Među različitim abrazivnim sistemima, silicijum sol (koloidna disperzija nano{0}}čestica silicijum dioksida u vodi ili rastvaraču) se široko koristi u poliranju dielektričnih materijala kao što su silicijumske pločice, silicijum dioksid i silicijum nitrid zbog svoje umerene tvrdoće, dobre disperzibilnosti i niskog rizika od ogrebotina. Međutim, aplikacije na nivou poluprovodnika- nameću izuzetno stroge zahtjeve za sol silicijevog dioksida: nečistoće metala u tragovima mogu difundirati u uređaje, uzrokujući curenje ili odstupanje praga napona; ne-nejednaka veličina čestica ili prisustvo velikih čestica može dovesti do mikro-ogrebotina na površinama pločice, direktno smanjujući prinos; loša koloidna stabilnost rezultira nestabilnim brzinama poliranja, što utiče na konzistenciju-do- šarže. Stoga, kako pripremiti sol silicijevog dioksida koji istovremeno ispunjava zahtjeve "ultra-visoke čistoće, veličine monodisperznih čestica, kontrolisane morfologije i dugotrajne-stabilnosti" postao je uobičajen izazov i za nauku o materijalima i za industriju poluvodiča.
Izazov 1: Uklanjanje metalnih nečistoća u tragovima
Metalne nečistoće su glavni faktor koji uzrokuje defekte površine pločice i kvar uređaja. Metalni joni kao što su Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu i Pb mogu ostati na površini pločice nakon poliranja, ugrožavajući izolaciju uređaja i uzrokujući curenje, ili difundirati u silicijumsku podlogu tokom procesa visoke{1}}temperature, što dovodi do odstupanja parametara. Shodno tome, sadržaj metalnih nečistoća u silicijum-solu koji se koristi za čip CMP mulj je obično ispod 1 ppm, a za napredne procese čak i ispod 1 ppb po pojedinačnom metalu. U pripremi silicijum sola, međutim, metali u tragovima se unose ne samo iz sirovina (silicijum u prahu, vodeno staklo, silikatni estri) već i iz reakcionih posuda, cjevovoda i aditiva. Konvencionalna filtracija i jonska izmjena ne mogu u potpunosti ukloniti nečistoće na nivou ppb.
Izazov 2: Precizna kontrola monodisperznosti veličine čestica
Kada se koristi suspenzija za poliranje sa širokom distribucijom veličine čestica, velike čestice silicijum dioksida imaju tendenciju stvaranja ogrebotina na površini silikonske pločice i uzrokovati fluktuacije u brzini poliranja ili lokalizirano prekomjerno-poliranje. Stoga su veličina čestica i njihova uniformnost kritični. Tipično, silicijum sol poluprovodnika- zahtijeva veličine čestica u rasponu od 10-50 nm; za high-procese (npr. 5 nm čvor i ispod), potrebna je još finija kontrola, oko 10-30 nm. Međutim, tokom rasta čestica silicijum dioksida lako dolazi do sekundarne nukleacije i aglomeracije, što otežava postizanje istinski monodisperznih čestica. Štaviše, u velikoj{14}}proizvodnji, manje fluktuacije u parametrima kao što su temperatura, pH i brzina dodavanja mogu poremetiti ujednačenost veličine čestica, namećući izuzetno visoke zahtjeve za preciznost procesa.
Izazov 3: Kontrolna morfologija čestica
Iako sferični monodisperzni silicijum-sol koji se koristi kao abraziv može postići dobar kvalitet površine, sferične čestice silicijum dioksida imaju tendenciju da se kotrljaju i imaju male kontaktne površine, što dovodi do niske efikasnosti poliranja. Posljednjih godina, vodeće strane kompanije fokusirale su se na razvoj -sferičnih,-bez ivica, glatkih-abraziva od silicijum dioksida, kao što su bučice-u obliku, u obliku čahure{5}}i elipsoidne čestice. Ove čestice nude prednosti kao što su visoka specifična površina, mekoća i niska sklonost ogrebotinama, pokazujući veliko obećanje za poluvodičko CMP poliranje. Međutim, priprema takvih morfologija ostaje izazovna.
Izazov 4: Osiguravanje-dugoročne stabilnosti
Dugoročna{0}}stabilnost je fundamentalna za industrijsku primjenu silicijum sola. Suspenzija za poliranje poluvodiča mora se čuvati 6-12 mjeseci ili više, što zahtijeva da sol silicijevog dioksida ne gelira, ne raslojava ili ne podliježe rastu čestica u uvjetima širokog pH (8-11) i visokog sadržaja čvrste tvari (30%-40%). Tehnička poteškoća leži u visokoj površinskoj energiji nanočestica, što ih čini sklonim aglomeraciji zbog smanjenog elektrostatičkog odbijanja ili vodonične veze. Dodatno, promjene temperature i kontaminacija ionima nečistoća ubrzavaju koloidnu destabilizaciju. Kontrola stabilnosti postaje eksponencijalno teža pri visokom sadržaju čvrste tvari, što zahtijeva modifikaciju površine i optimizaciju sistema kako bi se poboljšala dugoročna-stabilnost.
Uobičajene metode pripreme silicijum-sola elektronske-klase za poliranje
Trenutno, glavne metode za pripremu silicijum-sola-čistoće su jonska izmjena, hidroliza silicijum praha i sol-gel (hidroliza silikatnih estera). Ove tri metode se značajno razlikuju u odabiru sirovina, čistoći proizvoda, kontroli veličine čestica i troškovima proizvodnje, što ih čini pogodnim za različite razine zahtjeva za poliranje poluvodiča.
1. Metoda jonske izmjene
Također poznat kao metoda vodenog stakla, ovo je najzreliji i najšire korišteni proces. Koristi industrijsko vodeno staklo (natrijum silikat) kao sirovinu, koja se prolazi kroz smolu za kationsku izmjenu kako bi se uklonila Na⁺, a zatim kroz anjonsku izmjenjivačku smolu slabe-bazne za uklanjanje klorida i drugih nečistoća, dajući razrijeđeni silicijum-sol i rastvor aktivne silicijumske kiseline visoke čistoće. Zatim se dodaje stabilizator kako bi se pH podesio na 8,5-10,5, a kroz reakcije nukleacije i rasta čestica, proizvodi se monodisperzni, veličinom -kontrolisan silika sol, koji se konačno koncentrira i pročišćava ultrafiltracijom ili centrifugiranjem.
Prednosti: Pogodno za industrijsku proizvodnju velikih{0}}razmjera, niska cijena sirovina, kontrola veličine čestica do 10–20 nm, a nakon dubinskog pročišćavanja, sadržaj metalnih jona se može kontrolisati do nivoa ppm, zadovoljavajući potrebe niskog{3}}do{4}}srednjeg{{5}poliranja poluvodiča.
Nedostaci: Sirovine za vodeno staklo sadrže mnogo metalnih nečistoća, što otežava pročišćavanje; potrebna je stroga kontrola koncentracije reakcije, pH, temperature itd. kako bi se izbjegla ne-ujednačena veličina čestica ili geliranje; proces također stvara velike količine soli-koje sadrže otpadnu vodu, a regeneracija smole je skupa, uz visok pritisak okoline.
2. Sol-gel metoda
Ova metoda koristi tetraetil ortosilikat visoke - čistoće (TEOS) ili tetrametil ortosilikat (TMOS) kao izvor silicija. U alkoholnom otapalu, hidroliza i polikondenzacija se kataliziraju kiselinom ili bazom kako bi se dobile nanočestice SiO₂, nakon čega slijedi izmjena otapala i koncentracija da se dobije silicijum sol visoke - čistoće. Preciznom kontrolom reakcionih uslova, može se postići doping na molekularnom-nivou, proizvodeći nanočestice silicijum-dioksida ujednačene veličine, morfologije koja se može kontrolirati i visoke čistoće. TEOS je općenito poželjan za industrijsku proizvodnju i laboratorijska istraživanja zbog niže cijene, manje toksičnosti, veće sigurnosti i sporije, više kontrolirane brzine hidrolize. TMOS se vrlo brzo hidrolizira, što dovodi do snažnih reakcija i bržeg stvaranja silicijum-sola, što omogućava visoko-povezanu strukturu gela za kratko vrijeme, ali je reakciju teško kontrolisati.
3. Metoda hidrolize silikonskog praha
Ova metoda koristi silicijumski prah visoke -čistoće kao sirovinu, koji reaguje sa čistom vodom pod katalizom neorganske ili organske baze (npr. natrijum hidroksida) da bi se formirala hidratisana silicijumska kiselina, koja se zatim polimerizuje i formira silicijum sol. Čistoća proizvoda zavisi od čistoće silicijumskog praha, što omogućava pripremu silicijum-sola izuzetno visoke{4}}čistoće sa veoma niskim nivoom nečistoća. Istovremeno, parametre kao što su veličina čestica SiO₂, viskozitet, pH, gustina i čistoća lakše je kontrolisati u poređenju sa drugim metodama. Međutim, kontrola morfologije je teška i postoji rizik od eksplozije vodika.