Među raznim abrazivnim sustavima, silicijev sol (koloidna disperzija nano-čestica silicijevog dioksida u vodi ili otapalu) naširoko se koristi u poliranju dielektričnih materijala kao što su silicijeve pločice, silicij dioksid i silicij nitrid zbog svoje umjerene tvrdoće, dobre disperzibilnosti i niskog rizika od grebanja opreme. Međutim, primjene-razreda poluvodiča nameću iznimno stroge zahtjeve za silicij dioksid: tragovi metalnih nečistoća mogu difundirati u uređaje, uzrokujući curenje ili pomak napona praga; ne-ujednačena veličina čestica ili prisutnost velikih čestica može dovesti do mikro-ogrebotina na površinama pločica, izravno smanjujući prinos; loša koloidna stabilnost rezultira nestabilnim brzinama poliranja, što utječe na konzistentnost šarže-na-seriju. Stoga je način pripreme silicijevog dioksida koji istovremeno ispunjava zahtjeve "ultra-visoke čistoće, monodisperzne veličine čestica, kontrolirane morfologije i dugoročne- stabilnosti" postao zajednički izazov i za znanost o materijalima i za industriju poluvodiča.
Izazov 1: Uklanjanje tragova metalnih nečistoća
Metalne nečistoće glavni su čimbenik koji uzrokuje defekte površine vafera i kvar uređaja. Metalni ioni kao što su Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu i Pb mogu ostati na površini ploče nakon poliranja, ugrožavajući izolaciju uređaja i uzrokujući curenje, ili difundirati u silikonsku podlogu tijekom visoko-temperaturnih procesa, što dovodi do pomaka parametara. Posljedično, udio metalnih nečistoća u silicij-dioksidu koji se koristi za kaše CMP-a u komadićima obično mora biti ispod 1 ppm, a za napredne procese čak ispod 1 ppb po pojedinačnom metalu. Međutim, u pripremi silicijevog sola tragovi metala se uvode ne samo iz sirovina (silicijev prah, vodeno staklo, silikatni esteri), već i iz reakcijskih posuda, cjevovoda i aditiva. Konvencionalna filtracija i ionska izmjena ne mogu temeljito ukloniti nečistoće na razini ppb.
Izazov 2: Precizna kontrola monodisperznosti veličine čestica
Kada se koristi smjesa za poliranje sa širokom distribucijom veličine čestica, velike čestice silicijevog dioksida imaju tendenciju stvarati ogrebotine na površini silicijske pločice i uzrokovati fluktuacije u brzini poliranja ili lokalizirano prekomjerno-poliranje. Stoga su veličina čestica i njihova ujednačenost kritični. Uobičajeno, poluvodički -silicijev dioksid zahtijeva veličinu čestica u rasponu od 10-50 nm; za high{6}}procese (npr. čvor od 5 nm i niže), potrebna je još finija kontrola, oko 10–30 nm. Međutim, tijekom rasta čestica silicijevog dioksida lako dolazi do sekundarne nukleacije i aglomeracije, zbog čega je teško postići istinski monodisperzne čestice. Štoviše, u-velikoj proizvodnji, manje fluktuacije u parametrima kao što su temperatura, pH i brzina dodavanja mogu poremetiti jednolikost veličine čestica, namećući izuzetno visoke zahtjeve za preciznošću procesa.
Izazov 3: Kontrolirana morfologija čestica
Iako sferični monodisperzni silicijev dioksid koji se koristi kao abraziv može postići dobru kvalitetu površine, sferne čestice silicijevog dioksida imaju tendenciju kotrljanja i imaju mala kontaktna područja, što dovodi do niske učinkovitosti poliranja. Posljednjih su se godina vodeće strane tvrtke usredotočile na razvoj ne-sferičnih,-bez rubova, glatkih{3}}površina silicij-abraziva kao što su čestice u obliku-utega,-čahure i elipsoidne čestice. Ove čestice nude prednosti kao što su visoka specifična površina, mekoća i niska sklonost ogrebotinama, pokazujući veliko obećanje za poliranje poluvodiča CMP. Međutim, priprema takvih morfologija ostaje izazovna.
Izazov 4: Osiguravanje-dugoročne stabilnosti
Dugotrajna- stabilnost temeljna je za industrijsku primjenu silicijevog dioksida. Kašike za poliranje poluvodiča potrebno je skladištiti 6-12 mjeseci ili više, što zahtijeva da se silika sol ne gelira, stratificira ili podvrgne rastu čestica u uvjetima širokog pH (8-11) i visokog sadržaja krutine (30%-40%). Tehnička poteškoća leži u visokoj površinskoj energiji nanočestica, što ih čini sklonima aglomeraciji zbog smanjenog elektrostatskog odbijanja ili vezivanja vodika. Dodatno, promjene temperature i kontaminacija ionima nečistoće ubrzavaju koloidnu destabilizaciju. Kontrola stabilnosti postaje eksponencijalno teža pri visokom sadržaju čvrste tvari, što zahtijeva modifikaciju površine i optimizaciju sustava kako bi se poboljšala dugoročna -stabilnost.
Glavne metode pripreme elektroničkog-silicijevog sola za poliranje
Trenutačno su glavne metode za pripremu sola silika-visoke čistoće ionska izmjena, hidroliza praha silicija i sol-gel (hidroliza silikatnog estera). Ove se tri metode značajno razlikuju u odabiru sirovina, čistoći proizvoda, kontroli veličine čestica i troškovima proizvodnje, što ih čini prikladnima za različite razine zahtjeva poliranja poluvodiča.
1. Metoda ionske izmjene
Također poznat kao metoda vodenog stakla, ovo je najzreliji i najrašireniji postupak. Koristi industrijsko vodeno staklo (natrijev silikat) kao sirovinu, koja prolazi kroz kationsku izmjenjivačku smolu za uklanjanje Na⁺, a zatim kroz slabo-baznu anionsku izmjenjivačku smolu za uklanjanje klorida i drugih nečistoća, dajući razrijeđeni silicijev dioksid i otopinu aktivne silicijeve 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 silicij-sol koji se može kontrolirati, koji se konačno koncentrira i pročišćava ultrafiltracijom ili centrifugiranjem.
Prednosti: Prikladno za-industrijsku proizvodnju velikih razmjera, niska cijena sirovina, kontrolirana veličina čestica do 10-20 nm, a nakon dubokog pročišćavanja, sadržaj metalnih iona može se kontrolirati do razine ppm, zadovoljavajući potrebe niskog{3}}do-srednjeg-poliranja poluvodiča.
Nedostaci: Sirovine vodenog stakla sadrže mnogo metalnih nečistoća, što otežava pročišćavanje; potrebna je stroga kontrola reakcijske koncentracije, pH, temperature itd. kako bi se izbjegla ne-ujednačena veličina čestica ili geliranje; proces također stvara velike količine otpadne vode-koja sadrži sol, a regeneracija smole je skupa, uz visok pritisak na okoliš.
2. Sol-gel metoda
Ova metoda koristi tetraetil ortosilikat (TEOS) ili tetrametil ortosilikat (TMOS) visoke-čistoće kao izvor silicija. U alkoholnom otapalu, hidrolizu i polikondenzaciju katalizira kiselina ili baza kako bi se proizvele nanočestice SiO₂, nakon čega slijedi izmjena otapala i koncentracija kako bi se dobio silika sol visoke-čistoće. Preciznim kontroliranjem reakcijskih uvjeta može se postići dopiranje na-molekularnoj razini, proizvodeći nanočestice silicijevog dioksida ujednačene veličine, kontrolirane morfologije i visoke čistoće. TEOS je općenito poželjan za industrijsku proizvodnju i laboratorijska istraživanja zbog svoje niže cijene, manje toksičnosti, veće sigurnosti i sporije, bolje kontrolirane stope hidrolize. TMOS hidrolizira vrlo brzo, što dovodi do snažnih reakcija i bržeg stvaranja silicijevog sola, što omogućuje visoko-povezanu strukturu gela u kratkom vremenu, ali je reakciju teško kontrolirati.
3. Metoda hidrolize praha silicija
Ova metoda koristi -silicijski prah visoke čistoće kao sirovinu, koja reagira s čistom vodom pod katalizom anorganske ili organske baze (npr. natrijevog hidroksida) da bi se stvorila hidratizirana silicijska kiselina, koja zatim polimerizira da bi formirala silicijev sol. Čistoća proizvoda ovisi o čistoći praha silicija, što omogućuje pripremu sola silicijeva dioksida ekstremno visoke -čistoće s vrlo niskim razinama nečistoća. U isto vrijeme, parametre kao što su veličina čestica SiO₂, viskoznost, pH, gustoća i čistoća lakše je kontrolirati u usporedbi s drugim metodama. Međutim, kontrola morfologije je teška i postoji opasnost od eksplozije vodika.