一种用于化学-机械抛光浆中颗粒的制备方法以及该方法制备的颗粒 【技术领域】
本发明涉及一种在化学-机械抛光浆中作为研磨剂的颗粒生产方法，以及用此方法生产的颗粒。
背景技术
化学-机械抛光(CMP)浆在例如生产半导体芯片及其类似物制备过程中可用来磨平其表面。CMP浆典型地包括化学腐蚀剂和分散在液态载体中的研磨颗粒。当研磨颗粒用抛光板压在被抛光表面时，其起到研磨的作用。
众所周知，CMP浆中使用的研磨颗粒的大小、组成和形态在抛光速率上起着很重要的作用。多年来，CMP浆由以下这些物质组成的研磨颗粒构成：例如，氧化铝(Al2O3)，氧化铈(CeO2)，氧化铁(Fe2O3)，硅石(SiO2)，金刚砂(SiC)，氮化硅(Si3N4)，氧化锡(SnO2)，氧化钛(TiO2)，碳化钡(TiC)，三氧化钨(WO3)，氧化钇(Y2O3)，氧化锆(ZrO2)及其氧化物。在这些氧化物当中，由于二氧化铈(CeO2)的高抛光性能，它是CMP浆磨平半导体氧化硅绝缘层最有效的研磨剂。
到目前为止，煅烧是生产CMP浆研磨颗粒最常用的办法。在煅烧过程中，前体如碳酸盐、草酸盐、硝酸盐和磷酸盐转化为相应的氧化物。煅烧结束后，生成的氧化物被研磨到足够小防止刮擦的颗粒尺寸和分布。
尽管广泛使用煅烧工艺，但存在一定的缺陷。比如，耗能大，因而相当昂贵。而且在煅烧中会生成有毒的和/或带腐蚀性的气态副产物。另外，很难避免在煅烧和其后研磨过程中污染物的进入。最后，很难获得适合尺寸研磨颗粒的狭窄分布。
众所周知，含有污染物和/或过大研磨颗粒的CMP浆会导致在抛光过程中形成不必要的表面划痕。这对粗糙的抛光工艺不是一个关键因素，但对生产精细的光学表面、半导体晶片、集成电路以及无缺陷物体表面来说是必要的。这只有在研磨颗粒直径小于1.0μm并且CMP浆不含污染物的情况下才能获得。利用传统的煅烧方法和研磨技术来获得符合这些要求地研磨颗粒是极其困难和不划算的。
另一个用于CMP浆研磨颗粒的生产方法是热水合成，其也被称作热水处理。在该方法中，将金属盐的碱性水溶液在不同时段内保持在高温和高压下，以产生悬浮在溶液当中固体氧化物的小颗粒。用热水处理法生成二氧化铈(CeO2)颗粒的方法已经被公开，如，王，美国专利No.5,389,352。
经热水处理法生产的研磨颗粒比煅烧/研磨方法更具优势。但是，传统的热水处理法不易达到所需的高抛光速率。
【发明内容】
本发明提供一种在化学-机械抛光浆中作为研磨剂颗粒的生产方法。本方法包括将晶体助长剂如异丙醇钛(IV)加入到铈盐水溶液，用一个或更多碱将pH值调到大于7.0，然后溶液从大约90℃加热到大约500℃温度进行热水处理液从而生成颗粒。虽然还不了解确切的原理，但是，在热水处理过程中溶液中的晶体助长剂的存在导致形成的颗粒具有大于预期晶体的尺寸。用这种方法形成的颗粒相对于用传统的热水处理法形成的颗粒，可以高得多的速率抛光表面。
本发明前述以及其它技术特征将在下文中更加详细描述并尤其在权利要求中指出，下面描述中还详细阐明本发明具体实施方式的示例，这些是示例，但也只是阐述了应用本发明原理的几种不同方式。
【附图说明】
图1是在实施例1中形成的颗粒的颗粒大小分布图。
【具体实施方式】
本发明提供一种不需煅烧和/或研磨在化学-机械抛光浆中作为研磨剂颗粒的生产方法。本方法包括将一种晶体助长剂加入到一种铈盐水溶液中，用一种或更多碱将pH值调节到大于7.0，然后溶液从大约90℃加热到大约500℃温度进行热水处理液从而生成颗粒。
用于本发明方法的优选铈盐是(NH4)2Ce(NO3)6(硝酸铈(IV)铵)。但是，也可选用其它的水溶铈盐。虽然铈盐溶液中的铈的化合价本质上不是关键的，但四价铈盐(IV)比三价铈盐(III)好。本发明中适合的铈盐包括例如，硝酸铈、氯化铈、硫酸铈、溴化铈和碘化铈。
本溶液还必须包括一个或更多晶体助长剂。目前最优选的晶体助长剂是一种钛化合物，称为Ti[OCH(CH3)2]]4(异丙醇钛(IV))。也可使用其它的钛化合物，比如，氯化钛、硫酸钛、溴化钛和氯氧化钛。要获得具有较大微晶尺寸的颗粒，使用晶体助长剂是必要的。
使用除了钛之外其它金属的化合物作为本发明的晶体助长剂也是可行的，比如，镧、钪、和/或铝的盐。尤其是钪盐，可依照本方法生产具有较大晶体尺寸的氧化铈颗粒。但是，鉴于目前未知的原因，使用钪化合物作为晶体助长剂而生成的颗粒不如使用钛化合物作为晶体助长剂而生成的颗粒在CMP抛光应用中作为研磨剂更有效。
必须加入一个或更多碱提高溶液的pH值大于7.0，并有助于具有胶状均一性溶液的形成。适用的碱包括例如，氢氧化铵、有机胺如乙胺和乙醇胺，和/或聚有机胺如聚乙烯亚胺。也可以加入其它化合物如尿素助于晶体的增长。胶状溶液在快速搅拌下会分解成小颗粒。
胶状液然后进行热水处理。该过程这样完成，将溶液移入一个不锈钢容器里，密封容器，然后放在一个烘箱里加热，温度从大约90℃到大约500℃，持续大约10分种到数小时。反应完成后，不锈钢容器在冷水中淬火，或在一定时间内逐渐冷却。在进行热水处理时，可以搅拌溶液，但不是必须。该反应也可以在连续搅拌下放在高压锅内进行。
测试显示，通过改变初始铈盐浓度可控制颗粒的平均大小(直径)：初始铈离子浓度越高，生成的颗粒越大。使用添加剂如尿素易于生成较小的颗粒。反应时间、温度和pH值对颗粒大小具有很小或没有影响。通过该方法可获得从大约5nm到大约1000nm的颗粒，但是最优选平均直径在大约50nm到大约250nm范围的颗粒。
虽然目前还不清楚其中的原理，由于某种原因，为了生产具有大晶体尺寸的研磨颗粒，其可用众所周知的X-射线衍射法来确定，晶体助长剂如Ti[OCH(CH3)2]4(异丙醇钛(IV))的存在是很关键的。例如，在相同的热水条件下(如温度，时间，pH值等)，含有(异丙醇钛(IV))晶体助长剂的溶液可产生具有210平均晶体尺寸的颗粒，然而不含(异丙醇钛(IV))晶体助长剂的溶液可产生只有42平均晶体尺寸的颗粒。基于某些原因，在热水处理过程中，溶液中晶体助长剂的存在加快了微晶的晶体生长。这是必需的，因为由较大晶体尺寸颗粒形成的CMP浆抛光表面例如四乙氧基原硅酸盐(TEOS)二氧化硅膜时，比由较小晶体颗粒形成的CMP浆具有高得多的抛光速率。
要注意的是，用于本发明晶体助长剂的化合物易于在水介质中迅速地分解，降低它们促进具有较大晶体尺寸颗粒形成的效率。相应地，最好在晶体助长剂中加入一种或更多稳定化合物，如乙酰丙酮，以阻止或延缓这种化合物水解。以这种方式稳定时，晶体助长剂就有充分的时间在通过加入一种或更多碱形成胶状溶液之前，在分子水平与铈盐均匀地混合。申请人发现，晶体助长剂以这种方式达到稳定时，在热水处理过程中形成的颗粒容易具有较大晶体尺寸。
本发明方法形成的颗粒尤其适于在CMP浆中使用。通过本方法或通过加水、酸和/或碱调整研磨剂浓度和pH值到所需的水平而产生颗粒从而得到CMP浆。物体表面，包括但不限于TEOS二氧化硅、玻璃丝、有机硅、氮化硅、氧氮化硅、硅，金刚砂、计算机存储器硬盘基质、含硅的低电容绝缘体以及含硅陶瓷，都可以使用含有用本发明颗粒的CMP浆进行抛光。
以下实施例只是用来阐明本发明而不是用来对权利要求的限定。
实施例1
在1000ml的塑料瓶中，将41.6克的(NH4)2Ce(NO3)6(硝酸铈(IV)铵)溶于500ml去离子蒸馏水(D1-水)和1.2克CH3COCH2OCCH3(乙酰丙酮)中形成溶液。在36克的C2H5NH2(乙胺)搅拌加入后，再向溶液中加入2.4克的Ti[OCH(CH3)2]4(异丙醇钛(IV))。然后加入足量的D1-水使最终溶积达到800ml。将此溶液搅拌5分钟并移入一个1000ml干净的不锈钢容器中。密封不锈钢容器并摇晃5分种，然后放入一个烘箱，在300℃下加热6小时。之后从烘箱内取出不锈钢容器在室温下冷却。将容器内的反应产物移到一个1000ml干净的塑料瓶中。如图1所示，反应产物为具有狭窄分布(D50＝87nm；D90＝101nm；D10＝68nm)的CeO2(氧化铈)分散系。氧化铈颗粒具有平均微晶尺寸为210。
实施例2
(对比实施例)
除了没有使用Ti[OCH(CH3)2]4(异丙醇钛(IV))外，使用实施例1中相同材料和方法形成一个氧化铈颗粒分散系。这样形成的氧化铈颗粒有一个狭窄的分布(D50＝89nm；D90＝99nm；D10＝72nm)，与实施例1中形成的氧化铈颗粒相似，但平均微晶尺寸仅为42。
实施例3
除了没有使用CH3COCH2OCCH3(乙酰丙酮)外，使用实施例1中相同的材料和方法形成一个氧化铈颗粒分散系。这样形成的氧化铈颗粒有一个狭窄的分布(D50＝80nm；D90＝97nm；D10＝60nm)，与实施例1中形成的氧化铈颗粒相似，但平均微晶尺寸仅为90。
实施例4
用氧化铈颗粒形成四种化学-机械抛光浆。浆A由100重量份实施例1中形成的氧化铈纳米颗粒分散系构成。浆B与浆A相同，除了使用在实施例2中形成的氧化铈纳米颗粒分散系而不是在实施例1中形成的氧化铈纳米颗粒分散系。浆C与浆A相同，除了使用在实施例3中形成的氧化铈纳米颗粒分散系而不是在实施例1中形成的氧化铈纳米颗粒分散系。浆D与浆A相同，除了氧化铈纳米颗粒分散系包括传统煅烧的氧化铈(Ferro电子材料SRS-616A)，其平均颗粒大小为D50＝141nm，分散于pH值为10.0的水中。相同的TEOS SiO2(二氧化硅)晶片分别用浆A、浆B、浆C和浆D抛光。使用Strasbaugh 6EC抛光剂，一个在3.2磅每平方英寸(psi)下行压力带有Suba IV背板的Rodel IC1000板，一个旋转速度达到60rpm的转盘以及浆的流速为150ml/min，进行抛光。用浆A抛光的晶片去除SiO2的速度为3500/min，并生成一个均方根平均粗糙度0.8的表面。用浆B抛光的晶片去除SiO2的速度为85/min，并生成一个均方根平均粗糙度1.0的表面。用浆C抛光的晶片去除SiO2的速度为1875/min，并生成一个均方根平均粗糙度2.0的表面。用浆D抛光的晶片去除SiO2的速度为4200/min，并生成一个均方根平均粗糙度3.0的表面。
对那些本领域的技术人员来说，很容易想到其它的优点及变化。因而，本发明从更广泛的角度来说，不受在此显示和描述的具体说明和实施例的限制。相应地，可以不离开附加的权利要求以及等同物所限定的总的发明概念范围或精神，进行各种变化。