[发明专利]一种中性大粒径高浓度高纯度硅溶胶、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅溶胶、制备方法及其用途，具体地，本发明涉及一种中性大粒径高浓度高纯度硅溶胶、制备方法及其用途。

背景技术

硅溶胶是无定形二氧化硅聚集颗粒在水中均匀分散形成的胶体溶液。通常，工业常用硅溶胶的粒径为10~50nm。工业硅溶胶按照pH分为酸性硅溶胶、中性硅溶胶和碱性硅溶胶。按照硅溶胶胶粒粒径来分，主要为：小粒径硅溶胶，粒径小于8nm；普通硅溶胶，粒径为8~20nm；大粒径硅溶胶，粒径为20nm以上。

由于硅溶胶中二氧化硅粒子具有较大的表面活性，经过表面改性又能与有机聚合物混溶，因此可作为抛光液组成的一部分。硅溶胶目前已经大量应用在半导体材料、金属材料、玻璃以及树脂等材料的表面抛光。目前，工业上把质量分数大于30%，胶粒粒径大于20nm的硅溶胶称为大粒径、高浓度硅溶胶。大粒径、高浓度硅溶胶的胶粒具有庞大的比表面积（表面多介孔结构）和超强的吸附能力以及较强的稳定性和粘结性能，在化学机械抛光中可以形成坚固的膜，不容易发生龟裂。硅溶胶胶粒粒径越大，硅溶胶附着在固体表面时的摩擦系数越大，从而改善了材料表面的耐磨性。用于硅晶圆抛光材料和半导体器件的化学机械抛光以及蓝宝石衬底材料等精密材料及器件的抛光液，为了拥有较高的切削率或研磨速度，往往需要粒径在50nm以上的硅溶胶，且要求硅溶胶中无有机物、无金属杂离子，同时颗粒分散均匀，浓度要高，pH要低，这是抛光硅溶胶的关键所在。

CN102432027A公开了一种单分散、大粒径、高稳定性的酸性硅溶胶及其制造方法，硅溶胶是包括水和分散在水中的粒度为10-100纳米的二氧化硅胶体，溶胶体系的pH值为1.0-6.0，固含量为10-35%。制备方法是先通过离子交换法制备活性硅酸，将其加入到沸腾的水玻璃中制备成粒度均匀的碱性硅溶胶，采用有机酸进行表面改性，最后通过离子交换制成酸性硅溶胶，浓缩至所需浓度即可。通过该方法得到的硅溶胶的固含量在10~35%之间，粒径为20~40nm。该硅溶胶的浓度较低，粒径较小，且pH呈酸性，无法满足实际抛光应用的需要。

CN1594080A涉及一种大粒径硅溶胶的制备方法。该发明通过活性硅酸溶液浓、反应液pH值、反应液浓度和加热温度调整控制并保持相应工艺阶段的Zata电位绝对值，使制备粒径为100-130nm的大粒径硅溶胶成为可能，且分散度很小。使用该方法制备的大粒径硅溶胶制得的浆料能够满足超大规模集成电路多层布线应用CMP技术研磨抛光的需要，具有设备成本低、制备周期时间短，能耗低的突出优点。但是该方法工艺复杂，反应时间长，且无法得到中性高纯度高浓度的硅溶胶，无法满足实际抛光应用的需要。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种中性大粒径高浓度高纯度的硅溶胶的制备方法，通过所述方法制备得到的硅溶胶中性、粒径大，粒径分布窄，且硅溶胶的浓度和纯度都较高，同时制备工艺简单，反应时间短，可以用于硅晶圆抛光材料和半导体器件的化学机械抛光以及蓝宝石衬底材料等精密材料及器件的抛光。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种硅溶胶的制备方法，所述方法包括如下步骤：

（1）在醇溶剂中加入含有双氧水的催化剂和去离子水，搅拌均匀，配制溶液A；

（2）在醇溶剂中加入硅酸酯，搅拌均匀，配制溶液B；

（3）将溶液B加入溶液A中，常温下反应，然后进行蒸发浓缩，得到硅溶胶。

本发明通过选择硅酸酯为硅源，去离子水和醇为溶剂，在催化剂的作用下，硅酸酯水解得到硅溶胶。所述方法不仅工艺简单，成本低，而且可以得到大粒径，单分散性较好的高浓度高纯度硅溶胶。

硅醇盐水解法是一种包括对硅酸酯，如正硅酸甲酯和正硅酸乙酯进行水解和浓缩聚合的方法，以获得硅溶胶，其中，非结晶二氧化硅颗粒被分散在水中或亲水有机溶剂中。根据本发明，可以制备出中性、大粒径、高浓度、含极少金属杂质的高纯度硅溶胶。

硅醇盐水解在仅有水和醇溶剂存在条件下，硅醇盐的水解速率比较缓慢，本发明通过选择含有双氧水的催化剂，制备得到的硅溶胶的粒径大，且粒径更为均一。所属领域的技术人员可以根据现有技术中所公开的硅醇盐水解制备硅溶胶的方法，并选用含有双氧水的催化剂，来进行制备得到本发明所述硅溶胶。

作为优选技术方案，本发明所述催化剂还包括有氨水或/和不含金属离子的有机碱。示例性的催化剂有双氧水，双氧水和氨水的混合物，双氧水和有机碱的混合物，双氧水、氨水和有机碱的混合物。