[发明专利]一种铈掺杂二氧化硅溶胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属铈掺杂二氧化硅溶胶的制备方法，属于微电子化学机械抛光或平坦化技术领域。

背景技术

随着微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（CMP）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。在化学机械抛光过程中，抛光液发挥着化学腐蚀和机械磨削的双重作用。抛光液包括研磨料、可溶性化学物质和水介质三部分，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，其磨料种类、颗粒尺寸、形貌以及固含量很大程度上决定着抛光液的抛光速率和抛光质量。

我们目前所制备的离子交换法硅溶胶存在抛光速率偏低的现象，为进一步的提高抛光速率，必须想办法提高二氧化硅粒子的硬度。有相关报道显示，铈改性硅溶胶主要存在两个趋势：（1）以氧化硅为核，在其表面包裹氧化铈形成核壳结构；（2）在硅溶胶成核的过程中加入铈离子，形成铈掺杂的硅溶胶。目前，国内外对于氧化铈包裹氧化硅形成核壳结构的研究相对较多，其结论均定为此结构能够提高抛光速率。对于铈掺杂氧化硅改性的研究较少，主要以M.S.Tsai等人为首，其他研究者的结论大多与其一致。此外，还有人对氧化铈与氧化硅进行物理混合，作为抛光液磨料后对抛光速率的影响，其结论为能够提高抛光速率。研究者对于氧化铈在硅片抛光中的关注度越来越高。

在阅读文献中发现，氧化铈包裹和铈掺杂所形成的胶体颗粒都不是规则的球型，这主要是因为氧化铈比较容易结晶，在包裹二氧化硅的过程中很难形成均匀的一层壳结构；在铈掺杂的过程中，铈与二氧化硅以化学键相结合形成Si-O-Ce结构，但Si-O键与Ce-O长度不同，因此形成的胶体颗粒不规则。Si的电负性比Ce大，因此Si原子周围的电子密度增大，屏蔽效应增大；同时，与Si键合的O原子周围的电子密度也有所提高，经过改性后改变了原SiO₂胶团的电子结合能力，有可能使得胶团更为紧密。

国外有研究表明，非球形硅溶胶磨料在抛光过程采取滑动摩擦，其摩擦系数大于球型硅溶胶的滚动摩擦，能够提高抛光速率。SiO₂/CeO₂粒子的核壳结构能降低粒子对表面的“硬”冲击，达到“柔性抛光”效果，从而降低表面粗糙度、减轻抛光划痕和凹坑等微观缺陷。经铈改性后的硅溶胶因其结构发生了变化，因此在提高抛光速率方面有一定的可行性。

上述试验方法均是利用离子交换法所制备，而利用离子交换法和硅粉水解法相结合的基础上，再进行金属掺杂，目前尚未见相关报道。

发明内容

本发明的目的是为解决在微电子行业抛光用的二氧化硅溶胶磨料硬度较小的问题，在不改变原有制备硅溶胶的过程中进行金属掺杂实验，得到硬度较高的二氧化硅磨料，进而提高磨料的抛光速率，满足电子行业对氮化铝基片的表面质量要求，提供一种铈掺杂二氧化硅溶胶的制备方法。

本发明的铈掺杂二氧化硅溶胶的制备方法，包括以下步骤：

1）以离子交换法得到的不同粒径硅溶胶作为晶种，晶种浓度为1.5-2wt%，加入一定量的碱催化剂使得晶种的pH值控制在9-10内，升温60-90℃；

2）将一定量的硝酸铈铵加纯水溶解成硝酸铈铵水溶液，备用；

3) 利用水浴加热，将步骤1）中的晶种伴随搅拌升温至60-90℃，开始加入一定量的硅粉，此后每隔30-45min加入一次一定量的硅粉和一定量步骤2）中配好的硝酸铈铵水溶液；

4）按照步骤3）的加料方式，重复加入5-10次；

5）加料完毕后，继续搅拌反应1-2h。

优选地，

所说的离子交换法得到的不同粒径的硅溶胶，其粒径为30-130nm。

所说的碱催化剂为2-5wt%NaOH水溶液。

每次加入硝酸铈铵用量为每次加入硅粉质量的0.2-1%。

所说的硅粉的粒径为200目。

所说的硅粉的活化温度控制在60℃，且在水浴中活化。

所说的硝酸铈铵水溶液的浓度为10-50wt%。

本发明具有如下技术效果：

1、本发明采用硅粉水解法，通过对反应过程中的加料配比、物料浓度、反应液PH、反应温度进行工艺控制，改变铈的加入量，直接制备不同粒径硬度较高的硅溶胶。本发明生长周期短、工艺简单。制备的硅溶胶能够应用于CMP技术粗抛过程的研磨抛光。