专利名称：表征颗粒的方法
技术领域：
本申请的公开通常涉及一种根据库尔特原理(Coulter principle)来表征颗粒的方法，更具体地说，本申请的公开涉及一种表征存在于主要是均勻粒度的较小颗粒混合物中的大颗粒的方法。
背景技术：
限定颗粒大小的液体悬浮液可用于许多工业中。当限定大小的颗粒均勻时、优选颗粒在粒径和重量方面均勻时，这些液体通常是非常有用的。例如，化学机械抛光是一种被传统地用于玻璃抛光的液体流动应用，并且如今被普遍地用于半导体的制造中。化学机械抛光(CMP)应用运用浆料来抛光硅片，并且提供均勻的无刮痕表面，用于半导体设备的制造中。这些浆料常常在中心位置被制备，被混合，然后经由分配管道传输且分配至适合抛光表面的设备。这些浆料通常是由多分散胶体或者烟雾型磨料颗粒组成。重要的是，这些浆料通常含有非常微细的、粒径最大是0.2微米(μπι)的颗粒。在浆料被分配于抛光的加工点上时，较大粒径的颗粒(比如Iym或者更大)通常存在于浆料中。这些较大的颗粒可能是由于剪应力、聚集或者由于浆料中存在的异物而形成的。在抛光期间是不希望有聚集的浆料颗粒存在的，这些浆料颗粒将导致晶片中的许多缺陷，比如，由于深凹痕、或者由于差别抛光压力导致的不均勻抛光。聚集颗粒的存在可以通过下述方法使其减到最少可以通过仔细碾碎微细颗粒，连续不断地混合其分配的上游浆料，维持适当的电解质平衡，并且在浆料被传递至晶片之前在分配点采用过滤以便除去聚集物。均勻粒度的颗粒具有一定的最小浓度聚集的这个需求当然并不仅限于CMP应用。 相反地，这种需求延伸至其它的多种应用。举例来说，在制药工业中，药物制剂中不想有聚集和不同粒径的颗粒，药物制剂必须包括精确的并且可重复的有效成分剂量。这些颗粒包括可能易于在溶液中聚集的蛋白质。聚集会影响蛋白质的活性和稳定性，因此制药工业需要知道蛋白质溶液是否包含有聚集的蛋白质以及这些聚集蛋白质的浓度。此外，当这些制品的制备是为了供给消费者使用时，吸引消费者注意是需考虑的较大因素，这意味着制品可能需要具有均勻的、审美满足的以及可重复的品质。在另一个实施例中，在用于激光打印机和影印机的色粉组合物的制备中，均勻粒径的颗粒具有一定的最小浓度聚集是受到重视的。具有相当大浓度聚集或者大颗粒的色粉产品会导致印刷品缺陷，也损害打印机和影印机。正如CMP浆料中的情况一样，与药物和色粉产品制造相关的领域也试图通过改进碾碎、 混合步骤和采用过滤来满足将大颗粒降低到最少的需求。但是，尽管人们试图表征存在于主要由均勻粒径的微细(较小)颗粒组成的溶液中的大颗粒，但是在该技术领域中仍然效率不高。并且这些低效率以不受欢迎的方式影响
4制造工艺(比如，半导体制造和药物生产)。因此，仍然存在着一定的需求，需要更高效地检测和表征存在于主要由均勻粒径的微细(较小的)颗粒组成的悬浮液中的大颗粒。
发明内容
本文公开的是一种表征存在于具有更高浓度小颗粒的颗粒混合物中的大颗粒的方法。所述方法通常包括在电解质中制备混合物的悬浮液。所述方法进一步包括使制备的悬浮液和其中的多个颗粒通过能够根据库尔特原理来表征颗粒的仪器中的孔，以便获得颗粒的数据。更进一步地，所述方法包括由得到的数据得出粒径分布。所述悬浮液含有至少一个小颗粒每孔体积。大颗粒的平均直径比小颗粒的平均直径至少大5倍。所述孔的直径(i)比小颗粒的平均直径至少大50倍，并且(ii)比大颗粒的平均直径大大约1.2倍至小于比大颗粒平均直径大大约50倍。所述方法优选采用能够根据库尔特原理表征颗粒的仪器。因此，除了当前市场上可买到的专用设备之外，不需要任何专用设备来进行本申请公开的方法。此外，本申请公开的方法是特别有用的，因为它提供了一种颗粒表征方法，该方法能够避免或者减少常规方法所伴随的问题，例如复杂和麻烦的稀释、和由于在被表征样品中不常见的颗粒而采集的稀疏数据所导致的不准确报告。利用本申请公开的方法，现在可以更高效地检测和表征存在于各种组合物(诸如化学机械抛光浆料、食品乳化剂、油漆、药物制剂和用于打印机和影印机的色粉)中的大颗粒。根据下面的详细说明综述，结合附图、实施例以及附后的权利要求，本发明的其他特征对于本领域中的技术人员来说就变得显而易见。
为了对于本申请的公开有更加完整的理解，参照下面的详细说明以及附图，其中图1是库尔特设备的示意图，包括检测器和其中的孔；图IA是孔的分解放大图；并且，图2-8是实施例中所描述的样品中颗粒的粒径分布图(即颗粒数目作为粒径的函数)。本申请公开的方法容许有各种形式的实施方式，包括附图中举例说明的(以及下面将要描述的)本发明的具体实施方式
，应当理解，本申请的公开是用来阐述发明的，而不是将本发明限制于本文所描述的和举例说明的具体实施方式
。
具体实施例方式上述背景技术，表明了在各个领域中表征存在于主要由均勻粒径的微细的(较小的)颗粒组成的悬浮液中可能存在的大颗粒的重要性。大颗粒可以通过聚集或者聚合而形成，或者是由于有缺陷的或者有缺点的碾碎或形成方法而生成的残留颗粒。颗粒可以是非生物学的或者生物学的颗粒。非生物学颗粒包括诸如用于化学机械抛光的磨料、金属颗粒、 乳胶颗粒和二氧化硅颗粒。生物学颗粒包括诸如细胞、蛋白质、淀粉粒及其他生物聚合物的聚集体。本申请的公开给这些领域提供了一种能够精确地和高效地检测和表征存在于具有更高浓度小颗粒的颗粒混合物中的大颗粒的方法。所述方法采用能够根据库尔特原理来表征颗粒的仪器。实际上，能够根据库尔特原理来表征颗粒的常规设备可以用于进行本申请公开的方法。然而这种设备的常规应用和库尔特原理不一定适合本领域的需要。在常规应用中，设备通过小孔抽吸出悬浮于电解质溶液中的颗粒，每次为一个颗粒。孔位于二个电极之间，在二个电极之间有电流流量，产生敏感区。当颗粒通过孔(或者敏感区)时，它取代了等同于它自己体积的电解质，瞬间改变了二个电极之间的阻抗。这个阻抗突变产生可以被测定的并被数字化处理的瞬时信号。在常规应用中，当表征大颗粒和小颗粒的混合物时，选择可以产生信号的孔直径，当小颗粒或者大颗粒通过孔时该信号可以从背景中辨别。信号与产生所述信号的颗粒体积有关，并且因此，可以从这些数据的分析中得到悬浮液中颗粒数目的粒径分布、体积和表面积。此外，如果已知体积的颗粒悬浮液被从孔中抽吸出来，可以得到悬浮液中颗粒的浓度。这种表征所需要的时间一般是3分钟，并且由于不希望有的颗粒沉淀和聚集，这种表征所需要的时间被限制在大约30分钟。由于这些时间限制，如果不加以解决，常规应用的限制将导致错误的表征和统计取样误差。当几个颗粒同时通过孔时，会发生一种被称为重合效应(coincidence effect)的错误表征。在同一瞬间孔内的多个颗粒引起的阻抗改变幅度会导致粒径分布的计算错误， 使得样品中似乎有实际上并不存在的较大颗粒。当颗粒的浓度增加时，多个颗粒同时通过孔的概率会急剧增加。一般通过充分降低电解质中颗粒的浓度来使得每次只有一个颗粒通过孔，从而避免重合效应和伴随的错误表征。取决于初始样品的浓度，为了避免这个错误， 比如稀释至5000至100000倍或更高并不是少见的。然而稀释可能导致统计取样误差。比如，在含有高浓度小颗粒和低浓度大颗粒的样品中，稀释可能导致在计数相对稀少的大颗粒时相当大的取样误差。这些误差可能导致大颗粒的过高报告或者漏报。当由于取样误差造成大颗粒过高采样并且报告的大颗粒浓度比实际浓度高很多时，就会发生过高报告。类似地，当大颗粒欠采样并且报告的大颗粒浓度比实际浓度低很多时，就会发生漏报。当稀释倍数增加时，过报告和漏报的问题就会被放大。通过在相同的仪器上依序进行或者在多个仪器上并行地进行稀释样品的多个试验，可以表征较大体积的高度稀释的样品。然而这种方法不可避免地引入了额外来源的呈批间误差和仪器间误差形式的实验误差。上述的库尔特原理的常规应用并不非常适用于检测比如存在于CMP浆料中的大颗粒。这种浆料每毫升液体一般含有数十亿个均勻粒径的小颗粒。在这种高浓度下，当数个颗粒同时通过孔时，这些颗粒不可避免地要发生已知的重合效应。如上所述，一般通过降低颗粒的浓度(即通过稀释样品)至每次只有一个颗粒通过孔的浓度点，来避免重合效应。 然而这种稀释会导致如上所述的取样误差。更重要的是，当比如待表征的溶液被用于预期目的(比如作为CMP应用中的浆料)、并且不被简单地破坏以用于质量控制分析时，可能这种稀释是完全不期望发生的。此外，由于与大体积相关的长时间表征，过度的稀释会导致不期望发生的沉淀或者聚集。除表征CMP浆料之外，本申请公开的方法还可以用于表征含蛋白质的溶液。溶液中的蛋白质可能有凝聚的倾向。因此，蛋白质溶液包含相对少的大蛋白质聚集体和相对高浓度的未凝聚的(较小的)蛋白质。本申请公开的方法可为现有技术提供一种能够快速表征存在于具有更高浓度小颗粒的颗粒混合物中的大颗粒的方法。所述方法采用能够根据库尔特原理来表征颗粒的仪器，更加理想地是避免了重合效应并避免了根据库尔特原理的常规应用通常所需要的大量稀释。更具体地说，本申请公开的方法通常包括在电解质中制备混合物的悬浮液。所述方法更进一步地包括使制备的悬浮液和其中的多数颗粒通过能够根据库尔特原理来表征颗粒的仪器中的孔，以便获得颗粒的数据。更进一步地，所述方法包括由得到的数据得出大颗粒的粒径分布。所述悬浮液含有至少一个小颗粒每孔体积。优选，所述悬浮液含有至少30个小颗粒每孔体积，更加优选含有至少400个颗粒每孔体积，更为优选含有至少3100个颗粒每孔体积。大颗粒的平均直径比小颗粒的平均直径大至少5倍。可选地，大颗粒的平均直径比小颗粒的平均直径大至少10倍、20倍或者50倍。选择孔的直径，以使得大颗粒在有效的测量范围之内而小颗粒在有效的测量范围之外。所述孔的直径(i)比小颗粒的平均直径至少大50倍，并且(ii)比大颗粒的平均直径大大约1. 2倍至小于比大颗粒平均直径大大约50倍。可选地，孔的直径比大颗粒的平均直径大大约5-40倍、10-30倍、或者15-25倍。优选地，本申请公开的方法也给现有技术提供一种能够表征存在于具有更高浓度小颗粒的颗粒混合物中不同粒径的大颗粒的方法。具体地讲，大颗粒可以含有第一组和第二组的大颗粒，每个组是通过用具有一致平均粒径的颗粒来定义的。比如，根据一个实施方式，第一组大颗粒的平均直径可能比小颗粒的平均直径大至少5倍，而第二组大颗粒的平均直径可能比第一组大颗粒的平均直径大至少2. 5倍。在可选的实施方式中，第二组大颗粒的平均直径比第一组大颗粒的平均直径大至少5倍。在另一个可选的实施方式中，第二组大颗粒的平均直径比第一组大颗粒的平均直径大至少10倍。根据本申请公开的方法，可能有其他组的大颗粒，并且能够表征这些大颗粒。所述方法可充分地变通，以便表征可能存在于具有更高浓度的均勻粒度的小颗粒的混合物中不同粒径的大颗粒。根据本申请公开的方法的实施方式，可以更精确地和更高效地检测和表征存在于比如化学机械抛光浆料中的大颗粒。通过这种表征，半导体制造商可以采取必要的步骤，以便在将浆料用于抛光晶片之前除去浆料中的大颗粒，或者考虑一起使用不同的浆料。因此， 半导体制造商可以更好地避免浆料可能刮擦晶片或者以非均勻的方式抛光晶片的可能性。 此外，本申请公开方法可以通过常规设备进行。更进一步地，制造商不需要采用麻烦的稀释技术来使用该设备。类似地，本申请公开的方法使得可以更精确地和更高效地检测和表征存在于其它各种组合物中(诸如在食品乳化剂、药物制剂、油漆和用于打印机和影印机的色粉制造中)的大颗粒，在这些组合物中预期大颗粒的浓度降低至最小。当与小颗粒的浓度相比，大颗粒以微量存在于样品中时，或者换言之当大颗粒存在于具有更高浓度小颗粒的颗粒混合物中时，本申请公开的方法有充分的优势。因此，优选小颗粒的浓度至少是较大颗粒浓度的10倍。更优选小颗粒的浓度至少是较大颗粒浓度的 1000倍。更加优选小颗粒的浓度至少是较大颗粒浓度的100000倍。本文中使用的用于定义颗粒的形容词“大”和“小”及其变型，指的是相似粒径的颗粒组的直径。因此，举例来说，如果混合物被设计和意欲包含直径是0. 1微米(μπι)的颗粒，这种颗粒可以被认为是“小”颗粒，而在相同的混合物中直径是0. 5 μ m或者更大的颗粒就被认为是“大”颗粒。精确指定每个颗粒的实际直径是困难的、不切实际的或者也是没有必要的。为了本申请公开的方法的目的而去精确限定颗粒仍然是没有必要的。因此，在本文中使用的术语“平均直径”是想要限定可能被归类为大颗粒或小颗粒、或者被归类为大颗粒或小颗粒亚组的颗粒的平均直径。当这种精确测量是已知的、可能的或者可以实现的时候，并且颗粒可以被精确归类时，这种颗粒的“平均”直径当然与实际直径更接近一致。参考图1，含有小颗粒和大颗粒的样品可以被悬浮在适当的电解质溶液中，以便获得样品溶液30。参见IS013319 粒径分布的确定-电敏感区方法，附录A. 2，2000(材料和推荐的电解质溶液)。电流在电极之间流动以便生成被孔10限定的敏感区。样品溶液30 通过孔10。通过孔10的样品溶液30中的颗粒取代电解质的对应体积，瞬间改变电极20之间的阻抗。检测器40测定阻抗中的瞬间改变，通过计算机50将该瞬间改变记录为可以转换为有用数据的脉冲。孔的直径的有效范围是诸如约20 μ m至约2000 μ m。根据本申请公开的方法，选择孔以使得样品溶液中的小颗粒在孔的有效测量范围之外。意外地发现，当小颗粒在孔的有效测量范围之外时，小颗粒没有干扰大颗粒的精确表征。孔的有效测量范围一般是孔直径的大约2%至大约80%。因此，举例来说，直径是50 μ m的孔的有效测量范围是1 μ m(50 μ m 的2%)至40μπι(50μπι的80%)。举例来说，典型的有效测量范围列于下表中。举例来说，典型的孔体积也列于下表中。表典型的有效测量范围和孔直径
权利要求
1.一种表征存在于具有更高浓度小颗粒的颗粒混合物中的大颗粒的方法，该方法包括(a)在电解质中制备混合物的悬浮液；(b)使所制备的悬浮液和其中的多个颗粒通过能够根据库尔特原理来表征颗粒的仪器的孔，以便获得颗粒的数据；以及(c)由得到的数据得出粒径分布，其中，所述悬浮液含有至少一个小颗粒每孔体积，其中所述大颗粒的平均直径比所述小颗粒的平均直径至少大5倍，所述孔的直径(i)比所述小颗粒的平均直径至少大50倍， 并且(ii)比所述大颗粒的平均直径大大约1. 2倍至小于比所述大颗粒平均直径大大约50倍。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述悬浮液含有至少30个所述小颗粒每孔体积。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述悬浮液含有至少400个所述小颗粒每孔体积。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述悬浮液含有至少3100个所述小颗粒每孔体积。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大颗粒的平均直径比所述小颗粒的平均直径大至少10倍。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大颗粒的平均直径比所述小颗粒的平均直径大至少20倍。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大颗粒的平均直径比所述小颗粒的平均直径大至少50倍。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的直径比所述大颗粒的平均直径大大约5-40倍。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的直径比所述大颗粒的平均直径大大约10-30倍。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的直径比所述大颗粒的平均直径大大约15-25倍。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大颗粒含有第一组和第二组的大颗粒，其中第一组大颗粒的平均直径比所述小颗粒的平均直径大至少5倍，第二组大颗粒的平均直径比所述第一组大颗粒的平均直径大至少2. 5倍。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二组大颗粒的平均直径比第一组大颗粒的平均直径大至少5倍。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二组大颗粒的平均直径比第一组大颗粒的平均直径大至少10倍。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小颗粒的浓度比大颗粒的浓度大至少 10倍。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小颗粒的浓度比大颗粒的浓度大至少 1000 倍。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小颗粒的浓度比大颗粒的浓度大至少 100000 倍。
全文摘要
具有最小浓度的聚集或者最小浓度的较大颗粒的含均匀粒径颗粒的混合物，在各种制造工艺中均是理想的，比如在化学机械抛光浆料、食品乳化剂、药剂、油漆和印刷色粉的制造和使用中均是理想的。本文公开的方法给这些工业提供了一种筛选混合物中聚集和大颗粒的精确和有效的方法。该方法通常包括在电解质中制备混合物的悬浮液，其中悬浮液每单位电解质包括给定浓度的小颗粒。所述方法进一步包括将制备的悬浮液和其中多数颗粒通过能够根据库尔特原理表征颗粒的仪器中的孔，以便获得颗粒的数据。更进一步地，所述方法包括由得到的数据得出大颗粒的粒径分布。所述悬浮液含有至少一个小颗粒每孔体积。大颗粒的平均直径比小颗粒的平均直径至少大5倍。所述孔的直径(i)比小颗粒的平均直径至少大50倍，并且(ii)比大颗粒的平均直径大大约1.2倍至小于比大颗粒平均直径大大约50倍。
文档编号G01N15/12GK102414552SQ201080018991
公开日2012年4月11日 申请日期2010年4月23日 优先权日2009年4月24日
发明者杨益明, 许人良 申请人:贝克曼考尔特公司