一種氧化鈰的製備方法及其在STI拋光領域的應用與流程

2023-07-09 19:58:06 3

本發明涉及一種氧化鈰製備方法及其在sti拋光領域中的應用。

背景技術：

納米氧化物因其優良的性能在電子學、光學、化工陶瓷、生物和醫藥等領域得到了廣泛的應用，納米氧化鈰作為一種高功能化陶瓷材料，廣泛用作催化劑、磷光劑、化妝品、研磨劑等，尤其由於其對二氧化矽具有選擇性的高拋光活性，並且在較低的固含量下即可達到高的拋光效果，使其作為cmp磨料應用於淺溝槽隔離(sti)工藝拋光研究得到廣泛關注(如專利201310495424.5，200510069987.3)。而，以氧化鈰為磨料的化學機械拋光液，在其性能和成本上相比於傳統的氧化矽或氧化鋁材料，展現了更大的應用前景和市場優勢。

同時，有關研究表明，氧化鈰磨料的顆粒特性對拋光效果的影響至關重要。如在sti拋光應用中，有文獻報導指出，氧化鈰顆粒尺寸、形貌特徵對拋光過程中缺陷的產生和拋光速率選擇比均有著重要影響。因此，製備顆粒尺寸、形貌特徵適宜的氧化鈰顆粒，是化學拋光領域對氧化鈰製備工藝提出的需求。

目前，氧化鈰的合成方法報導較多(如專利200880011138.4，200880008484.7)，其中，常用的氧化鈰合成方法為：首先合成碳酸鈰，進一步高溫焙燒碳酸鈰合成得到氧化鈰粉體。已有的研究(如專利200880011138.4，200880008484.7)指出，在先合成的碳酸鈰的特性對氧化鈰的顆粒特性有著直接影響，通過控制碳酸鈰前驅體的結晶度、顆粒尺寸和晶相結構，可有效調控對應氧化鈰的顆粒大小、團聚強度和拋光活性。在已有的報導中，結晶態碳酸鈰合成方法主要為：通過直接高溫水熱法，或通過添加大量有機添加劑來促使反應生成的碳酸鈰向六方相或斜方相晶形轉變。其難以實現對所合成碳酸鈰粒度、結晶性進行調控，且其中有機試劑的引入也不利於合成過程產生的廢水處理和排放。

然而，目前基於sti拋光應用需求的氧化鈰磨料特性控制合成相關研究報導仍然較少。尋找環保、實現可調控磨料顆粒特性的氧化鈰的合成方法，仍是氧化鈰製備方法研究的優先方向。

技術實現要素：

針對上述存在的問題，本發明提出一種新的氧化鈰合成方法，通過對碳酸鈰前驅體粒度和結晶度的調控，可對應合成具有更有顆粒特性的氧化鈰磨料，其顯示出良好的sti拋光應用前景。

本發明公開一種氧化鈰的製備方法，包括以下步驟：

首先，通過球磨處理，得到碳酸鈰前驅體；再進一步水熱晶化所述碳酸鈰前驅體，得到晶態碳酸鈰；最後，高溫焙燒所得晶態碳酸鈰得到氧化鈰。

其中，在所述球磨處理前，將碳酸鈰配置為固含量為10wt％-50wt％的水分散漿料，所述碳酸鈰水分散漿料中可添加分散劑，所述分散劑無特殊限制，可以是聚丙烯酸(paa)、聚乙烯醇(pva)等高分子化合物中一種或多種。且，所述分散劑在碳酸鈰水分散漿料中的濃度無特殊限制，優選的濃度為0.1wt％-1wt％，所述碳酸鈰水分散漿料對ph無特殊限制，優選的ph為7.0-9.0，

其中，所述球磨處理碳酸鈰至其顆粒平均粒徑為0.3-1.5um時，停止球磨處理。

其中，所述水熱晶化的溫度為50℃-120℃，所述水熱晶化的時間為1-24小時。

其中，所述水熱晶化反應結束後，所得沉澱物經純水洗滌3次後，烘乾，產物即為晶態碳酸鈰。

其中，所述高溫焙燒的溫度為500-900℃，所述高溫焙燒的時間為1.0-10.0小時，得到氧化鈰粉體。

本發明的另一方面，在於提供一種用於sti拋光的化學機械拋光液，其中，包括上述製備方法得到的氧化鈰。

其中，所述氧化鈰在使用前需進一步進行分散處理，所述分散處理過程無特殊限定，可以是機械研磨如球磨、氣流粉碎等，分散過程中可以添加有機分散劑，所述有機分散劑可以為聚丙烯酸及其鹽類。

採用本發明技術方案所製得的氧化鈰顆粒，顆粒尺寸均一；在機械力作用下，易分散於液相中，且以該分散的氧化鈰為磨料製備cmp拋光液，其在sti拋光應用中顯示出優良的平坦化拋光效率；同時，該工藝流程操作簡單，環保且無汙 染，易於推廣使用。

具體實施方式

下面通過具體實施例進一步闡述本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍不僅僅局限於下述實施例。

實施例1

在室溫條件下，配製固含量為10wt％的碳酸鈰水分散漿料，該水分散漿料中同時含有0.1wt％的paa作為分散劑，並將該水分散漿料ph調至7.0。上述配置好的碳酸鈰漿料進行球磨處理至顆粒平均粒徑達到0.3微米，停止球磨。進一步將球磨後混合體系轉入50℃水熱反應釜中，進行晶化反應24小時後，將所得沉澱物經純水洗滌3次後、過濾得到濾餅，將其烘乾後得到碳酸鈰粉體；所得碳酸鈰粉體進一步在500℃靜態空氣中焙燒10小時，冷卻後得到氧化鈰粉體；通過添加聚丙烯酸作為分散劑，對所得氧化鈰粉體進行球磨分散處理，通過控制球磨分散時間，可以得到應用於sti拋光的氧化鈰磨料。

實施例2

在室溫條件下，配製固含量為50wt％的碳酸鈰水分散漿料，該水分散漿料中同時含有1wt％的pva作為分散劑，並將該水分散漿料ph調至9.0。上述配置好的碳酸鈰漿料進行球磨處理至顆粒平均粒徑達到1.5微米，停止球磨。進一步將球磨後混合體系轉入100℃水熱反應釜中，進行晶化反應12小時後，所得沉澱物經純水洗滌3次後、過濾得到濾餅烘乾後得到碳酸鈰粉體；所得碳酸鈰粉體進一步在900℃靜態空氣中焙燒1.0小時，冷卻後得到氧化鈰粉體；通過添加聚丙烯酸作為分散劑，對所得氧化鈰粉體進行球磨分散處理，通過控制球磨分散時間，得到可應用於sti拋光的氧化鈰磨料。

實施例3

在室溫條件下，配製固含量為30wt％的碳酸鈰水分散漿料，該水分散漿料中同時含有0.5wt％的paa作為分散劑，並將該水分散漿料ph調至8.0。上述配置 好的碳酸鈰漿料進行球磨處理至顆粒平均粒徑達到0.8微米，停止球磨。進一步將球磨後的混合體系轉入120℃水熱反應釜中，進行晶化反應1.0小時後，所得沉澱物經純水洗滌3次後、過濾得到濾餅，將其烘乾後得到碳酸鈰粉體；所得碳酸鈰粉體進一步在700℃靜態空氣中焙燒2.0小時，冷卻後得到氧化鈰粉體；通過添加聚丙烯酸作為分散劑，對所得氧化鈰粉體進行球磨分散處理，通過控制球磨分散時間，得到可應用於sti拋光的氧化鈰磨料。

對比實施例1

在室溫條件下，配製固含量為10wt％的碳酸鈰水分散漿料，將該水分散漿料ph調至7.0。上述配置好的碳酸鈰漿料進行球磨處理至顆粒平均粒徑達到1.0微米，停止球磨。進一步將球磨後的混合體系轉入50℃水熱反應釜中，進行晶化反應24小時後，所得沉澱物經純水洗滌3次後、過濾得到濾餅烘乾後得到碳酸鈰粉體；所得碳酸鈰粉體進一步在500℃靜態空氣中焙燒10小時，冷卻後得到氧化鈰粉體；通過添加聚丙烯酸作為分散劑，對所得氧化鈰粉體進行球磨分散處理，通過控制球磨分散時間，可以得到應用於sti拋光的氧化鈰磨料。

對比實施例2

在室溫條件下，配製固含量為30wt％的碳酸鈰水分散漿料，該水分散漿料中同時含有0.5wt％的paa作為分散劑，並將該水分散漿料ph調至8.0。上述配置好的碳酸鈰漿料進行球磨處理至顆粒平均粒徑達到1.0微米，停止球磨，所得球磨碳酸鈰沉澱物經純水洗滌3次後、過濾得到濾餅烘乾後得到碳酸鈰粉體；所得碳酸鈰粉體進一步在900℃靜態空氣中焙燒1.0小時，冷卻後得到氧化鈰粉體；通過添加聚丙烯酸作為分散劑，對所得氧化鈰粉體進行球磨分散處理，通過控制球磨分散時間，得到可應用於sti拋光的氧化鈰磨料。

實施例效果

以上述實施例1-3和對比實施例1、2所合成氧化鈰為磨料，通過添加0.5wt％含量的paa(分子量為4000)，與上述實施例製備得到的氧化鈰磨料混合，配置為氧化鈰固含量為0.5wt％，ph為5.0的拋光液漿料，並測試上述實施例對應拋 光液的拋光速率和拋光選擇比。

分別用上述實施例中1-3和對比實施例1、2配製的拋光液對空白晶片進行拋光，拋光條件相同，拋光參數如下：logitech拋光墊，向下壓力3psi，轉盤轉速/拋光頭轉速＝60/80rpm，拋光時間60s，化學機械拋漿料流速100ml/min。拋光所用晶圓切片均由市售(例如美國svtc公司生產的)8英寸鍍膜晶圓切片而成。拋光所用的金屬薄膜晶圓切片上金屬薄膜層厚度由napson公司生產的rt-7o/rg-7b測試儀測得，teos和sin的薄膜厚度由teosnanomatrics公司生產的rt-7o/rg-7b測試儀測得。用拋光前後測得的厚度差值除以拋光耗用時間即得金屬薄膜去除速率，拋光時間為1分鐘。

表1為拋光測試結果，結果表明，實施例1-3所合成氧化鈰磨料可以達到較高的teos拋光速率和teos/sin拋光選擇比，所製備的氧化鈰具有良好的sti拋光應用特性；但是，對比實施例1、2對應氧化鈰對teos拋光速率和teos/sin拋光選擇比均較低，並且拋光後在teos表面產生顯著的劃痕缺陷。

表1本發明所述實施例1-3和對比實施例1、2合成氧化鈰磨料對應化學機械拋光液實施例拋光效果

應當理解的是，本發明所述wt％均指的是質量百分含量。

以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為範例，本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和範 圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。