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纳米SiO_2浆料的分散稳定性能及其对半导体硅片的电化学作用研究

吴雪兰  
【摘要】:纳米SiO_2以其独特的性能已广泛地应用于化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)以及涂料、橡胶、粘合剂、生物、医学、催化剂等其他众多领域。在CMP浆料制备过程中,如何解决由于颗粒微细、比表面能极高所产生的团聚问题,使纳米SiO_2浆料保持稳定分散,是纳米SiO_2在CMP加工应用中取得预期效果的重要前提。本文综合固体表面化学、胶体化学、界面化学和溶液化学等多学科基础理论知识,在对纳米粉体的分散技术与纳米SiO_2的改性技术进行归纳和总结的基础上,系统研究了水相体系纳米SiO_2浆料的分散稳定性能及其对半导体硅片的电化学腐蚀作用,以期为配制性能优良的纳米SiO_2浆料用于硅片CMP加工提供理论依据和指导。 本文采用Washburn方法研究了纳米SiO_2在水相体系中的润湿性;通过表面ζ电位、吸光度和吸附量的测定探讨了不同水相体系条件和多种表面活性剂对纳米SiO_2浆料分散稳定性能的影响,并运用粉体间相互作用的DLVO及EDLVO理论分析讨论了体系的分散稳定作用机理;采用电化学直流极化和交流阻抗技术研究了半导体硅片在不同pH值纳米SiO_2浆料中的电化学特性。 研究结果表明:水相体系pH为2.45左右时纳米SiO_2的润湿效果最好,其润湿速度最快;而当水相体系的pH为9.52左右时,其润湿效果最差。纳米SiO_2的等电点约为2左右,在pH为9~11之间纳米SiO_2浆料的ζ电位绝对值较高,相应分散性能较好;纳米SiO_2在无分散剂的水相体系中易产生聚沉,加入不同类型表面活性剂可改善纳米SiO_2浆料的分散稳定性,当加入阴/非离子表面活性剂复配物后,能进一步提高体系的分散稳定性能;经理论计算和分析,认为pH值对浆料分散性的影响取决于粉体间双电层的静电排斥力;表面活性剂的分散作用主要是因为在粉体表面形成饱和吸附,增加双电层的厚度及产生空间位阻排斥作用。电化学研究显示,硅片在pH值为9~11之间的纳米SiO_2浆料中腐蚀电流较大,腐蚀速度较快、阻抗最小。


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