Међу различитим абразивним системима, силицијум сол (колоидна дисперзија нано-честица силицијум-диоксида у води или растварачу) се широко користи у полирању диелектричних материјала као што су силицијумске плочице, силицијум диоксид и силицијум нитрид због своје умерене тврдоће, добре дисперзибилности и малог ризика од гребања опреме. Међутим, апликације на нивоу полупроводника- намећу изузетно строге захтеве за сол силицијум диоксида: нечистоће метала у траговима могу да дифундују у уређаје, изазивајући цурење или одступање прага напона; не-неједнака величина честица или присуство великих честица може довести до микро-огреботина на површинама плочице, директно смањујући принос; лоша колоидна стабилност доводи до нестабилних брзина полирања, што утиче на конзистенцију-до- серије. Стога, како припремити силицијум сол који истовремено испуњава захтеве „ултра-високе чистоће, величине монодисперзних честица, контролне морфологије и дуготрајне-стабилности“ постао је уобичајен изазов и за науку о материјалима и за индустрију полупроводника.
Изазов 1: Уклањање металних нечистоћа у траговима
Металне нечистоће су главни фактор који узрокује дефекте површине плочице и квар уређаја. Метални јони као што су На, Фе, Ал, Ца, Мг, Цу и Пб могу да остану на површини плочице након полирања, угрожавајући изолацију уређаја и изазивајући цурење, или да дифундују у силицијумску подлогу током процеса високе{1}}температуре, што доводи до померања параметара. Сходно томе, садржај металних нечистоћа у силицијум-солу који се користи за чип ЦМП муљ је обично испод 1 ппм, а за напредне процесе чак и испод 1 ппб по појединачном металу. У припреми силицијум сола, међутим, метали у траговима се уносе не само из сировина (силицијум у праху, водено стакло, силикатни естри) већ и из реакционих судова, цевовода и адитива. Конвенционална филтрација и јонска размена не могу у потпуности да уклоне нечистоће на нивоу ппб.
Изазов 2: Прецизна контрола монодисперзности величине честица
Када се користи суспензија за полирање са широком дистрибуцијом честица, велике честице силицијум диоксида имају тенденцију да направе огреботине на површини силицијумске плочице и узрокују флуктуације у брзини полирања или локализовано преко{0}}полирање. Стога су величина честица и њихова униформност критични. Типично, силицијум сол полупроводника- захтева величине честица у опсегу од 10–50 нм; за хигх- процесе (нпр. 5 нм чвор и ниже), потребна је још финија контрола, око 10–30 нм. Међутим, током раста честица силицијум диоксида лако долази до секундарне нуклеације и агломерације, што отежава постизање истински монодисперзних честица. Штавише, у великој{14}}производњи, мање флуктуације у параметрима као што су температура, пХ и брзина довода могу да поремете уједначеност величине честица, намећући изузетно високе захтеве за прецизност процеса.
Изазов 3: контролна морфологија честица
Иако сферични монодисперзни сол силицијум диоксида који се користи као абразив може постићи добар квалитет површине, сферичне честице силицијум диоксида имају тенденцију да се котрљају и имају мале контактне површине, што доводи до ниске ефикасности полирања. Последњих година, водеће стране компаније су се усредсредиле на развој -сферичних-абразива без ивица, глатких-абразива од силицијум диоксида, као што су бучице-у облику, у облику кокона-и елипсоидне честице. Ове честице нуде предности као што су висока специфична површина, мекоћа и мала склоност огреботинама, показујући велико обећање за полирање ЦМП полупроводника. Међутим, припрема таквих морфологија остаје изазовна.
4. изазов: Обезбеђивање-дугорочне стабилности
Дугорочна{0}}стабилност је основна за индустријску примену силицијум сола. Суспензија за полирање полупроводника треба да се складишти 6–12 месеци или више, што захтева да сол силицијум диоксида не гелира, не стратификује или подлеже расту честица у условима широког пХ (8–11) и високог садржаја чврсте материје (30–40%). Техничка потешкоћа лежи у високој површинској енергији наночестица, што их чини склоним агломерацији услед смањеног електростатичког одбијања или водоничне везе. Поред тога, промене температуре и контаминација јонима нечистоћа убрзавају колоидну дестабилизацију. Контрола стабилности постаје експоненцијално тежа при високом садржају чврсте супстанце, што захтева модификацију површине и оптимизацију система ради побољшања-дугорочне стабилности.
Уобичајене методе припреме електронског-сола силицијум диоксида за полирање
Тренутно, главне методе за припрему силицијум-сола-чистоће су јонска размена, хидролиза силицијумског праха и сол-гел (хидролиза силикатних естара). Ове три методе се значајно разликују у избору сировина, чистоћи производа, контроли величине честица и трошковима производње, што их чини погодним за различите нивое захтева за полирање полупроводника.
1. Метода јонске размене
Такође познат као метода воденог стакла, ово је најзрелији и најшире коришћени процес. Користи индустријско водено стакло (натријум силикат) као сировину, која се пропушта кроз смолу за измјењивање катјона да би се уклонио На⁺, а затим кроз слабу-базну ањонску измјењивачку смолу да би се уклонили хлорид и друге нечистоће, чиме се добија разблажени силицијум-сол и раствор активне силицијумске киселине високе -чистоће. Затим се додаје стабилизатор да би се пХ подесио на 8,5–10,5, и кроз реакције нуклеације и раста честица, производи се монодисперзни,{6}}контролисани силицијум сол, који се коначно концентрише и пречисти ултрафилтрацијом или центрифугирањем.
Предности: Погодно за велику-индустријску производњу, ниска цена сировина, величина честица која се може контролисати до 10–20 нм, а након дубоког пречишћавања, садржај металних јона се може контролисати до нивоа у ппм, задовољавајући потребе ниског{3}}до{4}}средњег{{5}полирања полупроводника.
Недостаци: Сировине за водено стакло садрже много металних нечистоћа, што отежава пречишћавање; потребна је строга контрола реакционе концентрације, пХ, температуре итд. да би се избегла не-неједнака величина честица или гелирање; процес такође ствара велике количине соли-које садрже отпадну воду, а регенерација смоле је скупа, уз висок притисак на животну средину.
2. Сол-гел метода
Ова метода користи тетраетил ортосиликат високе - чистоће (ТЕОС) или тетраметил ортосиликат (ТМОС) као извор силицијума. У алкохолном растварачу, хидролиза и поликондензација се катализују киселином или базом да би се добиле наночестице СиО₂, након чега следи размена растварача и концентрација да би се добио силицијум-сол високе - чистоће. Прецизном контролом реакционих услова, може се постићи допинг на молекуларном-нивоу, производећи наночестице силицијум-диоксида уједначене величине, морфологије која се може контролисати и високе чистоће. ТЕОС је генерално пожељан за индустријску производњу и лабораторијска истраживања због ниже цене, мање токсичности, веће безбедности и спорије, контролисаније брзине хидролизе. ТМОС хидролизује веома брзо, што доводи до снажних реакција и бржег формирања силицијум-сола, што омогућава високо{7}}повезану структуру гела за кратко време, али је реакцију тешко контролисати.
3. Метода хидролизе силицијум праха
Ова метода користи силицијумски прах високе{0}}чистоће као сировину, који реагује са чистом водом под катализом неорганске или органске базе (нпр. натријум хидроксида) да би се формирала хидратисана силицијумска киселина, која затим полимеризује да би се формирао силицијум сол. Чистоћа производа зависи од чистоће силицијумског праха, што омогућава припрему силицијум-сола изузетно високе{4}}чистоће са веома ниским нивоом нечистоћа. Истовремено, лакше је контролисати параметре као што су величина честица СиО₂, вискозитет, пХ, густина и чистоћа у поређењу са другим методама. Међутим, контрола морфологије је тешка и постоји ризик од експлозије водоника.