Med različnimi abrazivnimi sistemi se silicijev sol (koloidna disperzija nano-delcev silicijevega dioksida v vodi ali topilu) pogosto uporablja pri poliranju dielektričnih materialov, kot so silicijeve rezine, silicijev dioksid in silicijev nitrid, zaradi svoje zmerne trdote, dobre disperzibilnosti in nizkega tveganja za praske opreme. Vendar pa aplikacije za-razred polprevodnikov nalagajo izredno stroge zahteve za silicijev dioksid: sledovi kovinskih nečistoč lahko difundirajo v naprave, kar povzroči uhajanje ali premik napetosti praga; ne-enotna velikost delcev ali prisotnost velikih delcev lahko povzroči mikro-praske na površinah rezin, kar neposredno zmanjša izkoristek; slaba koloidna stabilnost povzroči nestabilne hitrosti poliranja, kar vpliva na konsistenco serije-za-serijo. Zato je postalo pogost izziv tako za znanost o materialih kot za industrijo polprevodnikov, kako pripraviti silicijev dioksid, ki hkrati izpolnjuje zahteve "ultra-visoke čistosti, monodisperzne velikosti delcev, nadzorovane morfologije in-dolgotrajne stabilnosti".
Izziv 1: Odstranjevanje sledov kovinskih nečistoč
Kovinske nečistoče so glavni dejavnik, ki povzroča napake na površini rezin in okvaro naprave. Kovinski ioni, kot so Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu in Pb, lahko ostanejo na površini rezin po poliranju, ogrožajo izolacijo naprave in povzročajo puščanje, ali pa difundirajo v silicijev substrat med visoko-temperaturnimi procesi, kar vodi do premika parametrov. Posledično mora biti vsebnost kovinskih nečistoč v silicijevem solu, ki se uporablja za gošče CMP na drobce, običajno pod 1 ppm, pri naprednih postopkih pa celo pod 1 ppb na posamezno kovino. Pri pripravi silicijevega sola pa se kovine v sledovih ne vnašajo samo iz surovin (silicijev prah, vodno steklo, silikatni estri), ampak tudi iz reakcijskih posod, cevovodov in dodatkov. Konvencionalna filtracija in ionska izmenjava ne moreta temeljito odstraniti nečistoč na ravni ppb.
2. izziv: Natančna kontrola monodisperznosti velikosti delcev
Ko se uporablja polirna zmes s široko porazdelitvijo velikosti delcev, veliki delci silicijevega dioksida ponavadi ustvarijo praske na površini silicijeve rezine in povzročijo nihanja v hitrosti poliranja ali lokalizirano prekomerno-poliranje. Zato sta velikost delcev in njihova enotnost kritični. Običajno polprevodniški-silicijev dioksid zahteva velikost delcev v območju 10–50 nm; za visokokakovostne-procese (npr. vozlišče 5 nm in manj) je potreben še natančnejši nadzor, okoli 10–30 nm. Vendar med rastjo delcev silicijevega dioksida zlahka pride do sekundarne nukleacije in aglomeracije, zaradi česar je težko doseči resnično monodisperzne delce. Poleg tega lahko v -veliki proizvodnji manjša nihanja parametrov, kot so temperatura, pH in hitrost dovajanja, motijo enakomernost velikosti delcev, kar postavlja izjemno visoke zahteve glede natančnosti postopka.
Izziv 3: Morfologija delcev, ki jo je mogoče nadzorovati
Čeprav lahko sferični monodisperzni silicijev dioksid, ki se uporablja kot abraziv, doseže dobro kakovost površine, se sferični delci silicijevega dioksida kotalijo in imajo majhne kontaktne površine, kar vodi do nizke učinkovitosti poliranja. V zadnjih letih so se vodilna tuja podjetja osredotočila na razvoj ne-sferičnih,-brez-robov, gladkih-površin kremenčevih abrazivov, kot so delci v obliki-utežišča, -oblika kokona in elipsoidni delci. Ti delci nudijo prednosti, kot so visoka specifična površina, mehkoba in nizka nagnjenost k praskam, kar kaže veliko obetavnost za poliranje polprevodnikov CMP. Vendar je priprava takšnih morfologij še vedno izziv.
4. izziv: Zagotavljanje-dolgoročne stabilnosti
Dolgotrajna-obstojnost je bistvenega pomena za industrijsko uporabo silicijevega sola. Gnojnice za poliranje polprevodnikov je treba hraniti 6–12 mesecev ali več, kar zahteva, da se silikagel ne želira, stratificira ali podvrže rasti delcev pri širokem pH (8–11) in visoki vsebnosti trdnih snovi (30–40 %). Tehnična težava je v visoki površinski energiji nanodelcev, zaradi česar so nagnjeni k aglomeraciji zaradi zmanjšanega elektrostatičnega odboja ali vodikove vezi. Poleg tega temperaturne spremembe in kontaminacija z nečistočimi ioni pospešijo koloidno destabilizacijo. Nadzor stabilnosti postane eksponentno težji pri visoki vsebnosti trdnih snovi, kar zahteva modifikacijo površine in optimizacijo sistema za izboljšanje dolgoročne -stabilnosti.
Glavne metode priprave elektronskega-silicijevega sola za polirno brozgo
Trenutno so glavne metode za pripravo-sola silicijevega dioksida visoke čistosti ionska izmenjava, hidroliza silicijevega prahu in sol-gel (hidroliza silikatnega estra). Te tri metode se bistveno razlikujejo pri izbiri surovin, čistosti izdelka, nadzoru velikosti delcev in proizvodnih stroških, zaradi česar so primerne za različne ravni zahtev poliranja polprevodnikov.
1. Metoda ionske izmenjave
Znan tudi kot metoda vodnega stekla, je to najbolj zrel in pogosto uporabljen postopek. Kot surovino uporablja industrijsko vodno steklo (natrijev silikat), ki se prehaja skozi kationsko izmenjevalno smolo, da se odstrani Na⁺, nato pa skozi šibko-bazično anionsko izmenjalno smolo, da se odstranijo kloridi in druge nečistoče, pri čemer nastane razredčeni silicijev dioksid in visoko-čista raztopina silicijeve kisline. Nato se doda stabilizator, da se pH prilagodi na 8,5–10,5, z reakcijami nukleacije in rasti delcev pa se proizvede monodisperzni silicijev dioksid z nadzorovano velikost-solom, ki se končno koncentrira in prečisti z ultrafiltracijo ali centrifugiranjem.
Prednosti: Primerno za -industrijsko proizvodnjo v velikem obsegu, nizki stroški surovin, nadzorovana velikost delcev do 10–20 nm in po globokem čiščenju je mogoče vsebnost kovinskih ionov nadzorovati na raven ppm, kar ustreza potrebam poliranja polprevodnikov z nizkim- do -srednjim- koncem.
Slabosti: surovine vodnega stekla vsebujejo veliko kovinskih nečistoč, kar otežuje čiščenje; potreben je strog nadzor reakcijske koncentracije, pH, temperature itd., da se prepreči ne-enotna velikost delcev ali geliranje; proces ustvarja tudi velike količine odpadne vode,-ki vsebuje sol, regeneracija smole pa je draga in povzroča velik pritisk na okolje.
2. Sol-gel metoda
Ta metoda kot vir silicija uporablja-tetraetil ortosilikat (TEOS) ali tetrametil ortosilikat (TMOS) visoke čistosti. V alkoholnem topilu kislina ali baza katalizirata hidrolizo in polikondenzacijo, da nastanejo nanodelci SiO₂, čemur sledita izmenjava topila in koncentracija, da dobimo visoko-čist kremenčev sol. Z natančnim nadzorom reakcijskih pogojev je mogoče doseči dopiranje na -molekularni ravni, s čimer proizvedemo nanodelce silicijevega dioksida enotne velikosti, morfologije, ki jo je mogoče nadzorovati, in visoke čistosti. TEOS je na splošno prednosten za industrijsko proizvodnjo in laboratorijske raziskave zaradi nižjih stroškov, manjše toksičnosti, večje varnosti in počasnejše, bolj nadzorovane stopnje hidrolize. TMOS zelo hitro hidrolizira, kar povzroči burne reakcije in hitrejšo tvorbo silicijevega sola, kar omogoči zelo navzkrižno-povezano strukturo gela v kratkem času, vendar je reakcijo težko nadzorovati.
3. Metoda hidrolize silicijevega prahu
Ta metoda uporablja -silicijev prah visoke čistosti kot surovino, ki reagira s čisto vodo pod katalizo anorganske ali organske baze (npr. natrijevega hidroksida), da tvori hidrirano silicijevo kislino, ki nato polimerizira in tvori silicijev sol. Čistost izdelka je odvisna od čistosti silicijevega prahu, kar omogoča pripravo izredno visoke -čistosti silicijevega dioksida z zelo nizkimi stopnjami nečistoč. Hkrati je parametre, kot so velikost delcev SiO₂, viskoznost, pH, gostota in čistost, lažje nadzorovati v primerjavi z drugimi metodami. Vendar je nadzor morfologije težaven in obstaja nevarnost eksplozije vodika.