二氧化硅的離線和在線粒度分析

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一、

硅氧化物如SiO₂是地殼中含量豐富的成分。它在自然界中以結晶形式存在，并在工業上以許多形式制造，包括二氧化硅、氣相二氧化硅、沉淀二氧化硅和硅膠。表1詳細說明一系列二氧化硅的加工過程和典型粒徑。

二氧化硅分散體是致密的（2.1-2.3g/cm³）、無定形顆粒，堿性pH值為9-11，粘度接近水。粒徑范圍通常為5-150nm，寬度從非常窄到寬不等；PDI值在0.008-0.350之間。較小粒徑分散劑通常需要某種形式的穩定劑。

控制二氧化硅懸浮液中的粒徑對于調整其性能以滿足不同應用和行業的特定要求至關重要，原因包括：

• 均勻性和穩定性：懸浮液中一致的粒徑分布可以確保其穩定性和均勻性。它可以防止沉降和團聚，保持混合物均勻，這對最終產品的性能至關重要。

• 流變性能：更小顆粒會增加粘度，影響流動特性?？刂屏接兄诳刂普扯?，這在涂層和印刷油墨等應用中是至關重要的。

• 表面積和反應性：更小的顆粒導致更高的表面積。增加的表面積增強了反應性，使其有利于催化、吸附和其他化學過程。

• 可加工性：更小的顆粒可能會增強性能，但由于表面積增加和處理的潛在困難，可能會使制造過程復雜化。

二氧化硅廣泛用于工業應用，包括干燥劑、粘合劑、造紙、催化劑以及作為CMP拋光液的磨料，Entegris在這些領域擁有豐富的經驗。Entegris還使用二氧化硅懸浮液進行過濾器截留效率測試。Entegris在配制二氧化硅CMP拋光液、進行粒度測試以及設計和制造所使用的粒度分析儀（Nicomp和AccuSizer產品線）方面具有豐富的專業知識。 

表1 二氧化硅

二、

粒徑和表面電荷（zeta電位）都是影響分散穩定性的重要物理特征。創建穩定的分散體涉及控制連續相和分散相的化學和物理性質。通過改變表面活性劑的類型和濃度、改變鹽的濃度、控制pH值以及所有這些因素的組合，可以優化連續相的化學性質。分散相可以通過在表面添加一層聚合物涂層（立體穩定），增加表面電荷（靜電穩定），或通過兩者的結合來使其更加穩定。利用動態光散射（DLS）可以分析二氧化硅懸浮液1的平均粒徑和zeta電位。在Nicomp DLS系統上測量的兩種截然不同的二氧化硅的粒徑分布和zeta電位如圖1所示。窄分布二氧化硅的zeta電位為-18.4 mV，寬分布二氧化硅的zeta電位為-22.1 mV。

圖1 Nicomp DLS二氧化硅的平均粒徑和zeta電位

圖2顯示了平均粒徑為8nm和50nm的兩種二氧化硅混合物的四個Nicomp結果。這些結果表明，Nicomp算法能夠有效地區分雙峰二氧化硅混合物。

圖2 Nicomp雙峰結果

在二氧化硅懸浮液中，即使是小濃度的大顆粒（尾部）也會引起諸如穩定性降低、光學性質改變、表面粗糙度和機械性質等問題。在CMP拋光液中，大顆粒計數（通常定義為>1微米的顆粒濃度 顆/mL）會導致硅晶圓上的缺陷，從而降低半導體產量。

二氧化硅懸浮液的尾部通常使用單顆粒傳感計數（SPOS）進行測量，這是Entegris AccuSizer產品線的工作原理。使用的AccuSizer包括AccuSizer AD，AccuSizer APS和AccuSizer FX Nano系統。儀器的選擇由感興趣的粒徑監測范圍和液體稀釋系統設計決定。AccuSizer AD和APS結合一步、二步稀釋和LE400傳感器，動態粒徑監測范圍為0.5-400µm。AccuSizer APS是最自動化的稀釋系統，能夠準確稀釋樣品高達一百萬倍。圖3上圖顯示了三種不同二氧化硅CMP拋光液的LPC結果，下圖顯示兩次單獨測量的可重復性。

圖3 二氧化硅CMP的AccuSizer APS LPC結果

一些較新的，更清潔的二氧化硅CMP拋光液其大于0.5μm的顆粒很少，因此需要以更小的粒度進行測量。AccuSizer A9000 FX Nano可以測量到0.15μm（150nm）。這仍然是大部分樣品分布的尾部，但在一些樣品中，“工作粒子"也可能出現在這個尺寸范圍內。A9000 FX nano將LE400傳感器與FX Nano相結合，覆蓋0.15-20+µm的寬動態范圍。由于寬廣的動態范圍，AccuSizer FX Nano需要在三個測量范圍（FX Nano高濃度，FX Nano低濃度和LE400）測量樣品，然后將這些結果組合成最終結果。

AccuSizer A9000 FX Nano對二氧化硅CMP拋光液的檢測結果如圖4所示。上圖結果顯示了使用線性刻度的X軸上的粒子計數的微分分布，下圖結果顯示了使用對數刻度的X軸。對數刻度對于尾端大顆粒提供了更好的視覺寫照。

圖4 二氧化硅CMP的AccuSizer FX Nano LPC結果

Entegris是為半導體行業提供CMP過濾器解決方案的供應商。這些過濾器的顆粒截留測試是使用AccuSizer FX Nano進行測試的，因為它具有更低的粒徑檢測下限。圖5顯示了采用0.15-1+µm的過濾器，在不同情況下（實線：循環5分鐘；虛線：循環15分鐘）的截留效率結果。

圖5 AccuSizer FX Nano 過濾器截留數據

三、

Mini DLS系統是一種靈活而簡潔的解決方案，可以適應廣泛的納米顆粒制造工藝，包括研磨、均質或微流控器。帶壓的懸浮液產品連接到Mini DLS系統。然后該樣品自動稀釋，以獲得適合測量的光散射強度。確定粒徑分布并且在重復測量序列之前進行自動清洗。

使用Mini DLS系統模擬監測兩種二氧化硅懸浮液樣品的分析：Ludox TM 50和二氧化硅CMP拋光液，結果如圖6所示。

圖6 過程中二氧化硅樣品的Mini DLS結果

數百個AccuSizer Mini系統安裝在拋光液輸送系統中，以連續監測半導體晶圓廠的LPC濃度。這些Mini系統結合產品特性進行傳感器（LE400，FX和FX Nano）的選擇以及與特定CMP拋光液相匹配的各種稀釋液體系統。Mini LE（LE400傳感器）通常用于標準硅基拋光液，Mini FX Nano用于極其清潔的二氧化硅拋光液。Mini LE和Mini FX Nano對二氧化硅CMP拋光液的檢測結果如圖7所示。

圖7 二氧化硅CMP的Mini LE（上面&中間）和Mini FX Nano結果

四、

Entegris為任何制造或使用二氧化硅懸浮液的企業提供廣泛的粒徑和計數解決方案。平均粒徑可以在離線中使用Nicomp系統和在過在線過程中使用Mini DLS系統進行分析。大顆粒計數（尾部）優先使用AccuSizer離線（實驗室）系統或Mini在線過程分析儀進行分析。在制造和測試儀器、CMP拋光液和過濾器方面的專業知識使Entegris成為任何制造二氧化硅懸浮液客戶的優先選擇合作伙伴。

參考文獻

[1] Entegris application note Mean Particle Size and Zeta Potential Analysis of CMP Slurries

[2]  Entegris application note Detecting Tails in CMP Slurries

[3]  Entegris Mini DLS data sheet