非剛性核-殼結(jié)構(gòu)PS-CeO2復(fù)合微球的可控合成及其性能研究.pdf

1、本文以無皂乳液聚合法制備的聚苯乙烯(PS)微球?yàn)閮?nèi)核,以硝酸鈰和六亞甲基四胺為原料,采用原位化學(xué)沉淀法制備了具有不同微觀結(jié)構(gòu)的核-殼結(jié)構(gòu)PS/CeO2復(fù)合微球。利用X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、納米激光粒度分布儀(DLS)、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(FT-IR)和熱重分析儀(TGA)等手段對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。將所制備的PS/CeO2復(fù)合微球作為磨料用于對(duì)二氧化硅介質(zhì)層的化學(xué)機(jī)械拋光(C

2、MP),用原子力顯微鏡(AFM)考察拋光表面的微觀形貌、表面粗糙度和表面輪廓曲線。研究復(fù)合磨料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)CMP性能的影響。通過測(cè)定PS微球及PS/CeO2復(fù)合微球的AFM力曲線,根據(jù)赫茲接觸模型計(jì)算PS微球以及PS/CeO2復(fù)合微球的楊氏模量,并考察了復(fù)合微球的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其楊氏模量的影響。主要結(jié)果如下:
　　(1)通過無皂乳液聚合法制備了單分散好、粒度分布窄的PS微球,其粒徑分別約為120、170、220和250nm。采用原位化

3、學(xué)沉淀法成功制備了具有核-殼包覆結(jié)構(gòu)的PS/CeO2復(fù)合微球,納米CeO2顆粒在PS微球內(nèi)核表面包覆均勻。通過控制液相合成工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合微球微觀結(jié)構(gòu)的可調(diào)變,制備了具有不同粒徑和/或不同殼厚的PS/CeO2復(fù)合微球,其粒徑分別約為130-150、180-200、230-250和260-280nm,CeO2殼層厚度約為6-16nm。
　　(2)CMP結(jié)果表明,與純CeO2(粒徑約為10-30nm)磨料相比,經(jīng)PS/CeO2復(fù)合磨料

4、拋光后的二氧化硅介質(zhì)層表面平整,無劃痕,且具有更低的表面粗糙度。相對(duì)于堿性(pH=10)拋光漿料,使用酸性(pH=3)漿料拋光后表面可獲得更低的粗糙度值。經(jīng)PS120/CeO26復(fù)合磨料在酸性條件下拋光后表面在5μm×5μm范圍內(nèi)粗糙度Ra值為0.167nm,RMS值為0.214nm。當(dāng)復(fù)合磨料中殼厚約為12nm時(shí),隨著復(fù)合磨料中PS內(nèi)核粒徑的減小,拋光后表面的粗糙度值隨之降低,且表面輪廓曲線更趨于平緩。其中經(jīng)PS120/CeO212復(fù)

5、合磨料拋光后表面在10μm×10μm范圍內(nèi)粗糙度Ra值為0.372nm,RMS值為0.470nm。隨著復(fù)合磨料殼厚的增大,拋光表面的粗糙度值呈先減小后增大的趨勢(shì)。經(jīng)PS120/CeO210復(fù)合磨料拋光后表面在5μm×5μm范圍內(nèi)粗糙度Ra值為0.170nm,RMS值為0.227nm。
　　(3)測(cè)定所制備PS微球和PS/CeO2復(fù)合微球的AFM力曲線,通過赫茲接觸模型計(jì)算其彈性模量。PS微球(粒徑約為220nm)的平均楊氏模量為2

6、.80±0.77GPa;PS120/CeO210、PS170/CeO210、PS220/CeO210和PS250/CeO210復(fù)合磨料的平均楊氏模量分別為7.93±1.50、9.50±2.33、16.37±4.27和18.15±5.07GPa;PS120/CeO210、PS120/CeO212和PS120/CeO216復(fù)合磨料的平均楊氏模量分別為7.93±1.50、8.25±2.87和10.67±3.27GPa。結(jié)果顯示,當(dāng)復(fù)合磨料的殼