[发明专利]一种以聚乙烯醇分散的二氧化铈水溶胶合成方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料合成技术领域，涉及一种水溶胶合成方法，尤其是一种以聚乙烯醇分散的二氧化铈水溶胶合成方法。

背景技术

二氧化铈(CeO₂)是用途广泛的稀土氧化物，在固体燃料电池、三相催化、工业催化、气体传感器、紫外光吸收等领域得到广泛应用，尤其作为抛光研磨料有着几十年的发展历史。近年来，CeO₂研磨料凭借其优异的抛光选择性在浅沟道化学机械平坦化领域(STI-CMP，Shallow Trench Isolation-Chemical Mechanical Planarization)占据了重要地位。浅沟道是集成电路器件的一种隔离技术，随着器件集成度的提高，基本取代了局部热氧化隔离技术而成为主流的器件隔离技术。浅沟道结构需要抛光选择性高的抛光液来实现，CeO₂抛光研磨料可以与充当隔离介质的二氧化硅(SiO₂)在一定条件下发生化学反应，使得SiO₂的去除速率很快而对充当阻挡层的Si₃N₄等材料去除速率极低，其对SiO₂/Si₃N₄的抛光选择比大于50。2001年日立（Hitachi）公司推出应用在半导体浅沟道的煅烧型CeO₂抛光液产品，并不断对其产品进行技术改进以及专利申请，在浅沟道抛光领域占据大部分市场份额。虽然CeO₂抛光液对介质层SiO₂表现出极好的选择性及抛光效率，但该体系抛光液还存在一些缺陷，主要表现在：因CeO₂研磨料以固相法获得，颗粒粒度分布不均、颗粒形状不规则、颗粒表面活性过高易引起团聚现象，其应用在抛光液后往往出现研磨料沉降、大颗粒划伤表面引起器件失效等严重的质量缺陷。为提高IC良品率，半导体制备厂商急需可以改善上述问题的新型CeO₂抛光液。

针对固相法CeO₂研磨料颗粒所存在的问题，本发明提出以胶体状态的CeO₂作为研磨颗粒来改善其抛光质量。采用无毒、廉价的聚乙烯醇(PVA)表面活性剂做分散剂，合成了胶体稳定分散的、粒度分布集中的纳米晶CeO₂溶胶。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种以聚乙烯醇分散的二氧化铈水溶胶合成方法，使该方法合成的二氧化铈水溶胶能够克服固相二氧化铈研磨料粒度分布不均、硬度大、颗粒易聚沉等缺点，能够应用在化学机械抛光领域。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种以聚乙烯醇分散的二氧化铈水溶胶合成方法为：合成原料以硝酸铈盐为铈源、尿素为配位剂、氨水为催化剂、聚乙烯醇PVA为分散剂，在高纯去离子水溶剂中通过铈盐水解，经历中间产物氧化、脱水、结晶得到纳米二氧化铈胶体；所述硝酸铈盐的溶液浓度控制在0.025～0.2molL^-1，配位剂尿素的用量与硝酸铈盐的摩尔比为0～4，反应催化剂氨水在溶液中浓度为0.163～0.519mol L^-1，分散剂聚乙烯醇PVA的用量与溶剂的质量百分比为1.5%～3%。

以上方法具体包括以下步骤：

1）首先将白色粉末状聚乙烯醇PVA在90°C温度下溶解成无色透明水溶液，冷却至室温按体积比分成两份；

2）其次，称取硝酸铈盐和尿素分散于一份聚乙烯醇PVA水溶液中形成原料溶液，量取25%～28%vol浓氨水分散到另一组聚乙烯醇PVA溶液中形成氨水稀释液，两组溶液搅拌分散达到预设反应温度后快速混合，反应迅速进行；

3）最后，保持溶液反应环境稳定，在经历明显的变色过程后，得到乳白色，青色，或浅黄色CeO₂水溶胶。

进一步，上述硝酸铈盐采用硝酸亚铈Ce(NO)₃·6H₂O。

进一步，以上步骤2）中，所述预设反应温度在室温至65°C之间。

进一步，步骤3）中，反应时间为8～48小时。

本发明具有以下有益效果：