一種大粒徑硅溶膠的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大粒徑硅溶膠的制備方法，包括如下步驟：（1）加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8?10%、粒徑為10?20nm的硅溶膠基質(zhì)溶液，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)是硅溶膠基質(zhì)溶液的0.1%?1%十二醇硫酸鈉，調(diào)節(jié)pH值，加熱煮沸，獲得溶膠基質(zhì)；（2）以水玻璃為原料，經(jīng)離子交換反應(yīng)制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸體積分?jǐn)?shù)的0.05%?5%的聚合物交聯(lián)劑，制得粒徑較大的硅酸；(3)往步驟（1）的溶膠基質(zhì)中加入步驟（2）中硅酸，加入堿溶液調(diào)節(jié)pH值為9.5?10.5，所述硅酸的流量是1000?5000g/min加熱合成超大粒徑的硅溶膠。采用上述方法可獲得超大粒徑的硅溶膠，其操作方便，生產(chǎn)周期短，效率高。
【專利說明】
一種大粒徑硅溶膠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于硅溶膠制備技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是關(guān)于一種大粒徑硅溶膠的制備方 法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003] 到目前為止，硅溶膠仍然是集成電路平坦化過程中最重要的磨粒。大粒徑硅溶膠 可以提高平坦化速率，進(jìn)而提高制造效率、增加產(chǎn)能。除此之外，在平坦化過程中硅溶膠的 粒徑分布，對集成電路的影響也較大:相同固含量大粒徑的硅溶膠，粒徑分布均勻的顆?？?以獲得較高的平坦化效率和表面質(zhì)量;如果硅溶膠的粒徑分布較寬，較小粒徑部分在研磨 過程中起到的機(jī)械作用十分有限，較大粒徑部分很容易引起劃傷，這將會帶來制造效率和 質(zhì)量同時(shí)下降。
[0004] 硅溶膠是二氧化硅的膠體微粒分散于水中的膠體溶液，是一種十分重要的無機(jī)材 料，其膠粒大小可以為5-100nm。由于硅溶膠中二氧化硅顆粒表面具有大量的羥基，具有較 大的反應(yīng)活性，因此被廣泛應(yīng)用于化工、精密鑄造、紡織、造紙、涂料、食品、電子、選礦等領(lǐng) 域。硅溶膠的制備方法主要包括:單質(zhì)硅水解法、離子交換法、直接酸中和法、電解電滲析 法、膠溶法和分散法，目前在工業(yè)上被廣泛采用的是單質(zhì)硅水解法和離子交換法。
[0005] 單質(zhì)硅水解法合成的硅溶膠粒徑一般為20nm，濃度為30%，這種產(chǎn)品難以滿足某些 特殊行業(yè)對硅溶膠粒徑和濃度的要求。
[0006] 專利CN101597066A公開的一種離子交換制備硅溶膠晶種的方法，反應(yīng)時(shí)間2-48小 時(shí)。專利CN101070161A和CN15107411A公開的離子交換法制備的硅溶膠粒徑較低。專利CN 102432027A公開的離子交換法制備單分散、大粒徑、高穩(wěn)定性的酸性硅溶膠及其制造方法， 所制備的娃溶膠的粒徑最大可以達(dá)到1 〇〇nm，但是所得娃溶膠的粒徑分布在1 -1 OOnm之間， 無法滿足現(xiàn)代集成電路制造的要求。
[0007] 因此，如何合成粒徑更大、濃度更高、粒度分布更均勻的硅溶膠來滿足這些特殊行 業(yè)應(yīng)用的需求，是硅溶膠行業(yè)不斷研究的課題。
[0008]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大粒徑硅溶膠的制備方 法。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案： 一種大粒徑硅溶膠的制備方法，包括以下步驟： (1)溶Jj父基質(zhì)的制備： 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8-10%、粒徑為10-20nm的硅溶膠基質(zhì)溶液，加入體積分?jǐn)?shù)是硅溶膠基 質(zhì)溶液的〇. 1%_1%十二醇硫酸鈉，調(diào)節(jié)pH值范圍為9.0-10.5，加熱溫度為90-100°C，獲得溶 膠基質(zhì)； (2) 大粒徑硅酸的制備 以水玻璃為原料，經(jīng)離子交換反應(yīng)制得活性硅酸，向活性硅酸中加入硅酸體積分?jǐn)?shù)的 0.05%-5%的聚合物交聯(lián)劑，使得活性硅酸進(jìn)一步聚集，制得粘度粒徑為20-30nm的硅酸，硅 酸pH為2-4; (3) 大粒徑硅溶膠的制備 往步驟(1)的溶膠基質(zhì)中加入步驟(2)中硅酸，再加入堿溶液，調(diào)節(jié)pH值為9.5-10.5,所 述娃酸的流量是1000-5000g/min，加熱合成超大粒徑的娃溶膠。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明，所述步驟(2)中的活性硅酸和聚合物交聯(lián)劑的體積比為100:0.5-5。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，所述步驟(2)的聚合物交聯(lián)劑為環(huán)狀硅烷、八甲基環(huán)四硅氧烷、四甲 基四乙烯基環(huán)四硅氧烷或十二甲基環(huán)五硅氧烷中的至少一種。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明，所述步驟（3)中的溶膠基質(zhì)、硅酸和堿溶液的體積比為5-9.7 :90_ 94.7：0.3 〇
[0014] 優(yōu)選的，所述步驟(3)中的溶膠基質(zhì)、硅酸和堿溶液的體積比為5:94.7:0.3。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，所述步驟⑶的堿溶液為硅酸鈉、氨水、乙胺、乙醇胺、二甲胺、三甲胺 或四羥基銨等的一種或幾種。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明，所述步驟(3)的加熱溫度為98-100°C，時(shí)間為2-10小時(shí)，合成粒徑為 100_220nm。
[0017] 本發(fā)明的大粒徑硅溶膠的制備方法，其有益效果是:采用本發(fā)明的方法可以獲得 粒徑為100-220nm的硅溶膠;與現(xiàn)有的大粒徑硅溶膠的方法相比，其制備方法步驟簡單，生 產(chǎn)周期和工藝流程較短，生產(chǎn)耗能和成本降低。
[0018]
【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明的大粒徑硅溶膠的制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 應(yīng)理解，以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0020] 以下實(shí)施例中所使用的技術(shù)，包括離子交換反應(yīng)等，除非特別說明，均為本領(lǐng)域內(nèi) 的技術(shù)人員已知的常規(guī)技術(shù);所使用的儀器設(shè)備等，除非是本說明書特別注明，均為一般本 領(lǐng)域的研究和技術(shù)人員可以通過公共途徑獲得的。
[0021 ]以下實(shí)施例的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8-10%、粒徑為10-20nm硅溶膠基質(zhì)溶液為市售產(chǎn)品。 [0022] 實(shí)施例1 (1) 溶Jj父基質(zhì)的制備： 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8-10%、粒徑為10-20nm的硅溶膠基質(zhì)溶液，加入體積分?jǐn)?shù)是硅溶膠基 質(zhì)溶液的〇. 1%十二醇硫酸鈉，調(diào)節(jié)pH值至9，加熱煮沸，獲得溶膠基質(zhì)； (2) 大粒徑硅酸的制備 以水玻璃為原料，經(jīng)離子交換反應(yīng)制得活性硅酸，向活性硅酸中加入0.5%的八甲基環(huán) 四硅氧烷，使得活性硅酸進(jìn)一步聚集，制得粘度粒徑為20nm的硅酸，硅酸pH為3.5; (3) 超大粒徑硅溶膠的制備 往步驟(1)的溶膠基質(zhì)中加入步驟(2)中硅酸，再加入四羥基銨，調(diào)節(jié)pH值為9.5,所述 娃酸的流量是5000g/min，加熱合成粒徑為105nm的娃溶膠。
[0023]其中： 所述步驟(2)中的活性硅酸和聚合物交聯(lián)劑的體積比為100:0.5。
[0024]所述步驟(3)中的溶膠基質(zhì)、硅酸和堿溶液的體積比為9.7:90:0.3。
[0025] 所述步驟(3)的加熱溫度為98_100°C，時(shí)間為2小時(shí)。
[0026] 實(shí)施例2 (1) 溶Jj父基質(zhì)的制備： 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8-10%、粒徑為10_20nm的硅溶膠基質(zhì)溶液，加入體積分?jǐn)?shù)是硅溶膠基 質(zhì)溶液的1%十二醇硫酸鈉，調(diào)節(jié)pH值至10.5，加熱煮沸，獲得溶膠基質(zhì)； (2) 大粒徑硅酸的制備 以水玻璃為原料，經(jīng)離子交換反應(yīng)制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸體積分 數(shù)的1%的四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷，使得活性硅酸進(jìn)一步聚集，制得粘度粒徑為25nm的 硅酸，硅酸pH為2; (3) 超大粒徑硅溶膠的制備 往步驟(1)的溶膠基質(zhì)中加入步驟(2)中硅酸，再加入硅酸鈉，調(diào)節(jié)pH值為9.6,所述硅 酸的流量是2500g/min，加熱合成粒徑為150nm的娃溶膠。
[0027]其中： 所述步驟(2)中的活性硅酸和聚合物交聯(lián)劑的體積比為100:1。
[0028]所述步驟(3)中的溶膠基質(zhì)、硅酸和堿溶液的體積比為6:93.7:0.3。
[0029] 所述步驟(3)的加熱溫度為98_100°C，時(shí)間為4小時(shí)。
[0030] 實(shí)施例3 (1) 溶Jj父基質(zhì)的制備： 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8-10%、粒徑為10_20nm的硅溶膠基質(zhì)溶液，加入體積分?jǐn)?shù)是硅溶膠基 質(zhì)溶液的1%十二醇硫酸鈉，調(diào)節(jié)pH值范圍為8.5，加熱煮沸，獲得溶膠基質(zhì)； (2) 大粒徑硅酸的制備 以水玻璃為原料，經(jīng)離子交換反應(yīng)制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸體積分 數(shù)的5%的十二甲基環(huán)五硅氧烷，使得活性硅酸進(jìn)一步聚集，制得粘度粒徑為30nm的硅酸，硅 酸pH為4; (3) 超大粒徑硅溶膠的制備 往步驟(1)的溶膠基質(zhì)中加入步驟(2)中硅酸，再加入四羥基銨，調(diào)節(jié)pH值為9.5,所述 娃酸的流量是1200g/min，加熱合成粒徑為180nm的娃溶膠。
[0031] 其中： 所述步驟(2)中的活性硅酸和聚合物交聯(lián)劑的體積比為100:5。
[0032]所述步驟(3)中的溶膠基質(zhì)、硅酸和堿溶液的體積比為5:94.7:0.3。
[0033] 所述步驟(3)的加熱溫度為98_100°C，時(shí)間為9小時(shí)。
[0034] 實(shí)施例4 (1) 溶Jj父基質(zhì)的制備： 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8-10%、粒徑為10-20nm的硅溶膠基質(zhì)溶液，加入體積分?jǐn)?shù)是硅溶膠基 質(zhì)溶液的1%十二醇硫酸鈉，調(diào)節(jié)pH值范圍為9.5，加熱煮沸，獲得溶膠基質(zhì)； (2) 大粒徑硅酸的制備 以水玻璃為原料，經(jīng)離子交換反應(yīng)制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸體積分 數(shù)的2%的十二甲基環(huán)五硅氧烷與3%四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷，使得活性硅酸進(jìn)一步聚 集，制得粘度粒徑為35nm的娃酸，娃酸pH為4; (3) 超大粒徑硅溶膠的制備 往步驟（1)的溶膠基質(zhì)中加入步驟（2)中硅酸，再加入氨水和四羥基銨，調(diào)節(jié)pH值為 9.5，所述娃酸的流量是1000g/min，加熱合成粒徑為220nm的娃溶膠。
[0035]其中： 所述步驟(2)中的活性硅酸和聚合物交聯(lián)劑的體積比為100:5。
[0036]所述步驟(3)中的溶膠基質(zhì)、硅酸和堿溶液的體積比為5:94.7:0.3。
[0037] 所述步驟(3)的加熱溫度為98_100°C，時(shí)間為10小時(shí)。
[0038] 將實(shí)施例1-3所述的硅溶膠與其它市售的硅溶膠的性能進(jìn)行對比，見表1 硅溶膠的性能對比
結(jié)論： (1)采用實(shí)施例1 -4的方法獲得的硅溶膠粒徑在105-220M1，尤其使用有機(jī)堿合成的硅 溶膠純度較高，穩(wěn)定性較好。
[0039] (2)硅溶膠的粘度越低，穩(wěn)定性越好。實(shí)施例1-4的粘度低，尤其是實(shí)施例3和實(shí)施 例4的粘度特別低，可見采用實(shí)施例3和4的方法獲得的硅溶膠的穩(wěn)定性好。
[0040] (3)實(shí)施例1-4的合成周期短，生產(chǎn)效率高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大粒徑硅溶膠的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟： (1) 溶Jj父基質(zhì)的制備： 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8-10%、粒徑為10-20nm的硅溶膠基質(zhì)溶液，加入體積分?jǐn)?shù)是硅溶膠基 質(zhì)溶液的〇. 1%_1%十二醇硫酸鈉，調(diào)節(jié)PH值范圍為8.5-10.5，加熱溫度為90-100°C，獲得溶 膠基質(zhì)； (2) 大粒徑硅酸的制備 以水玻璃為原料，經(jīng)離子交換反應(yīng)制得活性硅酸，向活性硅酸中加入活性硅酸體積分 數(shù)的0.05%-5%的聚合物交聯(lián)劑，制得粒徑為20-30nm的硅酸，硅酸pH為2-4; (3) 超大粒徑硅溶膠的制備 往步驟（1)的溶膠基質(zhì)中加入步驟(2)中硅酸，再加入堿溶液，調(diào)節(jié)pH值為9.5-10.5,所 述娃酸的流量是1000-5000g/min，加熱合成超大粒徑的娃溶膠。2. 如權(quán)利要求1所述的大粒徑硅溶膠的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的活性 硅酸和聚合物交聯(lián)劑的體積比為100:0.5-5。3. 如權(quán)利要求1所述的大粒徑硅溶膠的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)的聚合物 交聯(lián)劑為環(huán)狀硅烷、八甲基環(huán)四硅氧烷、四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷或十二甲基環(huán)五硅氧 烷中的至少一種。4. 如權(quán)利要求1所述的大粒徑硅溶膠的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中的溶膠 基質(zhì)、硅酸和堿溶液的體積比為5-9.7:90-94.7:0.3。5. 如權(quán)利要求4所述的大粒徑硅溶膠的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中的溶膠 基質(zhì)、硅酸和堿溶液的體積比為5:94.7:0.3。6. 如權(quán)利要求1所述的大粒徑硅溶膠的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的堿溶液 的流量為 1000_5000g/min。7. 如權(quán)利要求1所述的大粒徑硅溶膠的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的堿溶液 為硅酸鈉、氨水、乙胺、乙醇胺、二甲胺、三甲胺或四羥基銨中的一種或幾種。8. 如權(quán)利要求1所述的大粒徑硅溶膠的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的加熱溫 度為98-100°C，時(shí)間為2-10小時(shí)，合成粒徑為100-220nm。
【文檔編號】C01B33/14GK105883824SQ201610223903
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】楊訓(xùn)成, 范淵卿
【申請人】廣東惠和硅制品有限公司