CN100351179C - 单分散球形氧化铈的制备方法及其在高精密抛光中的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超细粉体制备及其应用领域，其制备方法为称取一定量的铈盐和尿素分别溶于蒸馏水中，将两种溶液混合并用电动搅拌器搅拌均匀。其中Ce3+相对于总溶液的浓度范围为0.005～0.1mol/l，尿素与铈盐摩尔比在10∶1～100∶1之间，混合溶液密封好后在70℃～90℃的温度下加热1～3h，取出冷却静置，在室温下陈化0.5～12小时，过滤，沉淀物经洗涤后，进行干燥，再在200℃～800℃煅烧0.5～3h，得到CeO2粉体。取制得的粉体配制成抛光液，采用抛光机对硅晶片进行抛光。由于制得的颗粒形貌为球形，且粒度相当小(在亚微米级)，对表面质量要求相当高的硅晶片抛光具有出较大的优越性，表现为有尽可能小的表层和亚表层损伤、表面残余应力极小，且晶体表面具有完整的晶体结构。
Description
技术领域
本发明涉及超细粉体制备及其应用领域，特指单分散球形氧化铈的制备方法及其在高精密抛光中的用途。
背景技术
CeO2作为抛光料的使用已经有了很长的历史，被广泛应用于精密玻璃抛光和超大规模集成电路二氧化硅介质层的化学机械抛光，相比于Al2O3磨料和SiO2磨料而言，CeO2磨料具有抛光表面粗糙度低、抛光效率高等优点。在高精密抛光中，粉体的粒度、形貌及其分布均匀性起了主要的作用，颗粒越细，越近球形，分布越均匀，则抛光效果越好。同时超细粉体制备技术经过多年的发展，在制备高纯超细、高活性粉体方面取得了长足进展，已日趋成熟。随着科技的发展，目前超细粉体技术已开始超着形貌和粒径分布可控性的方向发展，但是超细粉体的形貌和粒径分布控制在理论上和技术上还存在困难，有关亚微米级球形稀土氧化物CeO2的制备方法目前还未见报道。
发明内容
本发明以铈盐和尿素为原料，采用均匀沉淀法工艺进行合成，通过优化铈盐浓度，尿素与铈盐的摩尔比例，反应、煅烧条件等工艺参数来控制CeO2粉体的形貌及粒度分布，从而得到单分散性好、粒度在亚微米级的氧化铈粉体颗粒，并将其配置成抛光液用于硅单晶片的化学机械抛光，得到了粗糙度极低的超光滑表面。
本发明具体工艺过程是：称取一定量的铈盐和尿素分别溶于蒸馏水中，将两种溶液混合并用电动搅拌器搅拌均匀。其中Ce3+相对于总溶液的浓度范围为0.005～0.1mol/l，尿素与铈盐摩尔比在10∶1～100∶1之间，混合溶液密封好后在70℃～90℃的温度下加热1～3h，取出冷却静置，在室温下陈化0.5～12小时，过滤，沉淀物经洗涤后，进行干燥，再在200℃～800℃煅烧0.5～3h，得到CeO2粉体。
铈盐为硝酸铈、硫酸铈、碳酸铈中任一种。
所述Ce3+相对于总溶液的浓度范围在0.01～0.08md/l之间，尿素与铈盐摩尔比在20∶1～80∶1之间效果较好。
取制得的粉体配制成抛光液，控制质量百分比浓度在1wt％～3wt％之间，用氨水将抛光液PH值调至9～11，采用抛光机对硅晶片进行抛光。
本发明采用了较为简单的化学工艺制备出了单分散性相当好的氧化铈粉体，无需复杂的设备，所需化学原料种类少，可重复性好，有较大的工业推广价值，同时由于其颗粒形貌为球形，且粒度相当小(在亚微米级)，对表面质量要求相当高的硅晶片抛光具有比较大的优越性，表现为有尽可能小的表层和亚表层损伤、表面残余应力极小，且晶体表面具有完整的晶体结构。
附图说明
图1为1um标尺范围内的扫描电镜图
图2为0.5um标尺范围内的扫描电镜图
图3为抛光后二维表面图
图4为三维立体图
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
实施例1：各配置Ce(NO3)3与尿素溶液500ml，其中[Ce3+]＝0.04mol/l，尿素与硝酸铈摩尔比为40∶1，将两种溶液混合并搅拌均匀，放入85℃恒温水浴中加热2h，取出冷却静置，室温下陈化2h，沉淀物用蒸馏水洗涤3遍，无水乙醇洗涤1遍，放入烘箱中烘干，再放入600℃煅烧炉中煅烧2h，冷却后对粉体进行充分的研磨。取一定粉体配置成100ml的溶液，溶质质量浓度为1wt％，加氨水调节PH值至9，在一定抛光压力(2N)、转速(200rmp)和时间(25min)下，使用美国Buehler PHOENIX BETA型抛光机对硅晶片进行抛光。抛光完后对硅晶片表面进行清洗，取一小片在原子力显微镜下进行观测。
按实施例1的工艺参数制得的CeO2粉体样品的扫描电镜图如图1、图2所示，其中图1为1um标尺范围内的SEM图，图2为0.5um标尺范围内的SEM图。从中可以看出，颗粒粒径分布十分均匀，呈规则的球形，平均粒径在300nm左右。
硅晶片抛光后表面原子力显微图如图3、图4。其中图3为抛光后二维表面图，图4为三维立体图。测试结果表明表面2μm范围内表面粗糙度Ra值为0.204nm，粗糙度均方值RMS值为0.308nm。
实施例2：改变溶液参数[Ce3+]为0.01mol/l，尿素与硝酸铈摩尔比为15∶1，在70℃水浴中加热3h，陈化0.5h，在200℃下煅烧3h。取适量粉体配置成溶液，溶质质量浓度为1.5wt％，加氨水调节PH值至10，后续抛光工艺如实施例1。
实施例3：铈盐为硫酸铈，改变溶液参数[Ce3+]为0.1mol/l，尿素与硫酸铈摩尔比为60∶1，在80℃水浴中加热2.5h，陈化8h，在400℃下煅烧2.5h。取适量粉体配置成溶液，溶质质量浓度为2wt％，加氨水调节PH值至10.5，后续抛光工艺同上。
实施例4：铈盐为碳酸铈，改变溶液参数[Ce3+]为0.2mol/l，尿素与碳酸铈摩尔比为100∶1，在90℃水浴中加热1h，陈化12h，在800℃下煅烧0.5h。取适量粉体配置成溶液，溶质质量浓度为3wt％，加氨水调节PH值至11，后续抛光工艺同上。
Claims (5)
1.单分散球形氧化铈的制备方法，其特征在于称取一定量的铈盐和尿素分别溶于蒸馏水中，将两种溶液混合并用电动搅拌器搅拌均匀，其中Ce3+相对于总溶液的浓度范围为0.005～0.1mol/l，尿素与铈盐摩尔比在10∶1～100∶1之间，混合溶液密封好后在70℃～90℃的温度下加热1～3h，取出冷却静置，在室温下陈化0.5～12小时，过滤，沉淀物经洗涤后，进行干燥，再在200℃～800℃煅烧0.5～3h，得到CeO2粉体。
2.根据权利要求1所述的单分散球形氧化铈的制备方法，其特征在于：铈盐为硝酸铈、硫酸铈、碳酸铈中任一种。
3.根据权利要求1所述的单分散球形氧化铈的制备方法，其特征在于：所述Ce3+相对于总溶液的浓度范围在0.01～0.08md/l之间。
4.根据权利要求1所述的单分散球形氧化铈的制备方法，其特征在于：尿素与铈盐摩尔比在20∶1～80∶1之间。
5.单分散球形氧化铈在高精密抛光中的用途，其特征在于取权利要求l制得的粉体配制成抛光液，控制质量百分比浓度在1wt％～3wt％之间，用氨水将抛光液pH值调至9～11，采用抛光机对硅晶片进行抛光。
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