KR100891060B1 - 표면개질된 금속 산화물 분말 및 이의 제조방법 - Google Patents

표면개질된 금속 산화물 분말 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면개질된 금속 산화물 분말 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 금속 산화물 또는 이의 전구물질을 삼산화황 분위기하에서 하소시키는 본 발명의 방법에 의해 수득된 금속 산화물 분말은 산성 영역의 등전위점을 가져 중성수용액 중에서 자발적 분산성이 우수하다.

Description

표면개질된 금속 산화물 분말 및 이의 제조방법{SURFACE-MODIFIED METAL OXIDE POWDER AND PREPARATION THEREOF}
도 1 및 2는 각각 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 산화세륨 분말의 라만(Raman) 스펙트럼 및 pH에 따른 표면전위 변화 그래프이고,
도 3은 비교예에서 제조된, 종래의 산화세륨 분말의 pH에 따른 표면전위 변화 그래프이다.
본 발명은 산성 영역의 등전위점(isoelectric point)을 가져 중성수용액 중에서 자발적 분산성이 우수한, 표면개질된 금속 산화물 분말 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체의 층간 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP)에 사용되는 연마용 조성물은 통상적으로 물과 연마제로서의 금속 산화물 등으로 구성 된 수성 슬러리로서, 상기 금속 산화물로는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2), 지르코니아(ZrO2) 및 티타니아(TiO2) 등이 주로 사용된다. 화학적 기계적 연마는 연마제 성분에 의한 화학적 에칭작용과 연마제 본래의 기계적 연마작용을 동시에 이용하여 연마를 수행하는 방법이며, 다양한 CMP용 장치가 시판되고 있다.
이러한 연마용 슬러리 조성물 제조시 또는 운송, 저장시 생성된 큰 입자(large particle)는 피연마제의 표면에 스크래치(scratch)를 다량으로 생성시키기 때문에 분말의 응집이 일어나지 않도록 안정적인 분산상태를 유지시키는 것이 필수적이며, 따라서 분말의 분산상태가 연마용 슬러리 조성물의 제품 특성을 결정하는 중요한 변수가 된다.
연마용 슬러리 조성물에 있어서, 분말의 분산이 중성수용액 내에서 안정적으로 유지되기 위해서는 분말 자체가 중성에서 절대값 30mV 이상의 표면전위를 가지는 것이 요구되나, 연마제로 사용되는 대부분의 금속 산화물은 중성에서 제한된 표면전위를 가짐으로써 장기보관시 중성수용액 내에서 자발적인 분산을 일으키지 못하고 응집되는 경향이 있다. 따라서, 연마용 조성물 제조시 슬러리에 유기분산제를 첨가하는 방법이 주로 사용되었다(일본 특허공개 제2001-31951호(히타치)).
그러나, 유기분산제의 사용은 연마속도를 떨어뜨리고, 슬러리의 장기안정성을 해칠 뿐만 아니라 미생물의 번식을 일으키고, 슬러리의 폐기와 재활용을 곤란하게 하는 등의 문제를 갖는다.
이에 본 발명자들은 예의 연구를 계속한 결과, 유기분산제를 슬러리에 첨가하는 대신, 금속 산화물 분말의 표면을 산화황 화합물로 개질시켜 분말 자체의 등전위점을 산성 영역으로 이동시킴으로써 분말의 중성수용액 중에서의 분산성을 향상시킬 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 산성 영역의 등전위점을 가져 중성수용액 중에서 자발적 분산성이 우수한, 표면개질된 금속 산화물 분말 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 금속 산화물 또는 이의 전구물질을 삼산화황 분위기하에서 하소시키는 것을 포함하는, 표면개질된 금속 산화물 분말의 제조방법; 및 이 방법에 의해 제조된, 표면개질된 금속 산화물 분말을 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
통상적으로, 금속 산화물 분말은 금속의 탄산물, 질산물, 수산화물 등의 금속 산화물 전구물질을 500 내지 1200℃의 고온에서 하소시킴으로써 제조할 수 있다.
본 발명에 의하면, 금속 산화물 또는 이의 전구물질을 삼산화황 분위기하에 서 500 내지 1200℃, 바람직하게는 500 내지 800℃의 온도에서 하소시킴으로써 표면이 개질된 금속 산화물 분말을 제조한다. 이때, 삼산화황 분위기는 삼산화황 기체를 공급하거나 또는 삼산화황 생성물질을 함께 하소시킴으로써 형성될 수 있으며, 삼산화황 또는 삼산화황 생성물질을 금속 산화물 또는 이의 전구물질에 대해 0.1 내지 5.0 중량%의 양으로 사용할 수 있다. 바람직하게는, 고온에서 열분해하거나 해리되는 삼산화황 생성물질을 금속 산화물 또는 이의 전구물질에 직접 첨가하여 하소한다.
본 발명에 따른 금속 산화물은 CeO2, Al2O3, ZrO2, SiO2 , MgO, MgAl2O4, Fe2O3, TiO2, MgFe2O4 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 이의 전구물질로는 금속의 탄산물, 질산물 또는 수산화물 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 사용가능한 삼산화황 생성물질의 구체적인 예로는 황산, 내연황산(삼산화황 기체를 추가로 녹여 넣은 황산), 황산암모늄, 황산세륨, 암모늄명반 및 황산아연 등을 들 수 있으며, 하소후 잔류물질이 남지 않거나, 잔류물이 쉽게 물에 녹아 제거될 수 있거나, 잔류물이 최종분말에 남아도 사용에 지장이 없는 것들이 바람직하다.
하소후 금속 산화물 표면에 형성된 산화황산금속 화합물은 수용성이어서 세정 등을 통해 비교적 쉽게 제거되나, 일부 황산기는 금속 산화물 표면에 화학적으로 강하게 결합하여 세정시에도 제거되지 않고 잔존하게 된다. 잔존하는 황산기에 의해 금속 산화물 분말의 표면에 영구적인 황산 기능층이 생겨 중성용액에 분산시 금속 산화물 분말의 등전위점이 산성 영역으로 이동하게 된다.
따라서, 본 발명의 방법에 따라 제조된, 표면이 개질된 금속 산화물 분말은 pH 2 내지 6의 등전위점, 및 pH 7에서 -30 내지 -60mV의 표면전위를 가지기 때문에, 별도의 유기분산제 없이도 중성 및 염기성수용액 중에서 우수한 자발적 분산성을 나타내며, 장기간 보관해도 그 분산특성이 변하지 않는다. 따라서, 본 발명의 금속 산화물 분말을 포함하는 수용액은 연마용 슬러리로서 유용하게 사용되어 반도체 층간 평탄화를 효율적으로 달성할 수 있다. 또한, 응용분야에 따라 추가로 투입되는 첨가제나 계면활성제에 의해서도 분산상태가 교란되지 않아 첨가하는 기타 기능성 보조물질에 대한 선택의 폭을 넓힐 수 있으며, 유기분산제를 포함하지 않아 슬러리의 폐기 및 재활용이 매우 용이하다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.
실시예 1
건조된 수산화세륨 25g을 황산암모늄 0.13g 및 염화나트륨 25g과 함께 공전밀을 이용하여 2시간 동안 분쇄한 다음, 알루미나 도가니에 담아 뚜껑을 덮은 채 750℃에서 1시간 동안 하소하였다. 생성된 분말을 물에 넣어 원심분리한 후 상층용액을 버리는 것을 6차례 반복하여 세정하여, 표면에 산화황산세륨(CeOSO4)을 포함하는 산화세륨 분말을 제조하였다.
제조된 분말의 라만(Raman) 스펙트럼 및 ESA9800(Matec)을 이용하여 측정한 pH에 따른 표면전위 변화 그래프를 각각 도 1 및 2에 나타내었다. 도 2로부터 알 수 있듯이, 분말은 pH 2.8의 등전위점 및 pH 7에서 -51mV의 표면전위를 나타내었다. 제조된 분말을 2 중량%의 농도로 물에 분산시키고 별도의 첨가제를 투입하지 않은 상태에서 한달동안 보관시 입도변화를 전혀 나타내지 않고 높은 분산안정성을 보였다.
실시예 2
탄산세륨을 750℃에서 6시간 동안 하소하여 얻어진 산화세륨 분말에 1 중량%의 황산세륨을 첨가하여 700℃에서 1시간 동안 재하소한 다음, 상기 실시예 1과 동일한 세정절차를 수행하여 산화세륨 분말을 제조하였다.
제조된 분말에 대해 표면특성을 측정한 결과, 분말은 pH 4.7의 등전위점 및 pH 7에서 -40mV의 표면전위를 나타내었다. 제조된 분말을 2 중량%의 농도로 물에 분산시키고 별도의 첨가제를 투입하지 않은 상태에서 한달동안 보관시 입도변화를 전혀 나타내지 않고 높은 분산안정성을 보였다.
비교예
황산암모늄을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 종래의 산화세륨 분말을 제조하였다.
제조된 분말의 pH에 따른 표면전위 변화 그래프를 도 3에 나타내었는데, 도 3으로부터, 분말이 pH 8.1의 등전위점 및 pH 7에서 20mV의 표면전위를 나타냄을 알 수 있다. 제조된 분말을 2 중량%의 농도로 물에 분산시키고 별도의 첨가제를 투입 하지 않은 상태에서 1시간 경과하였을 때, 분말이 응집하여 침강하는 현상이 관찰되었다.
상기한 실험결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 표면개질된 금속 산화물 분말은 산성 영역의 등전위점을 가져 별도의 유기분산제 없이도 중성수용액 중에서 우수한 자발적 분산성을 나타내며, 장기간 보관시에도 그 분산특성이 변하지 않는다. 따라서, 본 발명의 금속 산화물 분말을 포함하는 수용액은 연마용 슬러리로서 유용하게 사용되어 반도체 층간 평탄화를 효율적으로 달성할 수 있다.

Claims (13)

  1. 금속 산화물 또는 이의 전구물질을 삼산화황 분위기하에서 하소시키는 것을 포함하는, 표면개질된 금속 산화물 분말의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    500 내지 1200℃의 온도에서 하소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    500 내지 800℃의 온도에서 하소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    삼산화황 기체를 공급하거나 또는 삼산화황 생성물질 존재하에 하소시킴으로써 삼산화황 분위기를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    삼산화황 또는 삼산화황 생성물질을 금속 산화물 또는 이의 전구물질에 대해 0.1 내지 5.0 중량%의 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    삼산화황 생성물질이 황산, 내연황산, 황산암모늄, 황산세륨, 암모늄명반 및 황산아연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    금속 산화물이 CeO2, Al2O3, ZrO2, SiO2, MgO, MgAl 2O4, Fe2O3, TiO2, MgFe2O4 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항의 방법에 의해 제조됨에 따라 표면이 산화황산금속 화합물로 개질된 금속 산화물 분말.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화황산금속 화합물은 산화황산세륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 분말.
  10. 제 8 항에 있어서,
    pH 2 내지 6의 등전위점, 및 pH 7에서 -30 내지 -60mV의 표면전위를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 분말.
  11. 제 1 항의 방법에 의해 제조됨에 따라 표면이 산화황산금속 화합물로 개질된 금속 산화물 분말 및 물을 포함하는 연마용 수성 슬러리.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화황산금속 화합물은 Al2O(SO4)2, MgOSO4, TiOSO4 및 Zn3O(SO4)2로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 분말.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 산화황산금속 화합물은 Al2O(SO4)2, MgOSO4, TiOSO4 및 Zn3O(SO4)2로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 연마용 수성 슬러리.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR19980701391A (ko) * 1995-01-13 1998-05-15 필립 뒤브릭 세륨 산화물, 및 망간 산화물, 철 산화물 또는 프라세오디뮴 산화물을 기재로하는 촉매 조성물, 그의 제조 방법 및 자동차의 후연소 촉매 반응에서의 그의 용도
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