简介概要

新型核-壳结构PS/CeO2和PS/SiO2复合磨料的制备及其抛光性能

来源期刊:中国有色金属学报2010年第8期

论文作者:陈杨 隆仁伟 陈志刚 陈爱莲

文章页码:1612 - 1617

关键词:PS/CeO2复合磨料;PS/SiO2复合磨料;核-壳结构;包覆;化学机械抛光

Key words:PS/CeO2 composite abrasives; PS/SiO2 composite abrasives; core-shell structure; coating; chemical mechanical polishing

摘    要:以聚苯乙烯(PS)微球为内核,采用液相法制备具有核壳结构的PS/CeO2和PS/SiO2复合颗粒。利用X射线衍射仪、透射电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、傅里叶转换红外光谱仪和热重分析仪等对所制备样品的物相结构、形貌和粒径等进行表征。将所制备的复合磨料用于硅晶片表面二氧化硅介质层的化学机械抛光,采用原子力显微镜观察抛光表面的微观形貌,并测量表面粗糙度。结果表明:所制备的PS/CeO2和PS/SiO2复合颗粒呈近球形,粒径为250~300 nm,且具有核壳包覆结构,包覆层的厚度为10~20 nm;硅晶片表面二氧化硅介质层经PS/CeO2和PS/SiO2复合颗粒抛光后,表面无划痕,且非常平整,在5 μm×5 μm范围内,粗糙度均方根值(RMS)分别为0.238 nm和0.254 nm。

Abstract: The PS/CeO2 and PS/SiO2 composites with core-shell structure were prepared by chemical precipitation method using polystyrene (PS) as core and ceria (silica) nanoparticles as shell. The phases structures, morphologies and particle size of PS/CeO2 and PS/SiO2 composite particles were analyzed by X-ray diffractometry (XRD), transmission electron microscopy (TEM), field emission scanning electron microscopy (FESEM), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and thermogravimetric analysis (TGA). The thermal oxide film covered silicon wafer was chemical mechanical polished (CMP) by composite abrasives, and the polishing behavior of the novel composite abrasives was characterized by atomic force microscope (AFM). The results indicate that PS/CeO2 and PS/SiO2 composite particles with core-shell morphology are obtained successfully, the particles size is 250~300 nm and PS microspheres are uniformly coated by CeO2 or SiO2. AFM 2D-morphologies show that the polished surface becomes smooth and micro-scratch can hardly be observed. The root-mean-square roughness values within area of 5 μm×5 μm is 0.238 nm and 0.254 nm, respectively after thermal oxide film surface polished with PS/CeO2 and PS/SiO2 composite abrasives.

基金信息:江苏省工业支撑计划资助项目



详情信息展示

文章编号:1004-0609(2010)08-1612-06

新型核-壳结构PS/CeO2和PS/SiO2复合磨料的制备

及其抛光性能

陈  杨1,隆仁伟1,陈志刚2,陈爱莲3

(1. 江苏工业学院 材料科学与工程学院,常州 213164;

2. 苏州科技学院,苏州 215011;3. 江苏工业学院 机械与能源学院,常州 213164)

摘  要:以聚苯乙烯(PS)微球为内核,采用液相法制备具有核壳结构的PS/CeO2和PS/SiO2复合颗粒。利用X射线衍射仪、透射电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、傅里叶转换红外光谱仪和热重分析仪等对所制备样品的物相结构、形貌和粒径等进行表征。将所制备的复合磨料用于硅晶片表面二氧化硅介质层的化学机械抛光,采用原子力显微镜观察抛光表面的微观形貌,并测量表面粗糙度。结果表明:所制备的PS/CeO2和PS/SiO2复合颗粒呈近球形,粒径为250~300 nm,且具有核壳包覆结构,包覆层的厚度为10~20 nm;硅晶片表面二氧化硅介质层经PS/CeO2和PS/SiO2复合颗粒抛光后,表面无划痕,且非常平整,在5 μm×5 μm范围内,粗糙度均方根值(RMS)分别为0.238 nm和0.254 nm。

关键词:PS/CeO2复合磨料;PS/SiO2复合磨料;核-壳结构;包覆;化学机械抛光

中图分类号:TB383       文献标志码:A

Preparation and polishing performance of polystyrene-ceria and polystyrene-silica composite with novel core-shell structure

CHEN Yang1, LONG Ren-wei1, CHEN Zhi-gang2, CHEN Ai-lian3

(1. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu Polytechnic University, Changzhou 213164, China;

2. Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China;

3. School of Mechanical and Energy Engineering, Jiangsu Polytechnic University, Changzhou 213164, China)

Abstract: The PS/CeO2 and PS/SiO2 composites with core-shell structure were prepared by chemical precipitation method using polystyrene (PS) as core and ceria (silica) nanoparticles as shell. The phases structures, morphologies and particle size of PS/CeO2 and PS/SiO2 composite particles were analyzed by X-ray diffractometry (XRD), transmission electron microscopy (TEM), field emission scanning electron microscopy (FESEM), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and thermogravimetric analysis (TGA). The thermal oxide film covered silicon wafer was chemical mechanical polished (CMP) by composite abrasives, and the polishing behavior of the novel composite abrasives was characterized by atomic force microscope (AFM). The results indicate that PS/CeO2 and PS/SiO2 composite particles with core-shell morphology are obtained successfully, the particles size is 250~300 nm and PS microspheres are uniformly coated by CeO2 or SiO2. AFM 2D-morphologies show that the polished surface becomes smooth and micro-scratch can hardly be observed. The root-mean-square roughness values within area of 5 μm×5 μm is 0.238 nm and 0.254 nm, respectively after thermal oxide film surface polished with PS/CeO2 and PS/SiO2 composite abrasives.

Key words: PS/CeO2 composite abrasives; PS/SiO2 composite abrasives; core-shell structure; coating; chemical mechanical polishing

化学机械抛光/平坦化(Chemical-mechanical polishing,CMP)是超大规模集成电路制造工艺中的关键技术之一,抛光浆料中磨料的自身特性(磨料的种类、形貌、粒径和粒径分布、力学性质以及表面性质等)对抛光表面的质量(粗糙度、平整度以及缺陷的种类和数量等)和材料去除率有着至关重要的影响[1],传统的CMP磨料包括氧化硅、氧化铝和氧化铈等超细无机颗粒。

目前,有机-无机磨料的开发已经成为CMP相关技术领域中的一个研究热点,通过对纳米粒子的结构、形貌以及物理和/或化学性质进行微观设计,制备不同种类、硬度以及物理和/或化学性质的复合磨料,希望能进一步提高抛光表面质量。ARMINI等[2-8]制备以聚甲基丙烯酸酯微球为内核,表面包覆SiO2或CeO2的复合磨料,用于氧化物和铜的化学机械抛光,获得了良好的抛光效果,并将此归因于该核壳结构复合磨料所特有的弹簧状(Spinglike)结构?COUTINHO等[9]则制备了以聚N-异丙基丙烯酰胺为核,表面包覆纳米CeO2颗粒的复合磨料,并应用于氧化物化学机械抛光。此外,LEI等[10]还在Al2O3磨料表面接枝聚丙烯酰胺,通过表面改性的方法降低其硬度,使得数字光盘玻璃基片抛光表面质量得到改善。

为了研究氧化铈和氧化硅包覆聚苯乙烯纳米复合磨料,以聚苯乙烯微球为内核,采用液相法制备具有核壳结构的包覆型CeO2/PS和CeO2/PS纳米复合磨料,使用XRD、FESEM、TEM、FTIR和TGA等手段对样品进行表征;并将所制备的复合磨料配制成抛光浆料,考察其对二氧化硅介质层的化学机械抛光性能。

1  实验

1.1  化学试剂

苯乙烯(St),工业级,首先用5%NaOH水溶液洗涤数次除去阻聚剂,并用无水CaCl2干燥,再经减压蒸馏处理后置于冰箱中低温保存备用。二乙烯基苯、过硫酸钾、甲基丙烯酸、六水硝酸亚铈、六亚甲基四胺、正硅酸乙酯、氨水、无水乙醇等均购自上海      国药集团化学试剂有限公司,未作任何处理直接    使用。

1.2  聚苯乙烯(PS)微球的制备

将90 mL蒸馏水、20 mL苯乙烯(St)、1 mL二乙烯基苯和1 mL甲基丙烯酸依次加入到500 mL三口烧瓶(带有冷凝管和机械搅拌装置)中,搅拌均匀后置于105 ℃恒温油浴中加热至沸腾,5 min后加入引发剂过硫酸钾0.25 g(溶于10 mL蒸馏水中),反应2 h后即可得到牛奶状聚苯乙烯乳胶液。

1.3  PS/CeO2复合颗粒的制备

量取按上述工艺所制备的聚苯乙烯乳胶液2 mL加入到350 mL蒸馏水中,超声强化分散15 min后加入2 g六水硝酸亚铈,搅拌均匀后再加入50 mL一定浓度的六亚甲基四胺水溶液,控制整个反应溶液中六水硝酸亚铈和六亚甲基四胺的浓度比为1?5。将配制的反应液在电磁搅拌的条件下于75 ℃下反应2 h,将沉淀物离心分离、洗涤(蒸馏水洗2遍、无水乙醇洗1遍,下同),再置于80 ℃鼓风干燥箱中烘干,研磨后即可得到PS/CeO2复合颗粒。

1.4  PS/SiO2复合颗粒的制备

称取聚苯乙烯乳胶液2 g加入到50 g无水乙醇水中,超声强化分散15 min后依次加入3 g蒸馏水、3 g正硅酸乙酯和1 mL氨水,搅拌均匀后将反应液置于30 ℃下反应6 h,将沉淀物离心分离、洗涤,再置于80 ℃鼓风干燥箱中烘干,研磨后即可得到白色的PS/CeO2复合颗粒。

1.5  样品的表征

采用Rigaku X-III射线衍射仪(X-ray diffracometer,XRD)分析样品的物相结构,扫描角度范围为20?~80?;用Philips公司Tecnai-12型透射电镜(Transmission electron microscope,TEM)测定样品的微观形貌、壳层的厚度;采用Hitachi公司S-4800Ⅱ型场发射扫描电镜(Field emission scanning electron microscope,FESEM)观察样品的粒径大小、表面形貌和团聚情况;采用UV-3101型傅里叶转换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)对样品的红外吸收进行测试。样品的热分析(Thermogravimetric analysis,TGA)通过美国TA公司SDT Q600型热重分析仪测定。

1.6  抛光试验

有色金属在线官网  |   会议  |   在线投稿  |   购买纸书  |   科技图书馆

中南大学出版社 主办 版权声明   电话:0731-88830515 88830516   传真:0731-88710482   Email:administrator@cnnmol.com

互联网出版许可证:新出网证(湘)字005号   湘ICP备09001153号