JP2023004284A - Method for producing silica particles, method for producing silica sol and polishing method - Google Patents
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Abstract
【課題】アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応中の反応槽由来の金属汚染を防止して、金属含有率が低いシリカ粒子の製造方法を提供する。【解決手段】表面にフッ素樹脂層を有する反応槽内でテトラアルコキシシランを加水分解反応及び縮合反応させる工程を有する、シリカ粒子の製造方法。フッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂が好ましい。前記シリカ粒子の製造方法を含む、シリカゾルの製造方法。前記シリカゾルの製造方法で得られたシリカゾルを含む研磨組成物を用いて研磨する、研磨方法。【選択図】なしKind Code: A1 A method for producing silica particles having a low metal content by preventing metal contamination originating from a reaction vessel during hydrolysis and condensation reactions of alkoxysilane is provided. Kind Code: A1 A method for producing silica particles, comprising a step of hydrolyzing and condensing tetraalkoxysilane in a reaction tank having a fluororesin layer on its surface. As the fluorine resin, a tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer resin is preferable. A method for producing silica sol, including the method for producing silica particles. A polishing method comprising polishing with a polishing composition containing the silica sol obtained by the method for producing a silica sol. [Selection figure] None
Description
本発明は、シリカ粒子の製造方法、シリカゾルの製造方法及び研磨方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing silica particles, a method for producing silica sol, and a polishing method.
金属や無機化合物等の材料の表面を研磨する方法として、研磨液を用いた研磨方法が知られている。中でも、シリコンウェハの最終仕上げ研磨、及び、化学的機械的研磨(CMP)では、その表面状態が最終製品の特性に大きく影響するため、これらの部品の表面や端面は、極めて高精度に研磨されることが要求されている。 A polishing method using a polishing liquid is known as a method for polishing the surface of materials such as metals and inorganic compounds. In particular, in the final polishing of silicon wafers and chemical mechanical polishing (CMP), the surface conditions greatly affect the characteristics of the final product, so the surfaces and end faces of these parts are polished with extremely high precision. is required.
このような精密研磨においては、シリカ粒子を含む研磨組成物が採用されており、その主成分である砥粒として、コロイダルシリカが広く用いられている。コロイダルシリカは、その製造方法の違いにより、四塩化珪素の熱分解によるもの(ヒュームドシリカ等)、水ガラス等の珪酸アルカリの脱イオンによるもの、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応(一般に「ゾルゲル法」と称される)によるもの等が知られている。 In such precision polishing, a polishing composition containing silica particles is employed, and colloidal silica is widely used as abrasive grains, which are the main component of the composition. Colloidal silica is produced by thermal decomposition of silicon tetrachloride (fumed silica, etc.), deionized alkali silicate such as water glass, hydrolysis reaction and condensation reaction of alkoxysilane (generally " known as "sol-gel method").
シリカ粒子の製造方法に関し、これまで多くの検討がなされてきた。例えば、特許文献1には、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応によりシリカ粒子の分散液を製造する方法が開示されている。 Many studies have been made so far on methods for producing silica particles. For example, Patent Document 1 discloses a method for producing a dispersion of silica particles by hydrolysis reaction and condensation reaction of alkoxysilane.
工業スケールにおける化合物の合成は、一般に、ステンレス等の金属製の反応槽内で行われることが多い。しかしながら、金属製の反応槽を用いると、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応中に反応槽を構成する金属からFe等の金属成分が溶出し、製造されたシリカ粒子の分散液が金属で汚染される問題がある。
一方で、精密研磨において、金属不純物が被研磨体の表面に付着し、被研磨体を汚染することで、被研磨体や最終製品の特性に悪影響を及ぼす。そのため、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応において、金属不純物の混入を抑制する必要がある。
Synthesis of compounds on an industrial scale is generally carried out in a reaction vessel made of metal such as stainless steel. However, when a metal reaction vessel is used, metal components such as Fe are eluted from the metal constituting the reaction vessel during the hydrolysis reaction and condensation reaction of the alkoxysilane, and the produced dispersion of silica particles is contaminated with the metal. there is a problem
On the other hand, in precision polishing, metal impurities adhere to the surface of the object to be polished, contaminating the object to be polished, and adversely affecting the characteristics of the object to be polished and the final product. Therefore, it is necessary to suppress the contamination of metal impurities in the hydrolysis reaction and condensation reaction of alkoxysilane.
この課題に対し、特許文献1には、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応に用いる反応槽に関する工夫については何ら記載されていない。 With respect to this problem, Patent Document 1 does not describe any device related to the reaction tank used for the hydrolysis reaction and condensation reaction of alkoxysilane.
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応中の反応槽由来の金属汚染を防止して、金属含有率が低いシリカ粒子の製造方法及びシリカゾルの製造方法と、このシリカゾルを用いた研磨方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to prevent metal contamination derived from the reaction tank during the hydrolysis reaction and condensation reaction of alkoxysilane, and to reduce the metal content. An object of the present invention is to provide a method for producing silica particles, a method for producing silica sol, and a polishing method using this silica sol.
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応において、表面にフッ素樹脂層を有する反応槽を用いることで、金属不純物の混入を抑制して低い金属含有率の低いシリカ粒子、更にはシリカゾルを製造することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that in the hydrolysis reaction and condensation reaction of alkoxysilane, by using a reaction vessel having a fluororesin layer on the surface, the contamination of metal impurities is suppressed and the metal content is low. The inventors have found that it is possible to produce silica particles and silica sol with a low molecular weight, and have completed the present invention.
即ち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
[1]表面にフッ素樹脂層を有する反応槽内でテトラアルコキシシランを加水分解反応及び縮合反応させる工程を有する、シリカ粒子の製造方法。
[2]テトラアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応の反応温度が、15℃~50℃である、[1]に記載のシリカ粒子の製造方法。
[3]テトラアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応を、冷却しながら行う、[1]又は[2]に記載のシリカ粒子の製造方法。
[4]テトラアルコキシシランが、テトラメトキシシランを含む、[1]~[3]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法。
[5]テトラアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応を、アルカリ触媒を含む溶液(A)に、テトラアルコキシシランを含む溶液(B)及び水を含む溶液(C)を添加して行う、[1]~[4]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法。
[6]フッ素樹脂が、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂を含む、[1]~[5]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法。
[7][1]~[6]のいずれかに記載のシリカ粒子の製造方法を含む、シリカゾルの製造方法。
[8]シリカゾル中の金属含有率が、1ppm以下である、[7]に記載のシリカゾルの製造方法。
[9][7]又は[8]に記載のシリカゾルの製造方法で得られたシリカゾルを含む研磨組成物を用いて研磨する、研磨方法。
That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] A method for producing silica particles, comprising a step of hydrolyzing and condensing tetraalkoxysilane in a reaction vessel having a fluororesin layer on its surface.
[2] The method for producing silica particles according to [1], wherein the hydrolysis reaction and condensation reaction of the tetraalkoxysilane are carried out at a reaction temperature of 15°C to 50°C.
[3] The method for producing silica particles according to [1] or [2], wherein the hydrolysis reaction and condensation reaction of the tetraalkoxysilane are performed while cooling.
[4] The method for producing silica particles according to any one of [1] to [3], wherein the tetraalkoxysilane contains tetramethoxysilane.
[5] Hydrolysis reaction and condensation reaction of tetraalkoxysilane are performed by adding solution (B) containing tetraalkoxysilane and solution (C) containing water to solution (A) containing alkali catalyst. ] A method for producing silica particles according to any one of [4].
[6] The method for producing silica particles according to any one of [1] to [5], wherein the fluororesin contains a tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer resin.
[7] A method for producing silica sol, comprising the method for producing silica particles according to any one of [1] to [6].
[8] The method for producing a silica sol according to [7], wherein the silica sol has a metal content of 1 ppm or less.
[9] A polishing method comprising polishing with a polishing composition containing the silica sol obtained by the method for producing a silica sol according to [7] or [8].
本発明のシリカ粒子の製造方法及びシリカゾルの製造方法によれば、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応中の反応槽由来の金属汚染を防止して、金属含有率の低いシリカ粒子及びシリカゾルを製造することができ、このようなシリカゾルを含む研磨組成物を用いて、被研磨体の金属汚染を防止して高品質の研磨製品を得ることができる。 According to the method for producing silica particles and the method for producing silica sol of the present invention, silica particles and silica sol having a low metal content are produced by preventing metal contamination from the reaction tank during the hydrolysis reaction and condensation reaction of alkoxysilane. A polishing composition containing such a silica sol can be used to prevent metallic contamination of an object to be polished and to obtain a high-quality polishing product.
以下に本発明について詳述するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更して実施することができる。尚、本明細書において「~」という表現を用いる場合、その前後の数値又は物性値を含む表現として用いる。 Although the present invention will be described in detail below, the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist thereof. In addition, when the expression "-" is used in this specification, it is used as an expression including numerical values or physical property values before and after it.
(シリカ粒子の製造方法)
本発明のシリカ粒子の製造方法は、表面にフッ素樹脂層を有する反応槽内でテトラアルコキシシランを加水分解反応及び縮合反応させる工程を有する。ここで、「表面」とは、反応槽の接液面(反応液に接する面)であり、通常、反応槽の内表面に該当する。
(Method for producing silica particles)
The method for producing silica particles of the present invention comprises a step of hydrolyzing and condensing tetraalkoxysilane in a reaction vessel having a fluororesin layer on its surface. Here, the "surface" is the wetted surface of the reaction vessel (the surface in contact with the reaction liquid), and usually corresponds to the inner surface of the reaction vessel.
表面にフッ素樹脂層を有する反応槽は、工業スケールの設計が可能で、機械強度に優れることから、金属製の容器(反応槽本体)の表面にフッ素樹脂層を有する反応槽が好ましく、耐食性に優れることから、ステンレス製の容器の表面にフッ素樹脂層を有する反応槽がより好ましい。 A reactor with a fluororesin layer on the surface can be designed on an industrial scale and has excellent mechanical strength. A reaction tank having a fluororesin layer on the surface of a stainless steel container is more preferable because it is excellent.
フッ素樹脂層の形成に用いるフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル三元共重合体(EPE)、テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、トリフルオロクロロエチレン-エチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)等を用いることができ、これらの任意の2種類以上の混合樹脂を用いることもできる。
これらのフッ素樹脂の中でも、溶融成形が可能で成形性に優れることから、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA)が好ましい。
Examples of the fluororesin used for forming the fluororesin layer include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene Fluoroethylene-hexafluoropropylene-perfluoroalkyl vinyl ether terpolymer (EPE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), trifluorochloroethylene-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), etc. can be used, and a mixed resin of any two or more of these can also be used.
Among these fluororesins, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin (PFA) is preferable because it can be melt-molded and has excellent moldability.
これらのフッ素樹脂は、耐食性、耐薬品性(耐酸性、耐アルカリ性)、耐熱性に優れることから、フッ素樹脂層を反応槽の表面に設けることで、反応槽由来の金属汚染を確実に防止することができる。
なお、発熱反応であるアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応では、冷却しながら反応を進める必要があるが、樹脂は、金属と比較して伝熱係数が低いため、金属製の反応槽の表面を樹脂層で覆うことで、外部から加熱や冷却する際の熱効率が低下し、シリカ粒子の生産性が損なわれる懸念がある。しかしながら、フッ素樹脂は高耐久性樹脂の中でも比較的伝熱係数が高く、冷却効率、温度制御の問題は比較的小さい。
These fluororesins have excellent corrosion resistance, chemical resistance (acid resistance, alkali resistance), and heat resistance. be able to.
In the hydrolysis and condensation reactions of alkoxysilane, which are exothermic reactions, it is necessary to proceed with the reaction while cooling. By covering with a resin layer, there is a concern that the thermal efficiency at the time of heating or cooling from the outside is lowered, and the productivity of silica particles is impaired. However, the fluororesin has a relatively high heat transfer coefficient among the highly durable resins, and the problem of cooling efficiency and temperature control is relatively small.
反応槽の表面にフッ素樹脂層を設ける方法は、製造加工が容易であることから、反応槽の表面に、必要に応じて下処理を行った後、静電塗装によりフッ素樹脂を焼き付ける方法が好ましいが、その他熱着プレスによるコーティング法なども採用可能である。 The method of providing a fluororesin layer on the surface of the reaction tank is preferably a method of baking the fluororesin by electrostatic coating after the surface of the reaction tank is subjected to pretreatment as necessary, since manufacturing and processing are easy. However, other methods such as a coating method using a hot press can also be employed.
フッ素樹脂層の厚さは、100μm~1000μmが好ましく、200μm~500μmがより好ましい。フッ素樹脂層の厚さが100μm以上であると、フッ素樹脂層を設けることによる金属汚染防止効果を十分に得ることができる。一方、フッ素樹脂層の厚さが1000μm以下であると、フッ素樹脂層を設けることによる熱効率の低下を抑えると共に、フッ素樹脂層形成コストを抑えることができる。 The thickness of the fluororesin layer is preferably 100 μm to 1000 μm, more preferably 200 μm to 500 μm. When the thickness of the fluororesin layer is 100 μm or more, the effect of preventing metal contamination by providing the fluororesin layer can be sufficiently obtained. On the other hand, when the thickness of the fluororesin layer is 1000 μm or less, it is possible to suppress a decrease in thermal efficiency due to the provision of the fluororesin layer, and to suppress the cost of forming the fluororesin layer.
反応槽の容積は、0.5m3~20m3が好ましく、1m3~10m3がより好ましく、2m3~5m3が更に好ましい。反応槽の容積が0.5m3以上であると、シリカ粒子の生産性に優れる。また、反応槽の容積が20m3以下であると、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応における温度制御が容易である。 The volume of the reaction tank is preferably 0.5 m 3 to 20 m 3 , more preferably 1 m 3 to 10 m 3 , still more preferably 2 m 3 to 5 m 3 . When the volume of the reaction tank is 0.5 m 3 or more, the productivity of silica particles is excellent. Further, when the volume of the reaction vessel is 20 m 3 or less, it is easy to control the temperature in the hydrolysis reaction and condensation reaction of the alkoxysilane.
テトラアルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン等のアルコキシ基の炭素数が1~12のテトラアルコキシシランが挙げられる。これらのテトラアルコキシシランは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのテトラアルコキシシランの中でも、加水分解反応が速く、未反応物が残留し難く、生産性に優れ、安定なシリカゾルを容易に得ることができることから、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランが好ましく、テトラメトキシシランがより好ましい。 Tetraalkoxysilanes include, for example, tetraalkoxysilanes having 1 to 12 carbon atoms in the alkoxy group such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, and tetraisopropoxysilane. These tetraalkoxysilanes may be used alone or in combination of two or more. Among these tetraalkoxysilanes, tetramethoxysilane and tetraethoxysilane are preferable because they have a fast hydrolysis reaction, do not easily leave unreacted substances, are excellent in productivity, and can easily obtain a stable silica sol. Methoxysilane is more preferred.
テトラアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応は、加水分解反応及び縮合反応を制御しやすく、加水分解反応及び縮合反応の反応速度を高めることができ、シリカ粒子の分散液のゲル化を防ぎ、粒子径の揃ったシリカ粒子を得られることから、アルカリ触媒を含む溶液(A)に、テトラアルコキシシランを含む溶液(B)及び水を含む溶液(C)を添加して行う方法が好ましい。
この場合、アルカリ触媒を含む溶液(A)に、撹拌しながら、テトラアルコキシシランを含む溶液(B)及び水を含む溶液(C)を添加し、撹拌しながら、テトラアルコキシシランを加水分解反応及び縮合反応させることが好ましい。なお、溶液(A)への溶液(B)と溶液(C)の添加は、ほぼ同時に同程度の時間をかけて行うことが好ましい。
The hydrolysis reaction and condensation reaction of tetraalkoxysilane are easy to control the hydrolysis reaction and condensation reaction, can increase the reaction rate of the hydrolysis reaction and condensation reaction, prevent the silica particle dispersion from gelling, and the particles A method of adding a solution (B) containing a tetraalkoxysilane and a solution (C) containing water to a solution (A) containing an alkali catalyst is preferable because silica particles having a uniform diameter can be obtained.
In this case, the solution (B) containing the tetraalkoxysilane and the solution (C) containing water are added to the solution (A) containing the alkali catalyst with stirring, and the tetraalkoxysilane is hydrolyzed and reacted with stirring. A condensation reaction is preferred. In addition, it is preferable to add the solution (B) and the solution (C) to the solution (A) almost at the same time over about the same amount of time.
溶液(A)は、アルカリ触媒を含む。 Solution (A) contains an alkali catalyst.
溶液(A)中のアルカリ触媒としては、例えば、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、アンモニア、尿素、エタノールアミン、テトラメチル水酸化アンモニウム等が挙げられる。これらのアルカリ触媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのアルカリ触媒の中でも、触媒作用に優れ、粒子形状を制御しやすく、金属の混入を抑制することができ、揮発性が高く加水分解反応及び縮合反応後の除去性に優れることから、アンモニアが好ましい。 Examples of the alkali catalyst in the solution (A) include ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, ammonia, urea, ethanolamine, tetramethylammonium hydroxide and the like. One of these alkali catalysts may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. Among these alkali catalysts, ammonia is excellent in catalytic action, easy to control particle shape, can suppress metal contamination, has high volatility and is excellent in removability after hydrolysis reaction and condensation reaction. preferable.
溶液(A)は、アルコキシシランの加水分解を促進させることができることから、水を含むことが好ましい。 The solution (A) preferably contains water because it can promote hydrolysis of the alkoxysilane.
溶液(A)は、反応液中でのテトラアルコキシシランの分散性に優れることから、水以外の溶媒を含むことが好ましい。 The solution (A) preferably contains a solvent other than water because the tetraalkoxysilane has excellent dispersibility in the reaction solution.
溶液(A)中の水以外の溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等のアルコール;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン;酢酸エチル等のエステル等が挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの溶媒の中でも、テトラアルコキシシランを溶解しやすく、加水分解反応及び縮合反応で用いるものと副生するものとが同一で、製造上の利便性に優れることから、アルコールが好ましく、メタノール、エタノールがより好ましく、メタノールが更に好ましい。 Examples of the solvent other than water in the solution (A) include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol and ethylene glycol; ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; esters such as ethyl acetate. These solvents may be used alone or in combination of two or more. Among these solvents, alcohols are preferred because they easily dissolve tetraalkoxysilane, the one used in the hydrolysis reaction and the condensation reaction is the same as the by-product, and the convenience in production is excellent. Alcohols, such as methanol and ethanol. is more preferred, and methanol is even more preferred.
溶液(A)中のアルカリ触媒の濃度は、溶液(A)100質量%中、0.5質量%~2.0質量%が好ましく、0.6質量%~1.5質量%がより好ましい。溶液(A)中のアルカリ触媒の濃度が0.5質量%以上であると、シリカ粒子の凝集を抑制し、得られるシリカ粒子の分散液中のシリカ粒子の分散安定性に優れる。また、溶液(A)中のアルカリ触媒の濃度が2.0質量%以下であると、反応が過度に速く進行せず、反応制御性に優れる。 The concentration of the alkali catalyst in the solution (A) is preferably 0.5% by mass to 2.0% by mass, more preferably 0.6% by mass to 1.5% by mass, based on 100% by mass of the solution (A). When the concentration of the alkali catalyst in the solution (A) is 0.5% by mass or more, aggregation of the silica particles is suppressed, and the dispersion stability of the silica particles in the obtained silica particle dispersion liquid is excellent. Moreover, when the concentration of the alkali catalyst in the solution (A) is 2.0% by mass or less, the reaction does not proceed excessively fast, and the reaction controllability is excellent.
溶液(A)中の水の濃度は、溶液(A)100質量%中、3質量%~30質量%が好ましく、5質量%~25質量%がより好ましい。溶液(A)中の水の濃度が3質量%以上であると、加水分解反応で生成するケイ酸の反応液中での分散性に優れる。また、溶液(A)中の水の濃度が30質量%以下であると、反応液中でのテトラアルコキシシランの分散性に優れる。 The concentration of water in solution (A) is preferably 3% by mass to 30% by mass, more preferably 5% by mass to 25% by mass, based on 100% by mass of solution (A). When the concentration of water in the solution (A) is 3% by mass or more, the silicic acid produced by the hydrolysis reaction is excellent in dispersibility in the reaction liquid. Moreover, when the concentration of water in the solution (A) is 30% by mass or less, the dispersibility of the tetraalkoxysilane in the reaction liquid is excellent.
溶液(A)中の水以外の溶媒の濃度は、アルカリ触媒と水の残部とすることが好ましい。 The concentration of the solvent other than water in the solution (A) is preferably the balance of the alkali catalyst and water.
溶液(B)は、テトラアルコキシシランを含む。 Solution (B) contains a tetraalkoxysilane.
溶液(B)は、反応液中でのテトラアルコキシシランの分散性に優れることから、溶媒を含むことが好ましい。 The solution (B) preferably contains a solvent because the tetraalkoxysilane is excellent in dispersibility in the reaction solution.
溶液(B)中の溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等のアルコール;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン;酢酸エチル等のエステル等が挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの溶媒の中でも、加水分解反応及び縮合反応で用いるものと副生するものとが同一で、製造上の利便性に優れることから、アルコールが好ましく、メタノール、エタノールがより好ましく、メタノールが更に好ましい。 Examples of the solvent in the solution (B) include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol and ethylene glycol; ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; and esters such as ethyl acetate. These solvents may be used alone or in combination of two or more. Among these solvents, alcohols are preferred, methanol and ethanol are more preferred, and methanol is even more preferred, since the one used in the hydrolysis reaction and the condensation reaction and the by-product are the same and are excellent in terms of convenience in production. .
溶液(B)中のテトラアルコキシシランの濃度は、溶液(B)100質量%中、76質量%~89質量%が好ましく、77質量%~88質量%がより好ましい。溶液(B)中のテトラアルコキシシランの濃度が76質量%以上であると、用いる溶媒の量を低減することができ、シリカ粒子の生産性に優れる。また、溶液(B)中のテトラアルコキシシランの濃度が89質量%以下であると、反応液中でのテトラアルコキシシランの分散性に優れる。 The concentration of the tetraalkoxysilane in the solution (B) is preferably 76% by mass to 89% by mass, more preferably 77% by mass to 88% by mass, based on 100% by mass of the solution (B). When the concentration of the tetraalkoxysilane in the solution (B) is 76% by mass or more, the amount of solvent used can be reduced, resulting in excellent productivity of silica particles. Moreover, when the concentration of the tetraalkoxysilane in the solution (B) is 89% by mass or less, the dispersibility of the tetraalkoxysilane in the reaction solution is excellent.
溶液(B)中の溶媒の濃度は、溶液(B)100質量%中、11質量%~24質量%が好ましく、12質量%~23質量%がより好ましい。溶液(B)中の溶媒の濃度が11質量%以上であると、反応液中でのテトラアルコキシシランの分散性に優れる。また、溶液(B)中の溶媒の濃度が24質量%以下であると、用いる溶媒の量を低減することができ、シリカ粒子の生産性に優れる。溶液(B)中の溶媒の濃度は、溶液(B)のテトラアルコキシシランの残部であることが好ましい。 The concentration of the solvent in the solution (B) is preferably 11% by mass to 24% by mass, more preferably 12% by mass to 23% by mass, based on 100% by mass of the solution (B). When the concentration of the solvent in the solution (B) is 11% by mass or more, the tetraalkoxysilane is excellent in dispersibility in the reaction liquid. Moreover, when the concentration of the solvent in the solution (B) is 24% by mass or less, the amount of the solvent to be used can be reduced, and the productivity of the silica particles is excellent. The concentration of solvent in solution (B) is preferably the balance of the tetraalkoxysilane in solution (B).
溶液(A)への溶液(B)の添加速度は、10gシリカ/時/kg溶液~300gシリカ/時/kg溶液が好ましく、40gシリカ/時/kg溶液~200gシリカ/時/kg溶液がより好ましい。溶液(B)の添加速度が10gシリカ/時/kg溶液以上であると、反応時間が短縮され、生産性に優れる。また、溶液(B)の添加速度が300gシリカ/時/kg溶液以下であると、反応液中でのテトラアルコキシシランの分散性に優れる。
ここで、「gシリカ/時/kg溶液」とは、溶液(A)1kgに対して、1時間当たりに添加する溶液(B)中のテトラアルコキシシランの質量をシリカの質量に換算した値(g)を表す。
The rate of addition of solution (B) to solution (A) is preferably 10 g silica/h/kg solution to 300 g silica/h/kg solution, more preferably 40 g silica/h/kg solution to 200 g silica/h/kg solution. preferable. When the addition rate of the solution (B) is 10 g silica/hour/kg solution or more, the reaction time is shortened and the productivity is excellent. Further, when the addition rate of the solution (B) is 300 g silica/hour/kg solution or less, the tetraalkoxysilane is excellent in dispersibility in the reaction liquid.
Here, "g silica/hour/kg solution" is a value obtained by converting the mass of tetraalkoxysilane in solution (B) added per hour to 1 kg of solution (A) into mass of silica ( g).
溶液(C)は、水を含む。 Solution (C) contains water.
溶液(C)は、加水分解反応及び縮合反応を効率よく進行させることができることから、アルカリ触媒を含んでもよい。 The solution (C) may contain an alkali catalyst since it allows the hydrolysis reaction and condensation reaction to proceed efficiently.
溶液(C)中のアルカリ触媒としては、例えば、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、アンモニア、尿素、エタノールアミン、テトラメチル水酸化アンモニウム等が挙げられる。これらのアルカリ触媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのアルカリ触媒の中でも、触媒作用に優れ、粒子形状を制御しやすく、金属の混入を抑制することができ、揮発性が高く加水分解反応及び縮合反応後の除去性に優れることから、アンモニアが好ましい。 Examples of the alkali catalyst in the solution (C) include ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, ammonia, urea, ethanolamine, tetramethylammonium hydroxide and the like. One of these alkali catalysts may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. Among these alkali catalysts, ammonia is excellent in catalytic action, easy to control particle shape, can suppress metal contamination, has high volatility and is excellent in removability after hydrolysis reaction and condensation reaction. preferable.
溶液(C)は、水以外の溶媒を含んでもよい。 Solution (C) may contain a solvent other than water.
溶液(C)中の水以外の溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等のアルコール等が挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of solvents other than water in the solution (C) include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and ethylene glycol. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
溶液(C)中の水の濃度は、溶液(C)100質量%中、95質量%~100質量%が好ましく、96質量%~99質量%がより好ましい。溶液(C)中の水の濃度が95質量%以上であると、加水分解反応で生成するケイ酸の反応液中での分散性に優れる。 The concentration of water in the solution (C) is preferably 95% by mass to 100% by mass, more preferably 96% by mass to 99% by mass, based on 100% by mass of the solution (C). When the concentration of water in the solution (C) is 95% by mass or more, the silicic acid produced by the hydrolysis reaction is excellent in dispersibility in the reaction liquid.
溶液(C)中のアルカリ触媒の濃度は、溶液(C)100質量%中、0質量%~5質量%が好ましく、1質量%~4質量%がより好ましい。溶液(C)中のアルカリ触媒の濃度が5質量%以下であると、反応が過度に速く進行せず、反応制御性に優れる。 The concentration of the alkali catalyst in the solution (C) is preferably 0% by mass to 5% by mass, more preferably 1% by mass to 4% by mass, based on 100% by mass of the solution (C). When the concentration of the alkali catalyst in the solution (C) is 5% by mass or less, the reaction does not proceed excessively quickly, resulting in excellent reaction controllability.
溶液(C)中の水以外の溶媒の濃度は、水とアルカリ触媒の残部とすることが好ましい。 The concentration of the solvent other than water in the solution (C) is preferably the balance of water and the alkali catalyst.
溶液(A)への溶液(C)の添加速度は、例えば、溶液(C)がアルカリ触媒を含む場合、0.4gアルカリ触媒/時/kg溶液~12gアルカリ触媒/時/kg溶液が好ましく、1.7gアルカリ触媒/時/kg溶液~7.7gアルカリ触媒/時/kg溶液がより好ましい。溶液(C)の添加速度が0.4gアルカリ触媒/時/kg溶液以上であると、シリカ粒子の凝集を抑制し、得られる分散液中のシリカ粒子の分散安定性に優れる。また、溶液(C)の添加速度が12gアルカリ触媒/時/kg溶液以下であると、反応が過度に速く進行せず、反応制御性に優れる。
ここで、「gアルカリ触媒/時/kg溶液」とは、溶液(A)1kgに対して、1時間当たりに添加する溶液(C)中のアルカリ触媒の質量(g)を表す。
The rate of addition of the solution (C) to the solution (A) is, for example, when the solution (C) contains an alkali catalyst, preferably 0.4 g alkali catalyst/hour/kg solution to 12 g alkali catalyst/hour/kg solution, 1.7 g alkaline catalyst/hour/kg solution to 7.7 g alkaline catalyst/hour/kg solution is more preferred. When the addition rate of the solution (C) is 0.4 g alkali catalyst/hour/kg solution or more, aggregation of the silica particles is suppressed, and the dispersion stability of the silica particles in the resulting dispersion is excellent. Further, when the addition rate of the solution (C) is 12 g alkali catalyst/hour/kg of solution or less, the reaction does not proceed excessively fast, and the reaction controllability is excellent.
Here, "g alkali catalyst/hour/kg solution" represents the mass (g) of the alkali catalyst in solution (C) added per hour to 1 kg of solution (A).
加水分解反応及び縮合反応の反応系内の水の濃度は、反応槽内の反応液100質量%中、3質量%~30質量%に維持することが好ましく、5質量%~25質量%に維持することがより好ましい。反応系内の水の濃度が3質量%以上であると、中間生成物であるケイ酸の反応液中での分散性に優れる。また、反応系内の水の濃度が30質量%以下であると、反応液中でのテトラアルコキシシランの分散性に優れる。
ここで、反応系内の水の濃度とは、加水分解反応及び縮合反応における反応系内の液体及び液体に溶解した物質の総量中の水の総量をいう。反応系内の液体及び液体に溶解した物質の総量は、反応開始時は溶液(A)のみとなり、反応中は溶液(A)、溶液(B)、溶液(C)及び反応で生成したアルコールの総量となる。反応系内の液体及び液体に溶解した物質に、液体に分散しているシリカ粒子は含まない。
The concentration of water in the reaction system of the hydrolysis reaction and condensation reaction is preferably maintained at 3% to 30% by mass, preferably 5% to 25% by mass, in 100% by mass of the reaction liquid in the reaction tank. is more preferable. When the concentration of water in the reaction system is 3% by mass or more, the dispersibility of the intermediate silicic acid in the reaction solution is excellent. Moreover, when the concentration of water in the reaction system is 30% by mass or less, the tetraalkoxysilane is excellent in dispersibility in the reaction liquid.
Here, the concentration of water in the reaction system means the total amount of water in the total amount of liquid and substances dissolved in the liquid in the reaction system in the hydrolysis reaction and condensation reaction. The total amount of the liquid and the substances dissolved in the liquid in the reaction system is only the solution (A) at the start of the reaction, and during the reaction, the solution (A), the solution (B), the solution (C) and the alcohol produced in the reaction total amount. The liquid in the reaction system and the substance dissolved in the liquid do not include silica particles dispersed in the liquid.
加水分解反応及び縮合反応の反応系内のアルカリ触媒の濃度は、反応系内の反応液100質量%中、0.5質量%~2.0質量%に維持することが好ましく、0.6質量%~1.5質量%に維持することがより好ましい。反応系内のアルカリ触媒の濃度が0.5質量%以上であると、シリカ粒子の凝集を抑制し、得られるシリカ粒子の分散液中のシリカ粒子の分散安定性に優れる。また、反応系内のアルカリ触媒の濃度が2.0質量%以下であると、反応が過度に速く進行せず、反応制御性に優れる。
ここで、反応系内のアルカリ触媒の濃度とは、加水分解反応及び縮合反応における反応系内の液体及び液体に溶解した物質の総量中のアルカリ触媒の総量をいう。
The concentration of the alkali catalyst in the reaction system of the hydrolysis reaction and condensation reaction is preferably maintained at 0.5% by mass to 2.0% by mass in 100% by mass of the reaction liquid in the reaction system, and 0.6% by mass. % to 1.5% by weight is more preferred. When the concentration of the alkali catalyst in the reaction system is 0.5% by mass or more, aggregation of the silica particles is suppressed, and the dispersion stability of the silica particles in the resulting dispersion of silica particles is excellent. Further, when the concentration of the alkali catalyst in the reaction system is 2.0% by mass or less, the reaction does not proceed excessively fast, and the reaction controllability is excellent.
Here, the concentration of the alkali catalyst in the reaction system means the total amount of the alkali catalyst in the total amount of the liquid and the substances dissolved in the liquid in the reaction system in the hydrolysis reaction and the condensation reaction.
テトラアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応の反応温度(反応系内の反応液の温度)は、15℃~50℃が好ましく、20℃~45℃がより好ましい。反応温度が15℃以上であると、反応が過度に遅く進行せず、制御性に優れる。また、反応温度が50℃以下であると、加水分解反応速度と縮合反応速度のバランスに優れる。 The reaction temperature (the temperature of the reaction liquid in the reaction system) for the hydrolysis reaction and condensation reaction of tetraalkoxysilane is preferably 15°C to 50°C, more preferably 20°C to 45°C. When the reaction temperature is 15° C. or higher, the reaction does not proceed excessively slowly, resulting in excellent controllability. Moreover, when the reaction temperature is 50° C. or lower, the balance between the hydrolysis reaction rate and the condensation reaction rate is excellent.
テトラアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応は、発熱反応であることから、反応温度を制御するために、反応槽又は反応液を冷却しながら行うことが好ましい。
その冷却方法としては特に制限はないが、以下のような方法が挙げられる。
(1) 反応槽の外周に冷却ジャケットを設け、水等の冷却媒体で反応槽全体を冷却する。
(2) 反応槽の反応液中に水等の冷却媒体の循環配管を設け、反応液を冷却する。
上記(1)~(2)の方法は、1種を単独で用いてもよく、2種を併用してもよい。
Since the hydrolysis reaction and condensation reaction of tetraalkoxysilane are exothermic reactions, they are preferably carried out while cooling the reaction vessel or the reaction solution in order to control the reaction temperature.
The cooling method is not particularly limited, but includes the following methods.
(1) A cooling jacket is provided around the outer periphery of the reaction vessel, and the entire reaction vessel is cooled with a cooling medium such as water.
(2) A cooling medium such as water is installed in the reaction liquid in the reaction tank to cool the reaction liquid.
The above methods (1) and (2) may be used singly or in combination of two.
(シリカ粒子の物性)
本発明のシリカ粒子の製造方法により製造されるシリカ粒子の好適物性等について、以下に説明する。
(Physical properties of silica particles)
Preferred physical properties and the like of silica particles produced by the method for producing silica particles of the present invention are described below.
シリカ粒子の平均1次粒子径は、5nm~100nmが好ましく、10nm~60nmがより好ましい。シリカ粒子の平均1次粒子径が5nm以上であると、シリカゾルの保存安定性に優れる。また、シリカ粒子の平均1次粒子径が100nm以下であると、シリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、シリカ粒子の沈降を抑制することができる。 The average primary particle size of silica particles is preferably 5 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 60 nm. When the average primary particle size of the silica particles is 5 nm or more, the storage stability of the silica sol is excellent. Further, when the average primary particle diameter of the silica particles is 100 nm or less, the surface roughness and flaws of the object to be polished typified by a silicon wafer can be reduced, and the sedimentation of the silica particles can be suppressed.
シリカ粒子の平均1次粒子径は、BET法により測定する。具体的には、比表面積自動測定装置を用いてシリカ粒子の比表面積を測定し、下記式(1)を用いて平均1次粒子径を算出する。
平均1次粒子径(nm)=6000/(比表面積(m2/g)×密度(g/cm3))
・・・ (1)
The average primary particle size of silica particles is measured by the BET method. Specifically, the specific surface area of silica particles is measured using an automatic specific surface area measuring device, and the average primary particle size is calculated using the following formula (1).
Average primary particle size (nm) = 6000/(specific surface area (m 2 /g) x density (g/cm 3 ))
... (1)
シリカ粒子の平均1次粒子径は、公知の条件・方法により、所望の範囲に設定することができる。 The average primary particle size of the silica particles can be set within a desired range using known conditions and methods.
シリカ粒子の平均2次粒子径は、10nm~200nmが好ましく、20nm~100nmがより好ましい。シリカ粒子の平均2次粒子径が10nm以上であると、研磨後の洗浄における粒子等の除去性に優れ、シリカゾルの保存安定性に優れる。また、シリカ粒子の平均2次粒子径が200nm以下であると、研磨時のシリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、研磨後の洗浄における粒子等の除去性に優れ、シリカ粒子の沈降を抑制することができる。 The average secondary particle size of silica particles is preferably 10 nm to 200 nm, more preferably 20 nm to 100 nm. When the average secondary particle size of the silica particles is 10 nm or more, the removability of particles and the like in washing after polishing is excellent, and the storage stability of the silica sol is excellent. In addition, when the average secondary particle diameter of the silica particles is 200 nm or less, the surface roughness and scratches of the object to be polished typified by a silicon wafer during polishing can be reduced, and the removability of particles and the like in cleaning after polishing is excellent. , the sedimentation of silica particles can be suppressed.
シリカ粒子の平均2次粒子径は、DLS法(動的光散乱法)により測定する。具体的には、動的光散乱粒子径測定装置を用いて測定する。 The average secondary particle size of silica particles is measured by the DLS method (dynamic light scattering method). Specifically, it is measured using a dynamic light scattering particle size measuring device.
シリカ粒子の平均2次粒子径は、公知の条件・方法により、所望の範囲に設定することができる。 The average secondary particle size of the silica particles can be set within a desired range using known conditions and methods.
シリカ粒子のcv値は、10~50が好ましく、15~40がより好ましく、20~35が更に好ましい。シリカ粒子のcv値が10以上であると、シリコンウェハに代表される被研磨体に対する研磨レートに優れ、シリコンウェハの生産性に優れる。また、シリカ粒子のcv値が50以下であると、研磨時のシリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、研磨後の洗浄における粒子等の除去性に優れる。 The cv value of the silica particles is preferably 10-50, more preferably 15-40, even more preferably 20-35. When the cv value of the silica particles is 10 or more, the polishing rate for an object to be polished typified by a silicon wafer is excellent, and the productivity of silicon wafers is excellent. Further, when the cv value of the silica particles is 50 or less, the surface roughness and flaws of the object to be polished typified by a silicon wafer during polishing can be reduced, and the removability of particles and the like in cleaning after polishing is excellent.
シリカ粒子のcv値は、動的光散乱粒子径測定装置を用いてシリカ粒子の平均2次粒子径を測定し、下記式(2)を用いて算出する。
cv値=(標準偏差(nm)/平均2次粒子径(nm))×100 ・・・ (2)
The cv value of silica particles is calculated using the following formula (2) after measuring the average secondary particle size of silica particles using a dynamic light scattering particle size measuring device.
cv value = (standard deviation (nm)/average secondary particle size (nm)) x 100 (2)
シリカ粒子の会合比は、1.0~4.0が好ましく、1.1~3.0がより好ましい。シリカ粒子の会合比が1.0以上であると、シリコンウェハに代表される被研磨体に対する研磨レートに優れ、シリコンウェハの生産性に優れる。また、シリカ粒子の会合比が4.0以下であると、研磨時のシリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、シリカ粒子の凝集を抑制することができる。 The association ratio of silica particles is preferably 1.0 to 4.0, more preferably 1.1 to 3.0. When the association ratio of silica particles is 1.0 or more, the polishing rate for an object to be polished represented by a silicon wafer is excellent, and the productivity of silicon wafers is excellent. Further, when the association ratio of silica particles is 4.0 or less, surface roughness and flaws of an object to be polished, typified by a silicon wafer, during polishing can be reduced, and aggregation of silica particles can be suppressed.
シリカ粒子の会合比は、前述の測定方法にて測定した平均1次粒子径と前述の測定方法にて測定した平均2次粒子径とから、下記式(3)を用いて算出する。
会合比=平均2次粒子径/平均1次粒子径 ・・・ (3)
The association ratio of silica particles is calculated using the following formula (3) from the average primary particle size measured by the above-described measuring method and the average secondary particle size measured by the above-described measuring method.
Association ratio = average secondary particle size/average primary particle size (3)
シリカ粒子の表面シラノール基密度は、0.1個/nm2~10個/nm2が好ましく、0.5個/nm2~7.5個/nm2がより好ましく、2.0個/nm2~7.0個/nm2が更に好ましい。シリカ粒子の表面シラノール基密度が0.1個/nm2以上であると、シリカ粒子が適度な表面反発を有し、シリカゾルの分散安定性に優れる。また、シリカ粒子の表面シラノール基密度が10個/nm2以下であると、シリカ粒子が適度な表面反発を有し、シリカ粒子の凝集を抑制することができる。 The surface silanol group density of the silica particles is preferably 0.1/nm 2 to 10/nm 2 , more preferably 0.5/nm 2 to 7.5/nm 2 , and 2.0/nm. 2 to 7.0/nm 2 is more preferable. When the surface silanol group density of the silica particles is 0.1/nm 2 or more, the silica particles have an appropriate surface repulsion and the silica sol has excellent dispersion stability. Further, when the surface silanol group density of the silica particles is 10/nm 2 or less, the silica particles have an appropriate surface repulsion, and aggregation of the silica particles can be suppressed.
シリカ粒子の表面シラノール基密度は、シアーズ法により測定する。具体的には、下記に示す条件で測定、算出する。
シリカ粒子1.5gに相当するシリカゾルを採取し、純水を加えて液量を90mLにする。25℃の環境下、pHが3.6になるまで0.1mol/Lの塩酸水溶液を加え、塩化ナトリウム30gを加え、純水を徐々に加えながら塩化ナトリウムを完全に溶解させ、最終的に試験液の総量が150mLになるまで純水を加え、試験液を得る。
得られた試験液を自動滴定装置に入れ、0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、pHが4.0から9.0になるのに要する0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の滴定量A(mL)を測定する。
下記式(4)を用いて、シリカ粒子1.5gあたりのpHが4.0から9.0になるのに要した0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の消費量V(mL)を算出し、下記式(5)を用いて、シリカ粒子の表面シラノール基密度ρ(個/nm2)を算出する。
V=(A×f×100×1.5)/(W×C) ・・・ (4)
A:シリカ粒子1.5gあたりのpHが4.0から9.0になるのに要した0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の滴定量(mL)
f:用いた0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液の力価
C:シリカゾル中のシリカ粒子の濃度(質量%)
W:シリカゾルの採取量(g)
ρ=(B×NA)/(1018×M×SBET) ・・・ (5)
B:Vから算出したシリカ粒子1.5gあたりのpHが4.0から9.0になるのに要した水酸化ナトリウム量(mol)
NA:アボガドロ数(個/mol)
M:シリカ粒子量(1.5g)
SBET:平均1次粒子径の算出の際に測定したシリカ粒子の比表面積(m2/g)
The surface silanol group density of silica particles is measured by the Sears method. Specifically, it is measured and calculated under the conditions shown below.
Silica sol corresponding to 1.5 g of silica particles is collected, and pure water is added to adjust the liquid volume to 90 mL. Add 0.1 mol / L hydrochloric acid aqueous solution until the pH reaches 3.6 in an environment of 25 ° C., add 30 g of sodium chloride, gradually add pure water to completely dissolve sodium chloride, and finally test Pure water is added until the total volume of the liquid reaches 150 mL to obtain a test liquid.
Put the obtained test solution in an automatic titrator, add dropwise 0.1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution, pH 4.0 to 9.0 0.1 mol / L sodium hydroxide required Measure the titer A (mL) of the aqueous solution.
Using the following formula (4), the consumption V (mL) of 0.1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution required for the pH to change from 4.0 to 9.0 per 1.5 g of silica particles was calculated. Then, the surface silanol group density ρ (number/nm 2 ) of the silica particles is calculated using the following formula (5).
V=(A×f×100×1.5)/(W×C) (4)
A: Titration volume (mL) of 0.1 mol/L sodium hydroxide aqueous solution required for pH to change from 4.0 to 9.0 per 1.5 g of silica particles
f: titer of 0.1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution used C: concentration of silica particles in silica sol (% by mass)
W: amount of silica sol collected (g)
ρ=(B×N A )/(10 18 ×M×S BET ) (5)
B: Amount of sodium hydroxide (mol) required for pH to be from 4.0 to 9.0 per 1.5 g of silica particles calculated from V
N A : Avogadro's number (number/mol)
M: amount of silica particles (1.5 g)
S BET : Specific surface area (m 2 /g) of silica particles measured when calculating average primary particle size
前記シリカ粒子の表面シラノール基密度の測定、算出方法は、「G.W.Sears,Jr., Analytical Chemistry, Vol.28, No.12, pp.1981-1983(1956).」、「羽場真一, 半導体集積回路プロセス用研磨剤の開発, 高知工科大学博士論文, pp.39-45, 2004年3月」、「特許第5967118号公報」、「特許第6047395号公報」を参考にした。 The method for measuring and calculating the surface silanol group density of the silica particles is described in "GW Sears, Jr., Analytical Chemistry, Vol.28, No.12, pp.1981-1983 (1956).", "Shinichi Haba , Development of Abrasive for Semiconductor Integrated Circuit Process, Kochi University of Technology Doctoral Dissertation, pp.39-45, March 2004”, “Patent No. 5967118” and “Patent No. 6047395”.
シリカ粒子の表面シラノール基密度は、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応の条件を調整することで、所望の範囲に設定することができる。 The surface silanol group density of the silica particles can be set within a desired range by adjusting the conditions for the hydrolysis reaction and condensation reaction of the alkoxysilane.
シリカ粒子の形状としては、例えば、球状、鎖状、繭状(こぶ状や落花生状とも称される)、異形状(例えば、疣状、屈曲状、分岐状等)等が挙げられる。これらのシリカ粒子の形状の中でも、研磨時のシリコンウェハに代表される被研磨体の表面粗さや傷を低減させたい場合は、球状が好ましく、シリコンウェハに代表される被研磨体に対する研磨レートをより高めたい場合は、異形状が好ましい。 Examples of the shape of silica particles include spherical, chain, cocoon-like (also referred to as knob-like and peanut-like), and irregular shapes (eg, wart-like, curved, branched, etc.). Among these silica particles, when it is desired to reduce the surface roughness and scratches of an object to be polished such as a silicon wafer during polishing, a spherical shape is preferable. If you want to raise it more, the irregular shape is preferable.
(シリカゾルの製造方法)
本発明のシリカゾルの製造方法は、本発明のシリカ粒子の製造方法を含む。
(Method for producing silica sol)
The method for producing silica sol of the present invention includes the method for producing silica particles of the present invention.
本発明のシリカゾルの製造方法は、不必要な成分を除去し、必要な成分を添加してシリカゾルを所望の成分とすることができることから、本発明のシリカ粒子の製造方法で得られたシリカ粒子の分散液中の分散媒を置換する置換工程を有することが好ましい。
また、本発明のシリカゾルの製造方法は、シリカ粒子の縮合度を高めることができることから、置換工程で得られたシリカ粒子の分散液を加圧加熱処理する加圧加熱工程を有することが好ましい。
以下、各工程について説明する。
The method for producing a silica sol of the present invention removes unnecessary components and adds necessary components to make the silica sol a desired component. Therefore, the silica particles obtained by the method for producing silica particles of the present invention It is preferable to have a replacement step of replacing the dispersion medium in the dispersion of.
In addition, since the method for producing a silica sol of the present invention can increase the degree of condensation of silica particles, it is preferable to include a pressure heating step of pressurizing and heating the dispersion of silica particles obtained in the substitution step.
Each step will be described below.
(置換工程)
置換工程では、分散媒を置換することで、シリカ粒子の分散液中のアルコールや、アンモニア等のアルカリ触媒を除去することが好ましい。
置換工程でシリカ粒子の分散液中の分散媒を置換するために添加する分散媒としては、所望の分散媒を選択することができる。
(Replacement step)
In the replacement step, it is preferable to remove the alcohol and the alkali catalyst such as ammonia in the silica particle dispersion liquid by replacing the dispersion medium.
A desired dispersion medium can be selected as the dispersion medium added to replace the dispersion medium in the dispersion liquid of the silica particles in the replacement step.
置換工程でシリカ粒子の分散液中の分散媒を除去するには、シリカ粒子の分散液中の分散媒を常圧下又は減圧下で加熱して蒸発させる方法が好ましい。このときの加熱温度は、置換時の圧力条件下での分散媒の沸点又は沸点より若干高い温度とすればよく、50℃~150℃が好ましい。 In order to remove the dispersion medium in the dispersion of silica particles in the replacement step, a method of heating and evaporating the dispersion medium in the dispersion of silica particles under normal pressure or reduced pressure is preferred. The heating temperature at this time may be the boiling point of the dispersion medium or a temperature slightly higher than the boiling point under the pressure conditions at the time of replacement, and is preferably 50°C to 150°C.
置換工程でシリカ粒子の分散液に添加する分散媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等が挙げられる。これらの分散媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの分散媒の中でも、シリカ粒子との親和性に優れることから、水、アルコールが好ましく、水がより好ましい。 Examples of the dispersion medium added to the dispersion of silica particles in the substitution step include water, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, ethylene glycol, and the like. These dispersion media may be used singly or in combination of two or more. Among these dispersion media, water and alcohol are preferred, and water is more preferred, since they have excellent affinity with silica particles.
置換工程において、シリカ粒子の分散液中の分散媒の除去と、新たな分散媒の添加は同時に行ってもよく、いずれか一方を先に行い、他方を後に行ってもよい。 In the replacement step, the removal of the dispersion medium in the silica particle dispersion and the addition of the new dispersion medium may be performed simultaneously, or one of them may be performed first and the other may be performed later.
置換工程は、置換時の加熱を効率的に進めることができ、生産性に優れ、低い金属含有率を維持できることから、表面(接液面)にフッ素樹脂層を有する容器を用いて行うことが好ましい。 The replacement step can be carried out using a container having a fluororesin layer on the surface (wetted surface), since the heating at the time of replacement can be efficiently advanced, the productivity is excellent, and a low metal content can be maintained. preferable.
表面にフッ素樹脂層を有する容器は、工業スケールの設計が可能で、機械強度に優れることから、金属製の容器の表面にフッ素樹脂層を有する容器が好ましく、耐食性に優れることから、ステンレス製の容器の表面にフッ素樹脂層を有する容器がより好ましい。 Containers with a fluororesin layer on the surface can be designed on an industrial scale and are superior in mechanical strength. A container having a fluororesin layer on the surface of the container is more preferable.
容器の表面にフッ素樹脂層を設ける方法は、製造加工が容易であることから、容器の表面に前述の通り、静電塗装によりフッ素樹脂を焼き付ける方法が好ましいが、熱着プレスによるコーティングも採用可能である。
フッ素樹脂層の種類及びフッ素樹脂層の厚さについては、前述の反応槽の表面に設けるフッ素樹脂層と同様のものを採用することができる。
As for the method of providing a fluororesin layer on the surface of the container, it is preferable to bake the fluororesin on the surface of the container by electrostatic coating, as described above, because it is easy to manufacture and process. is.
As for the type and thickness of the fluororesin layer, the same ones as those for the fluororesin layer provided on the surface of the reaction vessel can be employed.
容器の容積は、0.1m3~20m3が好ましく、0.2m3~10m3がより好ましく、0.5m3~5m3が更に好ましい。容器の容積が0.1m3以上であると、シリカ粒子の生産性に優れる。また、容器の容積が20m3以下であると、置換時の加熱を効率的に進めることができる。 The volume of the container is preferably 0.1 m 3 to 20 m 3 , more preferably 0.2 m 3 to 10 m 3 , still more preferably 0.5 m 3 to 5 m 3 . When the volume of the container is 0.1 m 3 or more, the productivity of silica particles is excellent. Further, when the volume of the container is 20 m 3 or less, heating during replacement can proceed efficiently.
(加圧加熱工程)
置換工程で得られたシリカ粒子の分散液を加圧加熱処理する際の圧力は、0.10MPa~2.3MPaが好ましく、0.14MPa~1.0MPaがより好ましい。加圧加熱処理の圧力が0.10MPa以上であると、シリカ粒子の縮合度を高めることができる。また、加圧加熱処理の圧力が2.3MPa以下であると、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比を大きく変化させることなくシリカゾルを製造することができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。
加圧は、密閉した状態でシリカ粒子の分散液を分散媒の沸点以上に加熱すればよい。密閉した状態でシリカ粒子の水分散液を100℃以上に加熱した場合、圧力は、その温度の飽和水蒸気圧となる。
(Pressure heating step)
The pressure at which the dispersion of silica particles obtained in the substitution step is subjected to pressure and heat treatment is preferably 0.10 MPa to 2.3 MPa, more preferably 0.14 MPa to 1.0 MPa. When the pressure of the pressurized heat treatment is 0.10 MPa or more, the degree of condensation of the silica particles can be increased. Further, when the pressure of the pressurized heat treatment is 2.3 MPa or less, the silica sol can be produced without significantly changing the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles. , excellent dispersion stability of silica sol.
Pressurization may be carried out by heating the dispersion liquid of silica particles to the boiling point or higher of the dispersion medium in a closed state. When the aqueous dispersion of silica particles is heated to 100° C. or higher in a sealed state, the pressure becomes the saturated water vapor pressure at that temperature.
加圧加熱処理の温度は、100℃~220℃が好ましく、110℃~180℃がより好ましい。加圧加熱処理の温度が100℃以上であると、シリカ粒子の縮合度を高めることができる。また、加圧加熱処理の温度が220℃以下であると、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比を大きく変化させることなくシリカゾルを製造することができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。 The temperature of the pressurized heat treatment is preferably 100°C to 220°C, more preferably 110°C to 180°C. When the temperature of the pressurized heat treatment is 100° C. or higher, the degree of condensation of the silica particles can be increased. Further, when the temperature of the pressurized heat treatment is 220 ° C. or less, the silica sol can be produced without significantly changing the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles. Excellent dispersion stability of silica sol.
加圧加熱処理の時間は、0.25時間~10時間が好ましく、0.5時間~8時間がより好ましい。加圧加熱処理の時間が0.25時間以上であると、シリカ粒子の縮合度を高めることができる。また、加圧加熱処理の時間が10時間以下であると、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比を大きく変化させることなくシリカゾルを製造することができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。 The time for the pressurized heat treatment is preferably 0.25 hours to 10 hours, more preferably 0.5 hours to 8 hours. The degree of condensation of the silica particles can be increased when the time of the pressurized heat treatment is 0.25 hours or longer. In addition, when the time of the pressure heating treatment is 10 hours or less, the silica sol can be produced without significantly changing the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles. Excellent dispersion stability of silica sol.
加圧加熱処理は、平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比を大きく変化させることなくシリカ粒子の縮合度を高めることができることから、水分散液中で行うことがより好ましい。 Since the pressurized heat treatment can increase the degree of condensation of silica particles without significantly changing the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio, it is more preferable to perform it in an aqueous dispersion. preferable.
加圧加熱処理を水分散液中で行う際のpHは、6.0~8.0が好ましく、6.5~7.8がより好ましい。加圧加熱処理を水分散液中で行う際のpHが6.0以上であると、シリカゾルのゲル化を抑制することができる。また、加圧加熱処理を水分散液中で行う際のpHが8.0以下であると、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比を大きく変化させることなくシリカ粒子の縮合度を高めることができる。 The pH at which the pressure and heat treatment is performed in the aqueous dispersion is preferably 6.0 to 8.0, more preferably 6.5 to 7.8. Gelation of the silica sol can be suppressed when the pH is 6.0 or more when performing the pressurized heat treatment in the aqueous dispersion. In addition, if the pH is 8.0 or less when the pressure and heat treatment is performed in the aqueous dispersion, the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles are greatly changed. The degree of condensation of silica particles can be increased without
加圧加熱工程は、加圧加熱を効率的に進めることができ、生産性に優れ、低い金属含有率を維持できることから、表面にフッ素樹脂層を有する容器を用いることが好ましい。 In the pressurizing and heating step, it is preferable to use a container having a fluororesin layer on the surface, because the pressurizing and heating can be performed efficiently, the productivity is excellent, and a low metal content can be maintained.
表面にフッ素樹脂層を有する容器は、工業スケールの設計が可能で、機械強度に優れることから、金属製の容器の表面にフッ素樹脂層を有する容器が好ましく、耐食性に優れることから、ステンレス製の容器の表面にフッ素樹脂層を有する容器がより好ましい。 Containers with a fluororesin layer on the surface can be designed on an industrial scale and are superior in mechanical strength. A container having a fluororesin layer on the surface of the container is more preferable.
容器の表面にフッ素樹脂層を設ける方法は、製造加工が容易であることから、容器の表面に前述の通り、静電塗装によりフッ素樹脂を焼き付ける方法が好ましいが、熱着プレスによるコーティングも採用可能である。
フッ素樹脂層の種類及びフッ素樹脂層の厚さについては、前述の反応槽の表面に設けるフッ素樹脂層と同様のものを採用することができる。
As for the method of providing a fluororesin layer on the surface of the container, it is preferable to bake the fluororesin on the surface of the container by electrostatic coating, as described above, because it is easy to manufacture and process. is.
As for the type and thickness of the fluororesin layer, the same ones as those for the fluororesin layer provided on the surface of the reaction vessel can be employed.
容器の容積は、0.1m3~20m3が好ましく、0.2m3~10m3がより好ましく、0.5m3~5m3が更に好ましい。容器の容積が0.1m3以上であると、シリカゾルの生産性に優れる。また、容器の容積が20m3以下であると、加圧加熱を効率的に進めることができる。 The volume of the container is preferably 0.1 m 3 to 20 m 3 , more preferably 0.2 m 3 to 10 m 3 , still more preferably 0.5 m 3 to 5 m 3 . When the volume of the container is 0.1 m 3 or more, the silica sol productivity is excellent. Further, when the volume of the container is 20 m 3 or less, the pressurization and heating can proceed efficiently.
シリカゾル中のシリカ粒子の含有率は、シリカゾル全量100質量%中、3質量%~50質量%が好ましく、4質量%~40質量%がより好ましく、5質量%~30質量%が更に好ましい。シリカゾル中のシリカ粒子の含有率が3質量%以上であると、シリコンウェハに代表される被研磨体に対する研磨レートに優れる。また、シリカゾル中のシリカ粒子の含有率が50質量%以下であると、シリカゾルや研磨組成物中のシリカ粒子の凝集を抑制することができ、シリカゾルや研磨組成物の保存安定性に優れる。 The content of silica particles in the silica sol is preferably 3% by mass to 50% by mass, more preferably 4% by mass to 40% by mass, and even more preferably 5% by mass to 30% by mass, based on 100% by mass of the total silica sol. When the content of silica particles in the silica sol is 3% by mass or more, the polishing rate for an object to be polished typified by a silicon wafer is excellent. Further, when the content of silica particles in the silica sol is 50% by mass or less, aggregation of the silica particles in the silica sol or polishing composition can be suppressed, and the storage stability of the silica sol or polishing composition is excellent.
シリカゾル中の分散媒の含有率は、シリカゾル全量100質量%中、50質量%~97質量%が好ましく、60質量%~96質量%がより好ましく、70質量%~95質量%が更に好ましい。シリカゾル中の分散媒の含有率が50質量%以上であると、シリカゾルや研磨組成物中のシリカ粒子の凝集を抑制することができ、シリカゾルや研磨組成物の保存安定性に優れる。また、シリカゾル中の分散媒の含有率が97質量%以下であると、シリコンウェハに代表される被研磨体に対する研磨レートに優れる。 The content of the dispersion medium in the silica sol is preferably 50% by mass to 97% by mass, more preferably 60% by mass to 96% by mass, and even more preferably 70% by mass to 95% by mass, based on 100% by mass of the total silica sol. When the content of the dispersion medium in the silica sol is 50% by mass or more, aggregation of silica particles in the silica sol or polishing composition can be suppressed, and the storage stability of the silica sol or polishing composition is excellent. Moreover, when the content of the dispersion medium in the silica sol is 97% by mass or less, the polishing rate for an object to be polished represented by a silicon wafer is excellent.
シリカゾル中のシリカ粒子や分散媒の含有率は、置換工程において、所望の範囲に設定することができる。 The content of silica particles and dispersion medium in the silica sol can be set within a desired range in the replacement step.
シリカゾルは、シリカ粒子及び分散媒以外に、その性能を損なわない範囲において、必要に応じて、酸化剤、防腐剤、防黴剤、pH調整剤、pH緩衝剤、界面活性剤、キレート剤、抗菌殺生物剤等の他の成分を含んでもよい。
特に、シリカゾルの保存安定性に優れることから、シリカゾル中に抗菌殺生物剤を含ませることが好ましい。
Silica sol, in addition to silica particles and a dispersion medium, optionally contains oxidizing agents, preservatives, antifungal agents, pH adjusters, pH buffers, surfactants, chelating agents, antibacterial Other ingredients such as biocides may be included.
In particular, it is preferable to incorporate an antibacterial and biocidal agent into the silica sol, since the silica sol has excellent storage stability.
抗菌殺生物剤としては、例えば、過酸化水素、アンモニア、第四級アンモニウム水酸化物、第四級アンモニウム塩、エチレンジアミン、グルタルアルデヒド、p-ヒドロキシ安息香酸メチル、亜塩素酸ナトリウム等が挙げられる。これらの抗菌殺生物剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの抗菌殺生物剤の中でも、シリカゾルとの親和性に優れることから、過酸化水素が好ましい。
抗菌殺生物剤は、一般に殺菌剤と言われるものも含む。
Antimicrobial biocides include, for example, hydrogen peroxide, ammonia, quaternary ammonium hydroxides, quaternary ammonium salts, ethylenediamine, glutaraldehyde, methyl p-hydroxybenzoate, sodium chlorite, and the like. One of these antibacterial and biocidal agents may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. Among these antibacterial and biocidal agents, hydrogen peroxide is preferred because of its excellent affinity with silica sol.
Antimicrobial biocides also include what is commonly referred to as fungicides.
シリカゾル中の抗菌殺生物剤の含有率は、シリカゾル全量100質量%中、0.0001質量%~10質量%が好ましく、0.001質量%~1質量%がより好ましい。シリカゾル中の抗菌殺生物剤の含有率が0.0001質量%以上であると、シリカゾルの保存安定性に優れる。シリカゾル中の抗菌殺生物剤の含有率が10質量%以下であると、シリカゾルの本来の性能を損なわない。 The content of the antibacterial biocidal agent in the silica sol is preferably 0.0001% by mass to 10% by mass, more preferably 0.001% by mass to 1% by mass, based on 100% by mass of the total silica sol. When the content of the antimicrobial biocidal agent in the silica sol is 0.0001% by mass or more, the storage stability of the silica sol is excellent. If the content of the antibacterial biocidal agent in the silica sol is 10% by mass or less, the original performance of the silica sol is not impaired.
シリカゾルのpHは、6.0~8.0が好ましく、6.5~7.8がより好ましい。シリカゾルのpHが6.0以上であると、分散安定性に優れ、シリカ粒子の凝集を抑制することができる。また、シリカゾルのpHが8.0以下であると、シリカ粒子の溶解を防ぎ、長期間の保存安定性に優れる。
シリカゾルのpHは、pH調整剤を添加することで、所望の範囲に設定することができる。
The pH of the silica sol is preferably 6.0-8.0, more preferably 6.5-7.8. When the pH of the silica sol is 6.0 or higher, the dispersion stability is excellent and aggregation of silica particles can be suppressed. Moreover, when the pH of the silica sol is 8.0 or less, dissolution of the silica particles is prevented, and the long-term storage stability is excellent.
The pH of the silica sol can be set within a desired range by adding a pH adjuster.
シリカゾルに不純物として混入した金属含有率(金属不純物含有率)は、1ppm以下が好ましく、0.2ppm以下がより好ましい。 The content of metals mixed as impurities in the silica sol (content of metal impurities) is preferably 1 ppm or less, more preferably 0.2 ppm or less.
シリコンウェハの研磨において、金属不純物が被研磨体の表面に付着し、被研磨体を汚染することで、被研磨体や最終製品の特性に悪影響を及ぼす。
また、シリカゾルに金属不純物が存在すると、酸性を示す表面シラノール基と金属不純物とが配位的な相互作用が発生し、表面シラノール基の化学的性質(酸性度等)を変化させたり、シリカ粒子表面の立体的な環境(シリカ粒子の凝集のしやすさ等)を変化させたり、研磨レートに影響を及ぼす。
In the polishing of silicon wafers, metal impurities adhere to the surface of the object to be polished and contaminate the object to be polished, thereby adversely affecting the characteristics of the object to be polished and the final product.
In addition, when metal impurities are present in the silica sol, coordinated interaction occurs between the surface silanol groups showing acidity and the metal impurities, which changes the chemical properties (acidity, etc.) of the surface silanol groups, It changes the three-dimensional environment of the surface (easiness of aggregation of silica particles, etc.) and affects the polishing rate.
シリカゾルの金属含有率は、高周波誘導結合プラズマ質量分析法(ICP-MS)により測定する。具体的には、シリカ粒子0.4g含むシリカゾルを正確に量り取り、硫酸とフッ酸を加え、加温、溶解、蒸発させ、残存した硫酸滴に総量が正確に10gとなるよう純水を加えて試験液を作成し、高周波誘導結合プラズマ質量分析装置を用いて測定する。対象の金属は、ナトリウム、カリウム、鉄、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛、コバルト、クロム、銅、マンガン、鉛、チタン、銀、ニッケルとし、これらの金属の含有率の合計を金属含有率とする。 The metal content of silica sol is measured by high frequency inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Specifically, silica sol containing 0.4 g of silica particles is accurately weighed, sulfuric acid and hydrofluoric acid are added, heated, dissolved and evaporated, and pure water is added to the remaining sulfuric acid droplets so that the total amount is exactly 10 g. Prepare a test solution by using a high-frequency inductively coupled plasma mass spectrometer. The target metals are sodium, potassium, iron, aluminum, calcium, magnesium, zinc, cobalt, chromium, copper, manganese, lead, titanium, silver, and nickel, and the total content of these metals is the metal content. .
シリカゾルの金属含有率は、本発明に従って、表面にフッ素樹脂層を有する反応槽内でテトラアルコキシシランを主原料として加水分解反応及び縮合反応を行ってシリカ粒子を得ることで、1ppm以下とすることができる。
水ガラス等の珪酸アルカリの脱イオンによる方法では、原料由来のナトリウム等が残存するため、シリカゾルの金属含有率を1ppm以下とすることが極めて困難である。
According to the present invention, the metal content of the silica sol is 1 ppm or less by obtaining silica particles by performing hydrolysis reaction and condensation reaction using tetraalkoxysilane as the main raw material in a reaction tank having a fluororesin layer on the surface. can be done.
In the method of deionizing alkali silicate such as water glass, it is extremely difficult to reduce the metal content of the silica sol to 1 ppm or less because sodium and the like derived from raw materials remain.
(研磨組成物)
本発明のシリカゾルの製造方法で得られたシリカゾルは、研磨組成物として好適に用いることができる。
研磨組成物は、本発明のシリカゾルの製造方法により製造されたシリカゾル及び水溶性高分子を含むことが好ましい。
(Polishing composition)
The silica sol obtained by the silica sol production method of the present invention can be suitably used as a polishing composition.
The polishing composition preferably contains the silica sol produced by the method for producing silica sol of the present invention and a water-soluble polymer.
水溶性高分子は、シリコンウェハに代表される被研磨体に対する研磨組成物の濡れ性を高める。水溶性高分子は、水親和性の高い官能基を保有する高分子であることが好ましく、この水親和性の高い官能基とシリカ粒子の表面シラノール基との親和性が高く、研磨組成物中でより近傍にシリカ粒子と水溶性高分子とが安定して分散する。そのため、シリコンウェハに代表される被研磨体への研磨の際、シリカ粒子と水溶性高分子との効果が相乗的に機能する。 A water-soluble polymer enhances the wettability of the polishing composition to an object to be polished, typified by a silicon wafer. The water-soluble polymer is preferably a polymer having a functional group with high water affinity, and the affinity between the functional group with high water affinity and the surface silanol group of the silica particles is high, and the polishing composition contains The silica particles and the water-soluble polymer are stably dispersed in closer proximity. Therefore, the effects of the silica particles and the water-soluble polymer work synergistically when polishing an object to be polished, typified by a silicon wafer.
水溶性高分子としては、例えば、セルロース誘導体、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピロリドン骨格を有する共重合体、ポリオキシアルキレン構造を有する重合体等が挙げられる。 Examples of water-soluble polymers include cellulose derivatives, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, copolymers having a polyvinylpyrrolidone skeleton, and polymers having a polyoxyalkylene structure.
セルロース誘導体としては、例えば、ヒドロキシエチルセルロース、加水分解処理を施したヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。
ポリビニルピロリドン骨格を有する共重合体としては、例えば、ポリビニルアルコールとポリビニルピロリドンとのグラフト共重合体等が挙げられる。
ポリオキシアルキレン構造を有する重合体としては、例えば、ポリオキシエチレン、ポリオキシプロピレン、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとの共重合体等が挙げられる。
Examples of cellulose derivatives include hydroxyethylcellulose, hydrolyzed hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxyethylmethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, methylcellulose, ethylcellulose, ethylhydroxyethylcellulose, carboxymethylcellulose and the like.
Examples of copolymers having a polyvinylpyrrolidone skeleton include graft copolymers of polyvinyl alcohol and polyvinylpyrrolidone.
Examples of polymers having a polyoxyalkylene structure include polyoxyethylene, polyoxypropylene, copolymers of ethylene oxide and propylene oxide, and the like.
これらの水溶性高分子は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの水溶性高分子の中でも、シリカ粒子の表面シラノール基との親和性が高く、相乗的に作用して被研磨体の表面に良好な親水性を与えることから、セルロース誘導体が好ましく、ヒドロキシエチルセルロースがより好ましい。 These water-soluble polymers may be used singly or in combination of two or more. Among these water-soluble polymers, cellulose derivatives are preferred because they have a high affinity with the surface silanol groups of silica particles and act synergistically to impart good hydrophilicity to the surface of the object to be polished, and hydroxyethyl cellulose. is more preferred.
水溶性高分子の質量平均分子量は、1,000~3,000,000が好ましく、5,000~2,000,000がより好ましく、10,000~1,000,000が更に好ましい。水溶性高分子の質量平均分子量が1,000以上であると、研磨組成物の親水性が向上する。また、水溶性高分子の質量平均分子量が3,000,000以下であると、シリカゾルとの親和性に優れ、シリコンウェハに代表される被研磨体に対する研磨レートに優れる。 The weight average molecular weight of the water-soluble polymer is preferably 1,000 to 3,000,000, more preferably 5,000 to 2,000,000, even more preferably 10,000 to 1,000,000. When the weight average molecular weight of the water-soluble polymer is 1,000 or more, the hydrophilicity of the polishing composition is improved. Further, when the weight average molecular weight of the water-soluble polymer is 3,000,000 or less, the affinity with silica sol is excellent, and the polishing rate for an object to be polished such as a silicon wafer is excellent.
水溶性高分子の質量平均分子量は、ポリエチレンオキサイド換算で、0.1mol/LのNaCl溶液を移動相とする条件で、サイズ排除クロマトグラフィーにより測定する。 The mass-average molecular weight of the water-soluble polymer is measured by size exclusion chromatography in terms of polyethylene oxide under the condition that a 0.1 mol/L NaCl solution is used as a mobile phase.
研磨組成物中の水溶性高分子の含有率は、研磨組成物全量100質量%中、0.02質量%~10質量%が好ましく、0.05質量%~5質量%がより好ましい。研磨組成物中の水溶性高分子の含有率が0.02質量%以上であると、研磨組成物の親水性が向上する。また、研磨組成物中の水溶性高分子の含有率が10質量%以下であると、研磨組成物調製時のシリカ粒子の凝集を抑制することができる。 The content of the water-soluble polymer in the polishing composition is preferably 0.02% by mass to 10% by mass, more preferably 0.05% by mass to 5% by mass, based on 100% by mass of the total amount of the polishing composition. When the content of the water-soluble polymer in the polishing composition is 0.02% by mass or more, the hydrophilicity of the polishing composition is improved. Further, when the content of the water-soluble polymer in the polishing composition is 10% by mass or less, aggregation of silica particles during preparation of the polishing composition can be suppressed.
研磨組成物は、シリカゾル及び水溶性高分子以外に、その性能を損なわない範囲において、必要に応じて、塩基性化合物、研磨促進剤、界面活性剤、親水性化合物、防腐剤、防黴剤、pH調整剤、pH緩衝剤、界面活性剤、キレート剤、抗菌殺生物剤等の他の成分を含んでもよい。
特に、シリコンウェハに代表される被研磨体の表面に化学的な作用を与えて化学的研磨(ケミカルエッチング)ができ、シリカ粒子の表面シラノール基との相乗効果により、シリコンウェハに代表される被研磨体の研磨速度を向上させることができることから、研磨組成物中に塩基性化合物を含ませることが好ましい。
In addition to the silica sol and the water-soluble polymer, the polishing composition optionally contains a basic compound, a polishing accelerator, a surfactant, a hydrophilic compound, an antiseptic, an anti-mold agent, as long as the performance of the polishing composition is not impaired. Other ingredients such as pH adjusters, pH buffers, surfactants, chelating agents, antimicrobial biocides, etc. may be included.
In particular, chemical polishing (chemical etching) can be performed by giving a chemical action to the surface of an object to be polished, typified by a silicon wafer. It is preferable to include a basic compound in the polishing composition because it can improve the polishing rate of the polishing body.
塩基性化合物としては、例えば、有機塩基性化合物、アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸水素塩、アルカリ金属炭酸塩、アンモニア等が挙げられる。これらの塩基性化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの塩基性化合物の中でも、水溶性が高く、シリカ粒子や水溶性高分子との親和性に優れることから、アンモニア、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウムが好ましく、アンモニア、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウムがより好ましく、アンモニアが更に好ましい。 Basic compounds include, for example, organic basic compounds, alkali metal hydroxides, alkali metal hydrogencarbonates, alkali metal carbonates, and ammonia. These basic compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. Among these basic compounds, ammonia, tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, ammonium hydrogencarbonate, and ammonium carbonate are preferred because they are highly water-soluble and have excellent affinity with silica particles and water-soluble polymers. , ammonia, tetramethylammonium hydroxide, and tetraethylammonium hydroxide are more preferred, and ammonia is even more preferred.
研磨組成物中の塩基性化合物の含有率は、研磨組成物全量100質量%中、0.001質量%~5質量%が好ましく、0.01質量%~3質量%がより好ましい。研磨組成物中の塩基性化合物の含有率が0.001質量%以上であると、シリコンウェハに代表される被研磨体の研磨速度を向上させることができる。また、研磨組成物中の塩基性化合物の含有率が5質量%以下であると、研磨組成物の安定性に優れる。 The content of the basic compound in the polishing composition is preferably 0.001% by mass to 5% by mass, more preferably 0.01% by mass to 3% by mass, based on 100% by mass of the total amount of the polishing composition. When the content of the basic compound in the polishing composition is 0.001% by mass or more, the polishing rate of an object to be polished typified by a silicon wafer can be improved. Moreover, when the content of the basic compound in the polishing composition is 5% by mass or less, the stability of the polishing composition is excellent.
研磨組成物のpHは、8.0~12.0が好ましく、9.0~11.0がより好ましい。研磨組成物のpHが8.0以上であると、研磨組成物中のシリカ粒子の凝集を抑制することができ、研磨組成物の分散安定性に優れる。また、研磨組成物のpHが12.0以下であると、シリカ粒子の溶解を抑制することができ、研磨組成物の安定性に優れる。
研磨組成物のpHは、pH調整剤を添加することで、所望の範囲に設定することができる。
The pH of the polishing composition is preferably 8.0 to 12.0, more preferably 9.0 to 11.0. When the pH of the polishing composition is 8.0 or more, aggregation of silica particles in the polishing composition can be suppressed, and the dispersion stability of the polishing composition is excellent. Moreover, when the pH of the polishing composition is 12.0 or less, dissolution of silica particles can be suppressed, and the stability of the polishing composition is excellent.
The pH of the polishing composition can be set within a desired range by adding a pH adjuster.
研磨組成物は、本発明のシリカゾルの製造方法で得られたシリカゾル、水溶性高分子、及び、必要に応じて、他の成分を混合することで得られるが、保管、運搬を考慮し、一旦高濃度で調製し、研磨直前に水等で希釈してもよい。 The polishing composition can be obtained by mixing the silica sol obtained by the silica sol production method of the present invention, a water-soluble polymer, and, if necessary, other components. It may be prepared at a high concentration and diluted with water or the like immediately before polishing.
(研磨方法)
本発明の研磨方法は、本発明のシリカゾルの製造方法で得られたシリカゾルを含む研磨組成物を用いて研磨する方法である。
研磨組成物は、前述した研磨組成物を用いることが好ましい。
具体的な研磨の方法としては、例えば、シリコンウェハの表面を研磨パッドに押し付け、研磨パッド上に研磨組成物を滴下し、シリコンウェハの表面を研磨する方法が挙げられる。
(polishing method)
The polishing method of the present invention is a method of polishing using a polishing composition containing the silica sol obtained by the silica sol production method of the present invention.
As the polishing composition, it is preferable to use the polishing composition described above.
A specific polishing method includes, for example, a method of pressing the surface of a silicon wafer against a polishing pad, dropping a polishing composition onto the polishing pad, and polishing the surface of the silicon wafer.
(用途)
本発明のシリカゾルの製造方法で得られたシリカゾルは、研磨用途に好適に用いることができ、中でもシリコンウェハの研磨や化学的機械的研磨に特に好適に用いることができる。
(Application)
The silica sol obtained by the method for producing a silica sol of the present invention can be suitably used for polishing, and can be particularly suitably used for silicon wafer polishing and chemical mechanical polishing.
以下、実施例に代る実験例と比較実験例を用いて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、以下の実施例の記載に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail using experimental examples and comparative experimental examples in place of examples, but the present invention is not limited to the description of the following examples unless it departs from the gist thereof. Absent.
(サンプル)
シリカ粒子/メタノール/アンモニア/水=6/58/3.4/32.6(質量%)のシリカゾルをサンプルとして用いた。
シリカ粒子は、テトラメトキシシランを加水分解反応及び縮合反応して製造したものである。
(sample)
A silica sol of silica particles/methanol/ammonia/water=6/58/3.4/32.6 (% by mass) was used as a sample.
Silica particles are produced by hydrolyzing and condensing tetramethoxysilane.
(各金属の含有率の測定)
シリカ粒子0.4g含むサンプルを正確に量り取り、硫酸とフッ酸を加え、加温・溶解・蒸発させ、残存した硫酸滴に総量が正確に10gとなるよう純水を加えて試験液を作成し、高周波誘導結合プラズマ質量分析装置「ELEMENT2」(機種名、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を用いて、表1に示す各金属の含有率を測定した。
(Measurement of content of each metal)
Accurately weigh a sample containing 0.4 g of silica particles, add sulfuric acid and hydrofluoric acid, heat, dissolve and evaporate, add pure water to the remaining sulfuric acid droplets so that the total amount is exactly 10 g to create a test solution. Then, the content of each metal shown in Table 1 was measured using a high-frequency inductively coupled plasma mass spectrometer "ELEMENT2" (model name, manufactured by Thermo Fisher Scientific).
[実施例1]
ステンレス製の容器の表面にフッ素樹脂(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂)をコーティングした容器(内径2.5cmの有底円筒状の容器、フッ素樹脂層厚さ:300μm)にサンプルを40mL供給し、50℃で24時間撹拌後、サンプル中の各金属の含有率を測定した。
評価結果を表1に示す。
[Example 1]
A sample was placed in a stainless steel container coated with fluororesin (tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer resin) (bottomed cylindrical container with an inner diameter of 2.5 cm, fluororesin layer thickness: 300 μm). After supplying 40 mL and stirring at 50° C. for 24 hours, the content of each metal in the sample was measured.
Table 1 shows the evaluation results.
[実施例2]
撹拌時間を48時間とした以外は、実施例1と同様に操作を行い、サンプル中の各金属の含有率を測定した。
評価結果を表1に示す。
[Example 2]
The content of each metal in the sample was measured in the same manner as in Example 1, except that the stirring time was 48 hours.
Table 1 shows the evaluation results.
[比較例1]
ステンレス製の容器(内径2.5cmの有底円筒状の容器)にサンプルを40mL供給し、50℃で24時間撹拌後、サンプル中の各金属の含有率を測定した。
評価結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
40 mL of a sample was supplied to a stainless steel container (bottomed cylindrical container with an inner diameter of 2.5 cm), stirred at 50° C. for 24 hours, and then the content of each metal in the sample was measured.
Table 1 shows the evaluation results.
[比較例2]
撹拌時間を48時間とした以外は、比較例1と同様に操作を行い、サンプル中の各金属の含有率を測定した。
評価結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
The content of each metal in the sample was measured in the same manner as in Comparative Example 1 except that the stirring time was 48 hours.
Table 1 shows the evaluation results.
[参考例1]
サンプルそのものの各金属の含有率を測定した。
評価結果を表1に示す。
[Reference example 1]
The content of each metal in the sample itself was measured.
Table 1 shows the evaluation results.
比較例1及び比較例2から、ステンレス製の容器を用いると、鉄が多く発生することから、高純度が求められる用途において不適であることが分かる。
これに対して、実施例1及び実施例2から、表面にフッ素樹脂層を有する容器を用いると、低い金属含有率を維持できることが分かる。
From Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the use of a stainless steel container is not suitable for applications requiring high purity because a large amount of iron is generated.
On the other hand, from Examples 1 and 2, it can be seen that a low metal content can be maintained by using a container having a fluororesin layer on its surface.
本発明のシリカゾルの製造方法で得られたシリカゾルは、研磨用途に好適に用いることができ、中でもシリコンウェハの研磨や化学的機械的研磨に特に好適に用いることができる。
The silica sol obtained by the method for producing a silica sol of the present invention can be suitably used for polishing, and can be particularly suitably used for silicon wafer polishing and chemical mechanical polishing.
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