外，如果已知體積的顆粒懸浮液被從孔中抽吸出來，可以得到懸浮液中顆粒的濃度。這種表征所需要的時間一般是3分鐘，并且由于不希望有的顆粒沉淀和聚集，這種表征所需要的時間被限制在大約30分鐘。由于這些時間限制，如果不加以解決，常規應用的限制將導致錯誤的表征和統計取樣誤差。當幾個顆粒同時通過孔時，會發生一種被稱為重合效應(coincidence effect)的錯誤表征。在同一瞬間孔內的多個顆粒引起的阻抗改變幅度會導致粒徑分布的計算錯誤， 使得樣品中似乎有實際上并不存在的較大顆粒。當顆粒的濃度增加時，多個顆粒同時通過孔的概率會急劇增加。一般通過充分降低電解質中顆粒的濃度來使得每次只有一個顆粒通過孔，從而避免重合效應和伴隨的錯誤表征。取決于初始樣品的濃度，為了避免這個錯誤， 比如稀釋至5000至100000倍或更高并不是少見的。然而稀釋可能導致統計取樣誤差。比如，在含有高濃度小顆粒和低濃度大顆粒的樣品中，稀釋可能導致在計數相對稀少的大顆粒時相當大的取樣誤差。這些誤差可能導致大顆粒的過高報告或者漏報。當由于取樣誤差造成大顆粒過高采樣并且報告的大顆粒濃度比實際濃度高很多時，就會發生過高報告。類似地，當大顆粒欠采樣并且報告的大顆粒濃度比實際濃度低很多時，就會發生漏報。當稀釋倍數增加時，過報告和漏報的問題就會被放大。通過在相同的儀器上依序進行或者在多個儀器上并行地進行稀釋樣品的多個試驗，可以表征較大體積的高度稀釋的樣品。然而這種方法不可避免地引入了額外來源的呈批間誤差和儀器間誤差形式的實驗誤差。上述的庫爾特原理的常規應用并不非常適用于檢測比如存在于CMP漿料中的大顆粒。這種漿料每毫升液體一般含有數十億個均勻粒徑的小顆粒。在這種高濃度下，當數個顆粒同時通過孔時，這些顆粒不可避免地要發生已知的重合效應。如上所述，一般通過降低顆粒的濃度(即通過稀釋樣品)至每次只有一個顆粒通過孔的濃度點，來避免重合效應。 然而這種稀釋會導致如上所述的取樣誤差。更重要的是，當比如待表征的溶液被用于預期目的(比如作為CMP應用中的漿料)、并且不被簡單地破壞以用于質量控制分析時，可能這種稀釋是完全不期望發生的。此外，由于與大體積相關的長時間表征，過度的稀釋會導致不期望發生的沉淀或者聚集。除表征CMP漿料之外，本申請公開的方法還可以用于表征含蛋白質的溶液。溶液中的蛋白質可能有凝聚的傾向。因此，蛋白質溶液包含相對少的大蛋白質聚集體和相對高濃度的未凝聚的(較小的)蛋白質。本申請公開的方法可為現有技術提供一種能夠快速表征存在于具有更高濃度小顆粒的顆粒混合物中的大顆粒的方法。所述方法采用能夠根據庫爾特原理來表征顆粒的儀器，更加理想地是避免了重合效應并避免了根據庫爾特原理的常規應用通常所需要的大量稀釋。更具體地說，本申請公開的方法通常包括在電解質中制備混合物的懸浮液。所述方法更進一步地包括使制備的懸浮液和其中的多數顆粒通過能夠根據庫爾特原理來表征顆粒的儀器中的孔，以便獲得顆粒的數據。更進一步地，所述方法包括由得到的數據得出大顆粒的粒徑分布。所述懸浮液含有至少一個小顆粒每孔體積。優選，所述懸浮液含有至少30個小顆粒每孔體積，更加優選含有至少400個顆粒每孔體積，更為優選含有至少3100個顆粒每孔體積。大顆粒的平均直徑比小顆粒的平均直徑大至少5倍。可選地，大顆粒的平均直徑比小顆粒的平均直徑大至少10倍、20倍或者50倍。選擇孔的直徑，以使得大顆粒在有效的測量范圍之內而小顆粒在有效的測量范圍之外。所述孔的直徑(i)比小顆粒的平均直徑至少大50倍，并且(ii)比大顆粒的平均直徑大大約1. 2倍至小于比大顆粒平均直徑大大約50倍。可選地，孔的直徑比大顆粒的平均直徑大大約5-40倍、10-30倍、或者15-25倍。優選地，本申請公開的方法也給現有技術提供一種能夠表征存在于具有更高濃度小顆粒的顆粒混合物中不同粒徑的大顆粒的方法。具體地講，大顆粒可以含有第一組和第二組的大顆粒，每個組是通過用具有一致平均粒徑的顆粒來定義的。比如，根據一個實施方式，第一組大顆粒的平均直徑可能比小顆粒的平均直徑大至少5倍，而第二組大顆粒的平均直徑可能比第一組大顆粒的平均直徑大至少2. 5倍。在可選的實施方式中，第二組大顆粒的平均直徑比第一組大顆粒的平均直徑大至少5倍。在另一個可選的實施方式中，第二組大顆粒的平均直徑比第一組大顆粒的平均直徑大至少10倍。根據本申請公開的方法，可能有其他組的大顆粒，并且能夠表征這些大顆粒。所述方法可充分地變通，以便表征可能存在于具有更高濃度的均勻粒度的小顆粒的混合物中不同粒徑的大顆粒。根據本申請公開的方法的實施方式，可以更精確地和更高效地檢測和表征存在于比如化學機械拋光漿料中的大顆粒。通過這種表征，半導體制造商可以采取必要的步驟，以便在將漿料用于拋光晶片之前除去漿料中的大顆粒，或者考慮一起使用不同的漿料。因此， 半導體制造商可以更好地避免漿料可能刮擦晶片或者以非均勻的方式拋光晶片的可能性。 此外，本申請公開方法可以通過常規設備進行。更進一步地，制造商不需要采用麻煩的稀釋技術來使用該設備。類似地，本申請公開的方法使得可以更精確地和更高效地檢測和表征存在于其它各種組合物中(諸如在食品乳化劑、藥物制劑、油漆和用于打印機和影印機的色粉制造中)的大顆粒，在這些組合物中預期大顆粒的濃度降低至最小。當與小顆粒的濃度相比，大顆粒以微量存在于樣品中時，或者換言之當大顆粒存在于具有更高濃度小顆粒的顆粒混合物中時，本申請公開的方法有充分的優勢。因此，優選小顆粒的濃度至少是較大顆粒濃度的10倍。更優選小顆粒的濃度至少是較大顆粒濃度的 1000倍。更加優選小顆粒的濃度至少是較大顆粒濃度的100000倍。本文中使用的用于定義顆粒的形容詞“大”和“小”及其變型，指的是相似粒徑的顆粒組的直徑。因此，舉例來說，如果混合物被設計和意欲包含直徑是0. 1微米(μπι)的顆粒，這種顆粒可以被認為是“小”顆粒，而在相同的混合物中直徑是0. 5 μ m或者更大的顆粒就被認為是“大”顆粒。精確指定每個顆粒的實際直徑是困難的、不切實際的或者也是沒有必要的。為了本申請公開的方法的目的而去精確限定顆粒仍然是沒有必要的。因此，在本文中使用的術語“平均直徑”是想要限定可能被歸類為大顆粒或小顆粒、或者被歸類為大顆粒或小顆粒亞組的顆粒的平均直徑。當這種精確測量是已知的、可能的或者可以實現的時候，并且顆粒可以被精確歸類時，這種顆粒的“平均”直徑當然與實際直徑更接近一致。參考圖1，含有小顆粒和大顆粒的樣品可以被懸浮在適當的電解質溶液中，以便獲得樣品溶液30。參見IS013319 粒徑分布的確定-電敏感區方法，附錄A. 2，2000(材料和推薦的電解質溶液)。電流在電極之間流動以便生成被孔10限定的敏感區。樣品溶液30 通過孔10。通過孔10的樣品溶液30中的顆粒取代電解質的對應體積，瞬間改變電極20之間的阻抗。檢測器40測定阻抗中的瞬間改變，通過計算機50將該瞬間改變記錄為可以轉換為有用數據的脈沖。孔的直徑的有效范圍是諸如約20 μ m至約2000 μ m。根據本申請公開的方法，選擇孔以使得樣品溶液中的小顆粒在孔的有效測量范圍之外。意外地發現，當小顆粒在孔的有效測量范圍之外時，小顆粒沒有干擾大顆粒的精確表征。孔的有效測量范圍一般是孔直徑的大約2%至大約80%。因此，舉例來說，直徑是50 μ m的孔的有效測量范圍是1 μ m(50 μ m 的2%)至40μπι(50μπι的80%)。舉例來說，典型的有效測量范圍列于下表中。舉例來說，典型的孔體積也列于下表中。表典型的有效測量范圍和孔直徑
權利要求
1.一種表征存在于具有更高濃度小顆粒的顆粒混合物中的大顆粒的方法，該方法包括(a)在電解質中制備混合物的懸浮液；(b)使所制備的懸浮液和其中的多個顆粒通過能夠根據庫爾特原理來表征顆粒的儀器的孔，以便獲得顆粒的數據；以及(c)由得到的數據得出粒徑分布，其中，所述懸浮液含有至少一個小顆粒每孔體積，其中所述大顆粒的平均直徑比所述小顆粒的平均直徑至少大5倍，所述孔的直徑(i)比所述小顆粒的平均直徑至少大50倍， 并且(ii)比所述大顆粒的平均直徑大大約1. 2倍至小于比所述大顆粒平均直徑大大約50倍。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述懸浮液含有至少30個所述小顆粒每孔體積。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述懸浮液含有至少400個所述小顆粒每孔體積。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述懸浮液含有至少3100個所述小顆粒每孔體積。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述大顆粒的平均直徑比所述小顆粒的平均直徑大至少10倍。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述大顆粒的平均直徑比所述小顆粒的平均直徑大至少20倍。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述大顆粒的平均直徑比所述小顆粒的平均直徑大至少50倍。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的直徑比所述大顆粒的平均直徑大大約5-40倍。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的直徑比所述大顆粒的平均直徑大大約10-30倍。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的直徑比所述大顆粒的平均直徑大大約15-25倍。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述大顆粒含有第一組和第二組的大顆粒，其中第一組大顆粒的平均直徑比所述小顆粒的平均直徑大至少5倍，第二組大顆粒的平均直徑比所述第一組大顆粒的平均直徑大至少2. 5倍。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二組大顆粒的平均直徑比第一組大顆粒的平均直徑大至少5倍。
13.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二組大顆粒的平均直徑比第一組大顆粒的平均直徑大至少10倍。
14.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述小顆粒的濃度比大顆粒的濃度大至少 10倍。
15.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述小顆粒的濃度比大顆粒的濃度大至少 1000 倍。
16.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述小顆粒的濃度比大顆粒的濃度大至少 100000 倍。
全文摘要
具有最小濃度的聚集或者最小濃度的較大顆粒的含均勻粒徑顆粒的混合物，在各種制造工藝中均是理想的，比如在化學機械拋光漿料、食品乳化劑、藥劑、油漆和印刷色粉的制造和使用中均是理想的。本文公開的方法給這些工業提供了一種篩選混合物中聚集和大顆粒的精確和有效的方法。該方法通常包括在電解質中制備混合物的懸浮液，其中懸浮液每單位電解質包括給定濃度的小顆粒。所述方法進一步包括將制備的懸浮液和其中多數顆粒通過能夠根據庫爾特原理表征顆粒的儀器中的孔，以便獲得顆粒的數據。更進一步地，所述方法包括由得到的數據得出大顆粒的粒徑分布。所述懸浮液含有至少一個小顆粒每孔體積。大顆粒的平均直徑比小顆粒的平均直徑至少大5倍。所述孔的直徑(i)比小顆粒的平均直徑至少大50倍，并且(ii)比大顆粒的平均直徑大大約1.2倍至小于比大顆粒平均直徑大大約50倍。
文檔編號G01N15/12GK102414552SQ201080018991
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月23日 優先權日2009年4月24日
發明者楊益明, 許人良 申請人:貝克曼考爾特公司