CN116964003A - 氧化铈粒子、其制造方法及其在化学机械研磨中的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及粗糙度指数RI至少为5的氧化铈粒子、其制造方法、以及其在化学机械研磨应用中的用途。
Description
技术领域
本发明涉及氧化铈粒子及其作为用于研磨的组合物、特别是化学机械研磨(CMP)组合物的组分的用途。本发明还涉及制备这些氧化铈粒子的方法。
更具体地,本发明提供氧化铈粒子,这些粒子应用于化学机械研磨组合物中时具有良好的研磨特性;以及简单、经济且易于在工业规模上实施的此类粒子的制备方法。
背景技术
二氧化铈常用于研磨应用。电子工业的发展要求渐增地相当大量的使用用于研磨多种部件(如磁盘或电介质化合物)的组合物。这些通常以分散体形式商业化的组合物必须展现出一定数量的特征。例如,它们必须提供材料的高度去除,这反映了它们的研磨能力。它们还必须具有尽可能低的缺陷性(defectuosity);术语“缺陷性”旨在具体意指一旦用该组合物处理后的基底展现出的划痕的数量。出于稳定性和易于使用的原因,这些分散体通常包含亚微米尺寸(即总体上小于300nm)的粒子。此外,太细的粒子在这些分散体中的存在降低了它们的研磨能力,并且太大的粒子可能造成缺陷性的增加。
因此,现有技术中已知几种专门用于化学机械研磨应用的氧化铈粒子。
WO 2015/197656披露了掺杂金属的氧化铈粒子。
WO 08043703披露了氧化铈粒子在液相中的悬浮液,所述粒子是具有至多200nm的平均尺寸的二次粒子,并且所述二次粒子包含平均尺寸为至多100nm的一次粒子,其中标准偏差为所述一次粒子的所述平均尺寸值的至多30%。
WO 2015/091495披露了铈氧化物粒子在液相中的悬浮液,其中所述粒子包括含有一次粒子的二次粒子,其中所述二次粒子具有包括在105与1000nm之间的平均尺寸D50,其中标准偏差包括在所述二次粒子的所述平均尺寸的值的10%与50%之间;并且所述一次粒子具有包括在100与300nm之间的平均尺寸D50,其中标准偏差包括在所述一次粒子的所述平均尺寸值的10%与30%之间。
我们相信,在提供在化学机械研磨中表现出改进性能的新的氧化铈粒子以及简单、经济且易于在工业规模上实施的此类粒子的制备方法方面,仍有改进的空间。
发明内容
申请人精制了能够解决上述问题的新的氧化铈粒子。
因此,本发明的一个主题是氧化铈粒子,这些氧化铈粒子展现出至少为5、特别地范围从5至20、特别地范围从6至17的粗糙度指数(RI)。更特别地,粒子的粗糙度指数是通过下式定义的:
其中“TEM尺寸”表示在透射电子显微镜(TEM)图像上测量的粒子的平均尺寸。优选地,为了得到此平均尺寸,在透射电子显微镜图像上测量至少80个粒子。
“SSA尺寸”表示由粒子的BET(Brunauer、Emmett和Teller)比表面积测定的粒子的理论平均尺寸。更特别地,其可以根据下式计算:
其中SSA表示这些粒子的BET比表面积,并且ρ表示氧化铈(IV)的密度且其等于7.22g/cm3。更特别地,BET比表面积可以通过氮气吸附来测定。
据本发明人所知,本发明粒子达到的粗糙度指数高于现有技术的氧化铈粒子。据信,当此类粒子作为磨料粒子用于化学机械研磨组合物或方法中时,有助于实现更高的研磨效率。
本发明还涉及一种用于制造本发明的氧化铈粒子的方法,该方法至少包括以下步骤:
(a)在惰性气氛下,使(i)碱的水溶液、(ii)包含NO3 -、CeIII、可选地CeIV的水溶液、以及(iii)有机酸或其盐接触以获得混合物,其中该有机酸是取代或未取代的C1-C20-烷基、-烯基或-炔基羧酸;
(b)使在步骤(a)中获得的该混合物经受热处理;
(c)可选地酸化在步骤(b)中获得的该混合物;
(d)可选地用水洗涤在步骤(b)或(c)结束时获得的固体材料;
(e)可选地使在步骤(d)结束时获得的该固体材料经受机械处理以使这些粒子解附聚。
有利地,此方法使得能够以简单的方式制备本发明的氧化铈粒子。
本发明还涉及通过上述方法可获得的或获得的氧化铈粒子、本发明的氧化铈粒子在液体介质中的分散体、所述分散体或本发明的粒子制备化学机械研磨组合物的用途、包含所述分散体或所述粒子的化学机械研磨组合物、其中所述化学机械研磨组合物被用于除去基底的一部分的研磨方法、以及包含由此研磨的基底的半导体。
附图说明
图1至4是通过透射电子显微镜观察到的本发明的粒子的图像。
图5是通过透射电子显微镜观察到的现有技术的氧化铈粒子的图像。
这些图片是用在120kV下操作的JEM-1400(日本电子株式会社(JEOL))设备获得的。
具体实施方式
在本披露中,表述“包括在…与…之间”等应理解为包括极限值。
与本发明的粒子有关的术语“氧化铈”意指氧化铈(IV),也称为二氧化铈。氧化铈总体上具有相对于氧化物的重量按重量计至少99.8%的纯度。氧化铈总体上是结晶二氧化铈。氧化物中可能存在除铈以外的某些杂质。这些杂质可能来源于在制备氧化铈的方法中使用的原料或起始材料。这些杂质的总比例总体上是相对于氧化铈按重量计低于0.2%。在本申请中,残余的硝酸盐不被视为杂质。
与本发明中的氧化铈粒子的分散体有关的表述“分散体”表示一种由稳定地分散在液体介质中的亚微米尺寸的固体细氧化铈粒子组成的体系,所述粒子有可能还可选地含有残留量的结合的或吸附的离子,例如像硝酸根或铵根。
现在将根据本发明的不同实施例更详细地描述本发明。
如前面所解释的,本发明的一个主题是氧化铈粒子,其展现出至少为5的粗糙度指数(RI)。更特别地,本发明的粒子的粗糙度指数可以在从5至20、特别地从6至17、更特别地从7至14的范围内。
粒子的粗糙度指数(RI)是通过下式定义的:
其中“TEM尺寸”表示在透射电子显微镜图像上测量的这些粒子的平均尺寸,并且“SSA尺寸”表示由粒子的BET(Brunauer、Emmett和Teller)比表面积测定的这些粒子的理论平均尺寸。特别地,SSA尺寸可以根据下式计算:
其中SSA表示这些粒子的BET比表面积,并且ρ表示氧化铈(IV)的密度且其等于7.22g/cm3。特别地,SSA尺寸可以通过氮气吸附测定。
TEM尺寸是粒子的有效平均尺寸。优选地在大量的粒子上进行测量,例如至少80个、优选至少90个、更优选至少100个,以获得统计分析。测量通常是在氧化铈粒子的相同样品的一张或多张照片上完成的。保留的粒子优选地是使得它们的图像在一张或多张照片上是清晰可见的。根据稍后将详述的一个实施例,呈球形形状的粒子的数目优选地对应于粒子的至少80.0%、更特别地至少90.0%、甚至更特别地至少95.0%。
可以通过布鲁诺-埃梅特-特勒(Brunauer-Emmett-Teller)法(BET法)通过氮气吸附在氧化铈粒子的粉末上测定比表面积(SSA)。该方法披露于标准ASTM D 3663-03(2015年重新批准)中。该方法也在期刊“The Journal of the American Chemical Society[美国化学会会志],60,309(1938)”中进行了描述。根据构造器的指南,可以使用麦克默瑞提克公司(Micromeritics)的装置TriStar 3000自动地测定比表面积。在测量之前,将呈粉末形式的样品在静态空气下通过在至多210℃的温度下加热来脱气以除去吸附的物质。
BET比表面积的测定能够根据以上给出的公式计算SSA尺寸:对于给定的SSA,该公式给出了氧化铈(IV)粒子的理论尺寸,假设粒子是球形的。因此,TEM尺寸/SSA尺寸的比率是粒子粗糙度的指标:该比率越高,粒子的粗糙度越高。据信,当具有增加的粗糙度指数的氧化铈粒子用于研磨方法如化学机械研磨中时,其具有提高的效率。
根据一个优选实施例,本发明的氧化铈粒子呈球形形状。据本发明人所知,与常规的氧化铈粒子(即非球形的且不展现所需的粗糙度指数)相比,粒子的特定粗糙度指数和其特定的球形形态的组合有助于在使用其的化学机械研磨中获得增强的结果。
本发明的呈球形形状的氧化铈粒子可以展现出在0.8与1.0之间、更特别地在0.85与1.0之间、甚至更特别地在0.90与1.0之间的球度比SR。SR可以优选地在0.90与1.0之间、或在0.95与1.0之间。使用以下等式从所测量的粒子投影的周长P和面积A计算粒子的球度比:
对于理想的球体,SR为1.0,并且对于球形粒子其低于1.0。
球度比通常通过动态图像分析(DIA)测定。可用于进行DIA的设备的实例是莱驰公司(Retsch)的P4或新帕泰克公司(Sympatec)的/>
可以更特别地根据ISO 13322-2(2006)测量球度比。DIA通常要求对大量粒子进行有统计意义的分析(例如至少80个)。
根据一个实施例,本发明的氧化铈粒子可以展现出大于或等于30nm的平均尺寸。通常,粒度大于或等于70nm。本发明的氧化铈粒子可以展现出小于或等于500nm的平均尺寸。通常,粒度小于或等于300nm、特别地小于或等于150nm。在一个方面,本发明的氧化铈粒子可以展现出包括在140与300nm之间、特别地在145与270nm之间、更特别地在150与250nm之间、甚至更特别地在155与240nm之间的平均尺寸。平均尺寸优选地由TEM图像测量。测量优选地在至少80个粒子上进行。
根据一个实施例,本发明的氧化铈粒子可以展现出包括在30与100m2/g之间、更特别地在32与80m2/g之间、更特别地在35与70m2/g之间、甚至更特别地在36与60m2/g之间的比表面积。如前面所解释的,通过布鲁诺-埃梅特-特勒法(BET法)通过氮气吸附在粉末上测定比表面积。
在具体方面,比表面积是从15至100m2/g、更特别地在20与40m2/g之间,
在另一方面,本发明涉及氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子是球形的,展现出至少2、特别地至少3.5的粗糙度指数RI,其中RI由下式定义:
其中“TEM尺寸”表示在透射电子显微镜图像上测量的粒子的平均尺寸并且“SSA尺寸”表示根据下式的粒子的理论平均尺寸:
其中SSA表示通过氮气吸附测定的粒子的BET比表面积,并且ρ表示氧化铈(IV)的密度且其等于7.22g/cm3,并且所述粒子展现出范围从0.001wt%至5wt%、特别地从0.1wt%至2.5wt%的碳重量比率。
在具体实施例中,该方面的粗糙度指数RI低于5。
据本发明人所知,根据该方面的氧化铈粒子中的碳重量比有助于氧化铈粒子与通常用于化学机械研磨应用的分散体和研磨组合物的其他组分的相容性。
该方面的球形形状、粒度和比表面积的表征如上所述。
根据一个实施例,本发明的氧化铈粒子可以展现出范围从0.001wt%至5wt%、特别地从0.1wt%至2.5wt%的碳重量比率。碳痕量可以是用于制备粒子的合成方法的足迹,这需要特定的有机酸。元素碳的剂量可以使用碳和硫分析仪如Horiba EMIA 320-V2进行。
本发明还涉及一种用于制造本发明的氧化铈粒子的方法,该方法至少包括以下步骤:
(a)在惰性气氛下,使(i)碱的水溶液、(ii)包含NO3 -、CeIII、可选地CeIV的水溶液、以及(iii)有机酸或其盐接触以获得混合物,其中该有机酸是取代或未取代的C1-C20-烷基、-烯基或-炔基羧酸;
(b)使在步骤(a)中获得的该混合物经受热处理;
(c)可选地酸化在步骤(b)中获得的该混合物;
(d)可选地用水洗涤在步骤(b)或(c)结束时获得的固体材料;
(e)可选地使在步骤(d)结束时获得的该固体材料经受机械处理以使这些粒子解附聚。
有利的是使用高纯度的盐和成分。这些盐的纯度可以是至少99.5wt%、更特别地至少99.9wt%。
在步骤(a)中使用碱的水溶液(i)。氢氧化物类型的产品可以特别用作碱。可以提及的是碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物和氨水。还可以使用仲胺、叔胺或季胺。碱的水溶液还可以通过使用惰性气体鼓泡来预先脱气。
步骤(a)中使用的碱的量(以摩尔比碱/总Ce表示)优选地包括在4与10之间、优选地在5与8之间。
在步骤(a)中使用包含NO3 -、CeIII、和可选地CeIV的水溶液(ii)。硝酸盐或铈可以特别地用于制备溶液。如果CeIV存在于水溶液中,则CeIV/总Ce摩尔比优选地包括在1/500000与1/4000之间。此摩尔比可以尤其在1/6000与1/4000之间。可以使用实例中使用的CeIV/总Ce摩尔比。
通过硝酸与水合氧化铈的反应获得的硝酸铈水溶液可以用于制备方法中。氧化铈常规地通过在过氧化氢水溶液存在下使铈盐溶液和氨水溶液反应以将CeIII阳离子转化为CeIV阳离子来制备。还特别有利的是使用根据FR 2570087中披露的硝酸铈溶液的电解氧化方法获得的硝酸铈溶液。根据FR 2570087的传授内容获得的硝酸铈溶液可以表现出约0.6N的酸度。
CeIV可以由盐提供(如果步骤(a)中存在),该盐可以是硝酸铈IV或硝酸铈铵。
步骤(a)中使用的水溶液中硝酸根离子的量(以NO3 -/CeIII摩尔比表示)通常在1/3与5/1之间。步骤(a)中使用的水溶液的酸度优选地包括在0.8N与12.0N之间。
在步骤(a)中使用特定的有机酸(iii),其是取代或未取代的C1-C20-烷基、-烯基或-炔基羧酸或其盐。-烷基、-烯基或-炔基的链的长度可以更特别地在C1-C12、C1-C6或甚至在C1-C3。有机酸优选地是-烷基或-烯基羧酸、更优选地是-烷基羧酸。
根据一个实施例,有机酸是取代的。取代基的实例包括卤素、低级烷基(即具有少于六个碳原子的烷基)、芳基、烷氧基、羟基、氨基、烷基氨基、芳基氨基、烷基亚磺酰基、烷基磺酰基、芳基亚磺酰基和芳基磺酰基。优选的取代基为低级烷基,并且更特别地是C1-C3烷基,尤其是甲基。一个或多个取代基可以存在于-烷基、-烯基或-炔基中,特别是一个或多个C1-C3烷基,尤其是一个或多个甲基。优选地,有机酸是被至少一个C1-C3烷基取代的C1-C6烷基羧酸、更优选被至少一个C1-C2烷基取代的C1-C3烷基羧酸、更优选被至少一个甲基取代的C1-C3烷基羧酸、甚至更优选特戊酸。
根据另一个替代实施例,有机溶剂是未取代的。在这种情况下,有机酸优选地是未取代的C1-C20烷基羧酸、更优选未取代的C1-C12烷基羧酸、更优选未取代的C1-C6烷基羧酸、更优选未取代的C1-C3烷基羧酸、甚至更优选丙酸。
在又另一个实施例中,有机酸是二羧酸,例如C2-C8二羧酸,如丙二酸、琥珀酸和优选地己二酸。如上文所述,二羧酸可以是取代的,或者特别地是未取代的。
作为上述有机酸的合适的盐,可以提及铵盐。
根据一个实施例,有机酸呈水溶液的形式。水溶液中有机酸的浓度的可以在例如从1至20wt%、特别地从2至10wt%、更特别地从3至7wt%的范围内。根据另一个实施例,使用纯的(即未稀释的)的有机酸。
在步骤(a)中接触以形成混合物的成分(i)、(ii)和(iii)可以以任何顺序接触。尤其根据一个实施例,使碱的水溶液(i)和有机酸(iii)相互接触,并且使所得混合物与含有一种或多种硝酸铈的水溶液(ii)接触。在此情况下,由于碱溶液(i)已经是水溶液的形式,则可以使用纯的(即未稀释的)有机酸(iii)。(i)和(iii)的混合物与(ii)的接触可以包括将(ii)添加到所述混合物中,优选地在搅拌和/或惰性气体鼓泡下。
根据替代实施例,使含有一种或多种硝酸铈的水溶液(ii)与碱的水溶液(i)相互接触,并且使所得混合物与有机酸(iii)接触。在此情况下,有机酸(iii)可以以其水溶液的形式使用。(ii)和(i)的接触可以包括将(ii)添加到(i)中,优选地在搅拌和/或惰性气体鼓泡下。
有机酸(iii)可以在相对于步骤(a)中获得的混合物的总体积范围从1至245mmol/L、特别地从2至150mmol/L、更特别地从5至100mmol/L、更特别地从5至50mmol/L的浓度下使用。此范围特别适合于形成轮廓分明的粒子。
应仔细控制并最小化混合物中的游离氧的量。为此,可以通过用惰性气体鼓泡来对使用的成分(i)、(ii)和(iii)和/或所得混合物中的一种或多种进行脱气。术语“惰性气体”或“惰性气氛”旨在意指不含氧气的气氛或气体,该气体有可能是,例如,氮气或氩气。
步骤(a)包括使成分(i)、(ii)和(iii)反应。步骤(a)优选地在惰性气氛下进行,尤其是在封闭的反应器中或者在半封闭的反应器中使用惰性气体清扫。接触通常是在搅拌式反应器中进行。
步骤(a)通常在包括在5℃与50℃之间的温度下进行。此温度可以是20℃-25℃。
步骤(b)是热处理在前一步骤结束时获得的反应介质。它可以包括(i)加热子步骤和(ii)老化子步骤。
加热子步骤(i)可以包括在通常包括在75℃与95℃之间、更特别地在80℃与90℃之间的温度下加热该介质。
老化子步骤(ii)可以包括将该介质维持在包括在75℃与95℃之间、更特别地在80℃与90℃之间的温度下。该老化子步骤(ii)的持续时间在2小时至20小时之间。根据经验,老化步骤的温度越高,老化子步骤的持续时间越短。例如,当老化子步骤的温度在85℃与90℃之间(例如88℃)时,老化子步骤的持续时间可以是在2小时与15小时之间、更特别地在4小时与15小时之间。当老化子步骤的温度在75℃与85℃之间(例如80℃)时,老化子步骤的持续时间可以是在15小时与30小时之间。
在步骤(b)期间,发生CeIII至CeIV的氧化。此步骤也可以在惰性气氛下进行,对于步骤(a)关于此气氛的描述同样在此适用。类似地该热处理可以在搅拌式反应器中进行。
在步骤(c)中,可以可选地将在步骤(b)结束时获得的混合物酸化。此步骤(c)可以通过使用硝酸来进行。该反应混合物可以通过HNO3酸化至低于3.0、更特别地包括在1.5与2.5之间的pH。
在步骤(d)中,用水、优选去离子水洗涤在步骤(b)或步骤(c)结束时获得的固体材料。此操作使得可以减少分散体中的残余硝酸盐的量并获得目标电导率。此步骤可以通过从混合物中过滤固体并将该固体再分散于水中来进行。必要时可以进行多次过滤和再分散。
在步骤(e)中,可以使在步骤(d)结束时获得的固体材料经受机械处理以使这些粒子解附聚。该步骤可以通过双喷射处理或超声解附聚来进行。此步骤通常导致尖锐的粒度分布并减少大的附聚粒子的数量。根据实施例,氧化铈粒子经受了解附聚机械处理。根据另一个实施例,氧化铈粒子未经受解附聚机械处理。
在步骤(e)之后,可以对固体材料进行干燥以获得呈粉末形式的氧化铈粒子。在步骤(e)之后,还可以添加水或水与可混溶液体有机化合物的混合物以获得氧化铈粒子在液体介质中的分散体。
本发明的另一个目的是通过上文描述的方法可获得的或获得的氧化铈粒子。
本发明还涉及一种氧化铈粒子在液体介质中的分散体。该分散体包含本发明的氧化铈粒子和液体介质。该液体介质可以是水或水与水混溶性有机液体的混合物。水混溶性有机液体不应使粒子沉淀或附聚。水混溶性有机液体可以是例如醇,如异丙醇、乙醇、1-丙醇、甲醇、1-己醇;酮,如丙酮、二丙酮醇、甲基乙基酮;酯,如甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸乙酯、乙酸甲酯、乳酸甲酯、乳酸丁酯、乳酸乙酯。比例水/有机液体可以在80/20至99/1(wt/wt)之间。
氧化铈粒子在分散体中的比例可以包括在1.0wt%与40.0wt%之间,此比例被表示为氧化铈粒子相对于分散体总重量的重量。此比例可以包括在10.0wt%与35.0wt%之间。
该分散体还可以展现出低于300μS/cm、更特别地低于150μS/cm、甚至更特别地低于100μS/cm或50μS/cm的电导率。用堀场有限公司(HORIBA,Ltd)的电导仪9382-10D来测量电导率。
本发明的氧化铈粒子或本发明的分散体可以用于制备研磨组合物、更具体是化学机械研磨组合物。它们用作研磨组合物、更具体是化学机械研磨组合物的组分。
本发明还涉及一种化学机械研磨组合物。化学机械研磨组合物(或化学-机械研磨组合物)是用于从基底的表面选择性除去材料的研磨组合物。它用于集成电路和其他电子器件领域。实际上,在集成电路和其他电子器件的制造中,将导电材料、半导电材料和介电材料的多个层沉积到基底的表面上或从基底的表面除去。当将材料层顺序地沉积到基底上并且从基底除去时,基底的最上表面可能变得不平坦并且需要平面化。对表面进行平面化(或“研磨”)是从基底表面除去材料以形成大致均匀的平面表面的过程。平面化可用于除去不需要的表面形貌和表面缺陷,如粗糙表面、附聚材料、晶格损伤、划痕和污染层或材料。平面化还可用于通过除去用于填充特征的过量沉积材料并为后续各层级的金属化和加工提供均匀的表面来在基底上形成特征。
可以用研磨组合物或化学机械研磨组合物研磨的基底可以是例如二氧化硅型基底、玻璃、半导体或晶片。
本发明的粒子或本发明的分散体可以用于制备化学机械研磨组合物。因此,本发明还涉及化学机械研磨组合物,其包含如上定义的氧化铈粒子或分散体。
该研磨组合物或化学机械研磨组合物通常含有除氧化铈粒子以外的不同成分。该研磨组合物可以包含以下成分中的一种或多种:
-除本发明的氧化铈粒子或分散体以外的磨料粒子;和/或
-pH调节剂;和/或
-表面活性剂;和/或
-流变控制剂,包括粘度增强剂和凝聚剂;和/或
-选自以下的添加剂:非离子聚合物、阳离子聚合物、阴离子聚合物、季铵、硅烷、磺化的单体、膦化的单体、丙烯酸酯、淀粉、环糊精、及其组合。
该研磨组合物的pH通常在1至6之间。典型地,该研磨组合物具有3.0或更高的pH。此外,该研磨组合物的pH典型地是6.0或更低。
本发明还涉及一种用于除去基底的一部分的方法,该方法包括用如上所述的研磨组合物研磨该基底。
本发明最后涉及一种通过该方法研磨的半导体。
如果通过援引并入本文的任何专利、专利申请和公开物的披露内容与本申请的说明相冲突到了可能导致术语不清楚的程度,则本说明应优先。
现在将以实例对本发明进一步进行说明,而无意对本发明进行限制。
实例
实例1
通过混合111.3g的2.87M三价硝酸铈、16.82g的68% HNO3和3.26g的去离子水来制备硝酸铈溶液。将此溶液放入250mL半封闭容器中。随后向该硝酸铈溶液中添加相当于1/5000的铈IV/总铈摩尔比的硝酸铈(IV)。通过混合74.55g的13.35M氨水,623.03g的去离子水来制备氨水溶液。将此溶液放入1L半封闭夹套式反应器中并且通过在搅拌下用流速为210L/h的N2气体鼓泡持续1小时。在大约30min内在相同的搅拌和N2鼓泡条件下,将上述硝酸铈溶液添加到氨水溶液中。通过将0.90g的特戊酸添加到20g的去离子水中来制备有机酸溶液,将其用N2气体鼓泡持续1小时并且然后添加到反应器中。将反应混合物的温度在大约1小时内加热至85℃,并且在相同的搅拌和降低的N2鼓泡流速(低于10L/h)的条件下维持大约4小时。将反应混合物冷却并且用68% HNO3酸化至pH 2。倾析后,除去上层清液并将NH4OH添加到浆料中以达到pH 8。
借助离心将反应混合物用去离子水洗涤。当洗涤溶液的电导率小于0.04mS/cm时重复该洗涤。
通过氮气吸附测定的BET比表面积为37.9m2/g。通过TEM观察悬浮液,对于代表该悬浮液的大约80个粒子,计数并测量每一个粒子。平均粒度是193nm并且标准偏差是39nm(对应于平均粒度的20%)。如本说明书中所述测定的SSA尺寸等于22,得到的如本说明书中所述测定的粗糙度指数RI为8.8。碳的百分比测定为%C=0.4wt%。所获得的球形粗糙粒子的TEM图片在图1中报告。
实例2
通过混合111.3g的2.87M三价硝酸铈、16.81g的68% HNO3和3.25g的去离子水来制备硝酸铈溶液。将此溶液放入250mL半封闭容器中。随后向该硝酸铈溶液中添加相当于1/5000的铈IV/总铈摩尔比的硝酸铈(IV)。通过混合74.20g的13.35M氨水、643.50g的去离子水和0.92g的特戊酸来制备氨水溶液。将此溶液放入1L半封闭夹套式反应器中并且通过在搅拌下用流速为210L/h的N2气体鼓泡持续1小时。在大约30min内在相同的搅拌和N2鼓泡条件下,将上述硝酸铈溶液添加到氨水溶液中。将反应混合物的温度在大约1小时内加热至85℃并且在相同的搅拌且降低的N2鼓泡流速(低于10L/h)的条件下维持大约4小时。将反应混合物冷却并且用68% HNO3酸化至pH 2。倾析后,除去上层清液并将NH4OH添加到浆料中以达到pH8。
借助离心将反应混合物用去离子水洗涤。当洗涤溶液的电导率小于0.04mS/cm时重复该洗涤。
通过氮气吸附测定的BET比表面积为44.8m2/g。通过TEM观察悬浮液,对于代表该悬浮液的大约80个粒子,计数并测量每一个粒子。平均粒度是165nm并且标准偏差是50nm(对应于平均粒度的30%)。如本说明书中所述测定的SSA尺寸等于19,得到的如本说明书中所述测定的粗糙度指数RI为8.9。碳的百分比测定为%C=0.37wt%。所获得的球形粗糙粒子的TEM图片在图2中报告。
实例3
通过混合222.4g的2.87M三价硝酸铈、33.9g的68% HNO3来制备硝酸铈溶液。将此溶液放入250mL半封闭容器中。随后向该硝酸铈溶液中添加相当于1/5000的铈IV/总铈摩尔比的硝酸铈(IV)。通过混合133.1g的15M氨水、1297.7g的去离子水和0.83g的特戊酸来制备氨水溶液。将此溶液放入2L半封闭夹套式反应器中并且通过在搅拌下用流速为100L/h的N2气体鼓泡持续1小时。在大约30min内在相同的搅拌和N2鼓泡条件下,将上述硝酸铈溶液添加到氨水溶液中。将反应混合物的温度在大约1小时内加热至80℃,并且在相同的搅拌和降低的N2鼓泡流速(低于10L/h)的条件下维持大约4小时。将反应混合物冷却并且用68%HNO3酸化至pH 2。倾析后,除去上层清液并将NH4OH添加到浆料中以达到pH 8。
借助离心将反应混合物用去离子水洗涤。当洗涤溶液的电导率小于0.04mS/cm时重复该洗涤。
通过氮气吸附测定的BET比表面积为23m2/g。通过TEM观察悬浮液,对于代表该悬浮液的大约150个粒子,计数并测量每一个粒子。平均粒度是81nm并且标准偏差是30nm(对应于平均粒度的37%)。如本说明书中所述测定的SSA尺寸等于36,得到的如本说明书中所述测定的粗糙度指数RI为2.2。碳的百分比测定为%C=0.21wt%。所获得的球形粗糙粒子的TEM图片在图3中报告。
实例4
通过混合222.4g的2.87M三价硝酸铈、33.9g的68% HNO3来制备硝酸铈溶液。将此溶液放入250mL半封闭容器中。随后向该硝酸铈溶液中添加相当于1/5000的铈IV/总铈摩尔比的硝酸铈(IV)。通过混合133.9g的14.9M氨水、1296.8g的去离子水和1.18g的己二酸来制备氨水溶液。将此溶液放入2L半封闭夹套式反应器中并且通过在搅拌下用流速为100L/h的N2气体鼓泡持续1小时。在大约30min内在相同的搅拌和N2鼓泡条件下,将上述硝酸铈溶液添加到氨水溶液中。将反应混合物的温度在大约1小时内加热至80℃,并且在相同的搅拌和降低的N2鼓泡流速(低于10L/h)的条件下维持大约4小时。将反应混合物冷却并且用68%HNO3酸化至pH 2。倾析后,除去上层清液并将NH4OH添加到浆料中以达到pH 8。
借助离心将反应混合物用去离子水洗涤。当洗涤溶液的电导率小于0.04mS/cm时重复该洗涤。
通过氮气吸附测定的BET比表面积为35m2/g。通过TEM观察悬浮液,对于代表该悬浮液的大约220个粒子,计数并测量每一个粒子。平均粒度是87nm并且标准偏差是34nm(对应于平均粒度的39%)。如本说明书中所述测定的SSA尺寸等于24,得到的如本说明书中所述测定的粗糙度指数RI为3.6。碳的百分比测定为%C=0.61wt%。所获得的球形粗糙粒子的TEM图片在图4中报告。
对比实例1
通过混合139.1g的2.87M三价硝酸铈、21,1g的68% HNO3和4g的去离子水来制备硝酸铈溶液。将此溶液放入250mL半封闭容器中。随后向该硝酸铈溶液中添加相当于1/5000的铈IV/总铈摩尔比的硝酸铈(IV)。通过混合100.5g的13.35M氨水和795.5g的去离子水来制备氨水溶液。将此溶液放入1L半封闭夹套式反应器中并且通过在搅拌下用流速为210L/h的N2气体鼓泡持续1小时。在大约30min内在相同的搅拌和N2鼓泡条件下,将上述硝酸铈溶液添加到氨水溶液中。将反应混合物的温度在大约1小时内加热至85℃并且在相同的搅拌且降低的N2鼓泡流速(低于10L/h)的条件下维持大约4小时。将反应混合物冷却并且用68%HNO3酸化至pH 2。倾析后,除去上层清液并将NH4OH添加到浆料中以达到pH 8。
借助离心将反应混合物用去离子水洗涤。当洗涤溶液的电导率小于0.04mS/cm时重复该洗涤。
通过氮气吸附测定的BET比表面积为16.8m2/g。通过TEM观察悬浮液,对于代表该悬浮液的大约150个粒子,计数并测量每一个粒子。平均粒度是87nm并且标准偏差是21nm(对应于平均粒度的24%)。如本说明书中所述测定的SSA尺寸等于50,得到的如本说明书中所述测定的粗糙度指数RI为1.7。TEM图片在图5中报告。
Claims (30)
1.一种用于制造氧化铈粒子的方法,该方法包括以下步骤:
(a)在惰性气氛下,使(i)碱的水溶液、(ii)包含NO3 -、CeIII、可选地CeIV的水溶液、以及(iii)有机酸或其盐接触以获得混合物,其中该有机酸是取代或未取代的C1-C20-烷基、-烯基或-炔基羧酸;
(b)使在步骤(a)中获得的该混合物经受热处理;
(c)可选地酸化在步骤(b)中获得的该混合物;
(d)可选地用水洗涤在步骤(b)或(c)结束时获得的固体材料;
(e)可选地使在步骤(d)结束时获得的该固体材料经受机械处理以使这些粒子解附聚。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,该有机酸是取代或未取代的C1-C12烷基羧酸、优选未取代的C1-C6烷基羧酸或被至少一个C1-C3烷基取代的C1-C6烷基羧酸、更优选被至少一个C1-C2烷基取代的C1-C3烷基羧酸、甚至更优选特戊酸或二羧酸。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法,其中,步骤(b)中的该热处理是在范围从75℃至95℃的温度下进行的。
4.一种氧化铈粒子,其通过根据权利要求1至3中任一项所述的方法可获得。
5.一种氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出至少为5、特别地范围从5至20、特别地范围从6至17、更特别地范围从7至14的粗糙度指数RI,其中RI是通过下式定义的:
其中“TEM尺寸”表示在透射电子显微镜图像上测量的这些粒子的平均尺寸,并且“SSA尺寸”表示由这些粒子的BET比表面积测定的这些粒子的理论平均尺寸。
6.根据权利要求5所述的氧化铈粒子,其中,该“SSA尺寸”是根据下式计算的:
其中SSA表示这些粒子的BET比表面积,并且ρ表示氧化铈(IV)的密度且其等于7.22g/cm3。
7.根据权利要求5或6所述的氧化铈粒子,其中,这些粒子的BET比表面积是通过氮气吸附测定的。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子呈球形形状。
9.根据权利要求8所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出在0.8与1.0之间、更特别地在0.85与1.0之间、甚至更特别地在0.90与1.0之间的球度比SR。
10.根据权利要求9所述的氧化铈粒子,其中,使用以下等式从所测量的粒子投影的周长P和面积A计算SR:
11.根据权利要求9或10所述的氧化铈粒子,其中,SR是通过动态图像分析(DIA)、尤其根据ISO 13322-2(2006)测定的。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出范围从0.001wt%至5wt%、特别地从0.1wt%至2.5wt%的碳重量比率。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出包括在15与100m2/g之间、更特别地在32与80m2/g之间、更特别地在35与70m2/g之间、甚至更特别地在36与60m2/g之间的比表面积。
14.根据权利要求13所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出包括在20与40m2/g之间的比表面积。
15.根据权利要求5至14中任一项所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出从30至500nm、特别地从70至300nm的平均尺寸,所述平均尺寸是由TEM图像测量的。
16.根据权利要求15所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出包括在140与300nm之间、特别地在145与270nm之间、更特别地在150与250nm之间、甚至更特别地在155与240nm之间的平均尺寸,所述平均尺寸是由TEM图像测量的。
17.根据权利要求5至16中任一项所述的氧化铈粒子,其通过根据权利要求1至3中任一项所述的方法可获得。
18.一种氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子呈球形形状并且展现出至少为2、特别地至少为3.5的粗糙度指数RI,其中RI是通过下式定义的:
其中“TEM尺寸”表示在透射电子显微镜图像上测量的粒子的平均尺寸并且“SSA尺寸”表示根据下式的粒子的理论平均尺寸:
其中SSA表示通过氮气吸附测定的粒子的BET比表面积,并且ρ表示氧化铈(IV)的密度且其等于7.22g/cm3,并且所述粒子展现出范围从0.001wt%至5wt%、特别地从0.1wt%至2.5wt%的碳重量比率。
19.根据权利要求18所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出在0.8与1.0之间、更特别地在0.85与1.0之间、甚至更特别地在0.90与1.0之间的球度比SR。
20.根据权利要求19所述的氧化铈粒子,其中,使用以下等式从所测量的粒子投影的周长P和面积A计算SR:
21.根据权利要求19或20所述的氧化铈粒子,其中,SR是通过动态图像分析(DIA)、尤其根据ISO 13322-2(2006)测定的。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出包括在15与100m2/g之间、更特别地在32与80m2/g之间、更特别地在35与70m2/g之间、甚至更特别地在36与60m2/g之间的比表面积。
23.根据权利要求22所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出包括在20与40m2/g之间的比表面积。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出从30至500nm、特别地从70至300nm的平均尺寸,所述平均尺寸是由TEM图像测量的。
25.根据权利要求24所述的氧化铈粒子,其特征在于,所述粒子展现出包括在140与300nm之间、特别地在145与270nm之间、更特别地在150与250nm之间、甚至更特别地在155与240nm之间的平均尺寸,所述平均尺寸是由TEM图像测量的。
26.根据权利要求18至25中任一项所述的氧化铈粒子,其通过根据权利要求1至3中任一项所述的方法可获得。
27.一种根据权利要求4至26中任一项所述的氧化铈粒子在液体介质中的分散体。
28.根据权利要求4至26中任一项所述的氧化铈粒子或根据权利要求27所述的分散体的用途,其是用于制备研磨组合物、更特别地化学机械研磨组合物的用途。
29.一种研磨组合物,其包含根据权利要求4至26中任一项所述的氧化铈粒子或根据权利要求27所述的分散体。
30.一种用于除去基底的一部分的方法,该方法包括用根据权利要求29所述的研磨组合物研磨该基底。
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