纳米铈硅复合氧化物颗粒及其制备方法和用途与流程

本发明涉及一种纳米铈硅复合氧化物颗粒及其制备方法和用途。

背景技术：

1、化学机械研磨(chemical-mechanical polishing,cmp)因其具有高精度、高效率和高表面完整度等特点而成为目前主流的平坦化技术，在光电、微电子和半导体等行业发挥着不可替代的作用。由研磨颗粒、助剂和水组成的抛光液是cmp过程中最关键的消耗品，约占有大约cmp工艺成本的40％，抛光液作为cmp过程中接触基材的重要消耗品，其中研磨颗粒的粒径、形貌、活性等参数直接决定了抛光效果的优劣。

2、作为研磨介质，二氧化硅颗粒和二氧化铈颗粒既有自身的优点，同样也存在诸多不足。有研究者将二者结合，形成铈硅复合氧化物，形成性能更好的复合氧化物颗粒。但一般是将氧化硅为内层核心，以氧化铈为外层而形成的两层核壳结构。

3、例如，cn101818047a公开了氧化硅-氧化铈核壳复合磨料颗粒及其制备，该氧化硅-氧化铈核壳复合磨料颗粒的内核为球形氧化硅内核，外壳为氧化铈包覆层。

4、cn106987229a公开了一种核壳包覆结构的复合颗粒及其制备方法，该复合颗粒以具有放射状介孔孔道的介孔氧化硅微球为内核，以六水硝酸亚铈为铈源，形成以介孔氧化硅微球为内核，氧化铈纳米颗粒为壳层的核壳包覆结构复合颗粒。

5、cn108569718a公开了纳米二氧化铈包覆纳米球形二氧化硅复合颗粒的制备方法，包括：正硅酸乙酯经酸催化水解制得纳米球形二氧化硅分散液，陈化处理，调节溶液ph至碱性，然后滴加铈盐溶液并保持ph值基本不变，使铈离子沉淀、包覆在纳米球形二氧化硅表面，经过固液分离、除杂、干燥、煅烧和研磨等处理，制得纳米二氧化铈包覆纳米球形二氧化硅复合颗粒。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种纳米铈硅复合氧化物颗粒，该纳米铈硅复合氧化物颗粒尺寸均一，具有类似三明治结构。进一步地，采用该纳米铈硅复合氧化物颗粒进行抛光时的抛光效果更好。本发明的另一个目的在于提供如上所述的纳米铈硅复合氧化物颗粒的制备方法，该方法能够制备得到尺寸均一的颗粒。本发明的再一个目的在于提供如上所述的纳米铈硅复合氧化物颗粒的用途。

2、本发明采用如下技术方案实现上述目的。

3、一方面，本发明提供一种纳米铈硅复合氧化物颗粒，该纳米铈硅复合氧化物颗粒从内到外依次包括内层、包覆所述内层的中间层和包覆所述中间层的外层；其中，所述内层的材料为氧化铈，所述中间层的材料为氧化硅，所述外层的材料为氧化铈。

4、根据本发明所述的纳米铈硅复合氧化物颗粒，优选地，所述内层由第一前驱体材料反应形成，所述中间层由第二前驱体材料反应形成，所述外层由第三前驱体材料反应形成；

5、其中，所述第一前驱体材料和第三前驱体材料均为可溶于水的三价铈盐；所述第二前驱体材料选自正硅酸乙酯和正硅酸甲酯中的至少一种；

6、其中，第一前驱体材料中的铈元素、第二前驱体材料中的硅元素和第三前驱体材料中的铈元素的摩尔比为10～15:5.5～6.5:1；

7、所述纳米铈硅复合氧化物颗粒的d50为50～60nm。

8、另一方面，本发明还提供一种上述纳米铈硅复合氧化物颗粒的制备方法，包括如下步骤：

9、1)提供第一前驱体材料用于形成所述内层；

10、2)提供第二前驱体材料用于形成包覆所述内层的中间层；

11、3)提供第三前驱体材料用于形成包覆所述中间层的外层；

12、其中，所述第一前驱体材料和第三前驱体材料均为可溶于水的三价铈盐；所述第二前驱体材料选自正硅酸乙酯和正硅酸甲酯中的至少一种；

13、其中，第一前驱体材料中的铈元素、第二前驱体材料中的硅元素和第三前驱体材料中的铈元素的摩尔比为10～15:5.5～6.5:1。

14、根据本发明所述的制备方法，优选地，所述第一前驱体材料选自硝酸铈、氯化铈、醋酸铈和硫酸铈中的一种；所述第一前驱体材料与所述第三前驱体材料相同。

15、根据本发明所述的制备方法，优选地，所述第二前驱体材料为正硅酸乙酯。

16、根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤1)包括以下具体步骤：

17、将第一前驱体材料、多元醇试剂、c1～c3烷基酸和水混合，得到第一混合液；将第一混合液转移至高压反应釜中并在140～180℃下反应2～8h，得到第一反应液；将第一反应液固液分离，将所得固体洗涤，将洗涤后的固体分散于水中，获得用于形成内层的氧化铈颗粒分散液；

18、其中，多元醇试剂选自乙二醇或丙二醇；第一混合液中，第一前驱体材料、多元醇试剂、c1～c3烷基酸和水的质量比为1:60～70:3～4:2～2.5；

19、其中，氧化铈颗粒分散液的固含量为22～34wt％。

20、根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤2)包括以下具体步骤：

21、向步骤1)所得的氧化铈颗粒分散液中依次加入醇溶剂和碱试剂，得到第二混合液；在60～90℃下向第二混合液中滴加正硅酸乙酯，滴加完毕，继续反应1～3h，得到第二反应液；

22、其中，氧化铈颗粒分散液、醇溶剂、碱试剂和正硅酸乙酯的质量比为12～16:9～12:8～12:4～5；

23、其中，碱试剂选自氨水或三乙胺；醇溶剂选自甲醇、乙醇或异丙醇。

24、根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤2)还包括以下具体步骤：

25、将所述第二反应液固液分离，将所得固体用乙醇洗涤，将洗涤后的固体分散于水中，得到氧化硅包覆氧化铈的分散液；其中，氧化硅包覆氧化铈的分散液的固含量为50～70wt％。

26、根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤3)包括以下具体步骤：

27、向步骤2)所得的氧化硅包覆氧化铈的分散液中依次加入多元醇试剂、c1～c3烷基酸，得到第三混合液；向第三混合液中分批加入第三前驱体材料，得到第四混合液；将第四混合液在140～180℃下反应2～8h，得到第三反应液；

28、将第三反应液固液分离，将所得固体多次洗涤，得到纳米铈硅复合氧化物颗粒；将纳米铈硅复合氧化物颗粒分散于水中，得到纳米铈硅复合氧化物颗粒浆料；

29、其中，多元醇试剂选自乙二醇或丙二醇；氧化硅包覆氧化铈的分散液与多元醇试剂、c1～c3烷基酸和第三前驱体材料的质量比为1:25～40:0.75～1.0:0.15～0.25。

30、再一方面，本发明还提供一种如上所述的纳米铈硅复合氧化物颗粒在半导体晶圆抛光中的用途。

31、本发明的纳米铈硅复合氧化物颗粒具有类似三明治结构，其以氧化铈为核，以氧化硅为中间层，以氧化铈为外层。本发明惊喜地发现，这种结构与现有技术的以氧化硅为核，氧化铈为壳的两层核壳结构相比，其用于抛光时的性能更好，抛光效果更好。

技术特征：

1.一种纳米铈硅复合氧化物颗粒，其特征在于，该纳米铈硅复合氧化物颗粒从内到外依次包括内层、包覆所述内层的中间层和包覆所述中间层的外层；其中，所述内层的材料为氧化铈，所述中间层的材料为氧化硅，所述外层的材料为氧化铈。

2.根据权利要求1所述的纳米铈硅复合氧化物颗粒，其特征在于，所述内层由第一前驱体材料反应形成，所述中间层由第二前驱体材料反应形成，所述外层由第三前驱体材料反应形成；

3.根据权利要求1或2所述的纳米铈硅复合氧化物颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一前驱体材料选自硝酸铈、氯化铈、醋酸铈和硫酸铈中的一种；所述第一前驱体材料与所述第三前驱体材料相同。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第二前驱体材料为正硅酸乙酯。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)包括以下具体步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)包括以下具体步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)还包括以下具体步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤3)包括以下具体步骤：

10.根据权利要求1或2所述的纳米铈硅复合氧化物颗粒在半导体晶圆抛光中的用途。

技术总结
本发明公开了一种纳米铈硅复合氧化物颗粒及其制备方法和用途，该纳米铈硅复合氧化物颗粒从内到外依次包括内层、包覆所述内层的中间层和包覆所述中间层的外层；其中，所述内层的材料为氧化铈，所述中间层的材料为氧化硅，所述外层的材料为氧化铈。本发明的纳米铈硅复合氧化物颗粒尺寸均一，用于抛光时抛光效果更好。

技术研发人员：王奇,王震,沈根利,刘密,龚䶮,冀代雨
受保护的技术使用者：国家纳米科学中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13