Spośród różnych systemów ściernych zol krzemionkowy (koloidalna dyspersja nano-cząstek krzemionki w wodzie lub rozpuszczalniku) jest szeroko stosowany w polerowaniu materiałów dielektrycznych, takich jak płytki krzemowe, dwutlenek krzemu i azotek krzemu ze względu na jego umiarkowaną twardość, dobrą dyspergowalność i niskie ryzyko zarysowania sprzętu. Jednak zastosowania-półprzewodników nakładają niezwykle rygorystyczne wymagania na zol krzemionkowy: zanieczyszczenia metalami śladowymi mogą przedostać się do urządzeń, powodując wyciek lub dryf napięcia progowego; nie-jednolity rozmiar cząstek lub obecność dużych cząstek może prowadzić do mikro-zarysowań na powierzchni płytek, bezpośrednio zmniejszając wydajność; słaba stabilność koloidalna skutkuje niestabilnymi szybkościami polerowania, co wpływa na spójność poszczególnych partii. Dlatego sposób przygotowania zolu krzemionkowego, który jednocześnie spełnia wymagania dotyczące „ultra-wysokiej czystości, monodyspersyjnej wielkości cząstek, kontrolowanej morfologii i-długoterminowej stabilności”, stało się powszechnym wyzwaniem zarówno dla inżynierii materiałowej, jak i przemysłu półprzewodników.
Wyzwanie 1: Usuwanie śladowych zanieczyszczeń metalicznych
Zanieczyszczenia metaliczne są głównym czynnikiem powodującym defekty powierzchni płytek i awarie urządzeń. Jony metali, takie jak Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu i Pb, mogą pozostać na powierzchni płytki po polerowaniu, naruszając izolację urządzenia i powodując wycieki, lub dyfundować do podłoża krzemowego podczas-procesów wysokotemperaturowych, prowadząc do dryfu parametrów. W związku z tym zawartość zanieczyszczeń metalicznych w zolu krzemionkowym stosowanym w zawiesinach wiórów CMP zwykle musi wynosić poniżej 1 ppm, a w przypadku zaawansowanych procesów nawet poniżej 1 ppb na pojedynczy metal. Jednak podczas przygotowywania zolu krzemionkowego metale śladowe wprowadza się nie tylko z surowców (proszek krzemowy, szkło wodne, estry krzemianowe), ale także z naczyń reakcyjnych, rurociągów i dodatków. Konwencjonalna filtracja i wymiana jonowa nie są w stanie dokładnie usunąć zanieczyszczeń na poziomie ppb.
Wyzwanie 2: Precyzyjna kontrola monodyspersyjności wielkości cząstek
Gdy stosowana jest zawiesina polerska o szerokim rozkładzie wielkości cząstek, duże cząstki krzemionki mają tendencję do tworzenia zadrapań na powierzchni płytki krzemowej i powodują wahania szybkości polerowania lub miejscowe-przepolerowanie. Dlatego wielkość cząstek i ich jednorodność są krytyczne. Zwykle zol-krzemionkowy klasy półprzewodnikowej wymaga cząstek o wielkości w zakresie 10–50 nm; w przypadku-procesów zaawansowanych (np. węzeł 5 nm i mniej) konieczna jest jeszcze dokładniejsza kontrola, około 10–30 nm. Jednakże podczas wzrostu cząstek krzemionki łatwo dochodzi do wtórnego zarodkowania i aglomeracji, co utrudnia uzyskanie prawdziwie monodyspersyjnych cząstek. Co więcej, w przypadku produkcji-na dużą skalę drobne wahania parametrów, takich jak temperatura, pH i szybkość podawania, mogą zakłócić jednorodność wielkości cząstek, narzucając niezwykle wysokie wymagania dotyczące precyzji procesu.
Wyzwanie 3: Kontrolowana morfologia cząstek
Chociaż sferyczny monodyspersyjny zol krzemionkowy stosowany jako materiał ścierny może osiągnąć dobrą jakość powierzchni, sferyczne cząstki krzemionki mają tendencję do toczenia się i mają małe powierzchnie styku, co prowadzi do niskiej wydajności polerowania. W ostatnich latach wiodące firmy zagraniczne skupiły się na opracowywaniu nie-sferycznych,-pozbawionych krawędzi,-gładkich materiałów ściernych na bazie krzemionki, takich jak cząstki-w kształcie hantli, w kształcie kokonu-i elipsoidalne. Cząstki te oferują zalety, takie jak duża powierzchnia właściwa, miękkość i niska skłonność do zarysowań, co jest bardzo obiecujące w przypadku polerowania półprzewodników CMP. Jednakże przygotowanie takich morfologii pozostaje wyzwaniem.
Wyzwanie 4: Zapewnienie długoterminowej-stabilności
Długoterminowa-stabilność ma fundamentalne znaczenie dla przemysłowego zastosowania zolu krzemionkowego. Zawiesiny do polerowania półprzewodników należy przechowywać przez 6–12 miesięcy lub dłużej, pod warunkiem, że zol krzemionkowy nie żeluje, nie rozwarstwia się ani nie ulega wzrostowi cząstek w warunkach szerokiego pH (8–11) i wysokiej zawartości substancji stałych (30–40%). Trudność techniczna polega na wysokiej energii powierzchniowej nanocząstek, co czyni je podatnymi na aglomerację w wyniku zmniejszonego odpychania elektrostatycznego lub wiązań wodorowych. Dodatkowo zmiany temperatury i zanieczyszczenie jonami przyspieszają destabilizację koloidalną. Kontrola stabilności staje się wykładniczo trudniejsza przy dużej zawartości substancji stałych, co wymaga modyfikacji powierzchni i optymalizacji systemu w celu zwiększenia-długoterminowej stabilności.
Główne metody przygotowania zolu krzemionkowego-elektronicznego do zawiesin polerskich
Obecnie głównymi metodami wytwarzania zolu krzemionkowego o wysokiej-czystości są wymiana jonowa, hydroliza proszku krzemowego i zol-żel (hydroliza estrów krzemianowych). Te trzy metody różnią się znacznie pod względem doboru surowców, czystości produktu, kontroli wielkości cząstek i kosztów produkcji, dzięki czemu są odpowiednie dla różnych poziomów wymagań w zakresie polerowania półprzewodników.
1. Metoda wymiany jonowej
Jest to najbardziej dojrzały i powszechnie stosowany proces, znany również jako metoda szkła wodnego. Jako surowiec wykorzystuje przemysłowe szkło wodne (krzemian sodu), które przepuszcza się przez żywicę kationowymienną w celu usunięcia Na⁺, a następnie przez słabo-zasadową żywicę anionowymienną w celu usunięcia chlorków i innych zanieczyszczeń, w wyniku czego otrzymuje się rozcieńczony zol krzemionkowy i-roztwór aktywnego kwasu krzemowego o wysokiej czystości. Następnie dodaje się stabilizator, aby ustawić pH na 8,5–10,5, a w wyniku reakcji zarodkowania i wzrostu cząstek powstaje monodyspersyjny zol krzemionkowy o-regulowanej wielkości, który na koniec jest zatężany i oczyszczany przez ultrafiltrację lub wirowanie.
Zalety: Nadaje się do-produkcji przemysłowej na dużą skalę, niski koszt surowca, kontrolowana wielkość cząstek do 10–20 nm, a po głębokim oczyszczeniu zawartość jonów metali można kontrolować do poziomu ppm, co spełnia potrzeby polerowania półprzewodników od-do-średniego-końca.
Wady: Surowce szkła wodnego zawierają wiele zanieczyszczeń metalicznych, co utrudnia oczyszczanie; wymagana jest ścisła kontrola stężenia reakcji, pH, temperatury itp., aby uniknąć-nierównomiernego rozmiaru cząstek lub żelowania; w procesie tym powstają także duże ilości ścieków zawierających sól-, a regeneracja żywicy jest kosztowna i wiąże się z wysokim ciśnieniem środowiskowym.
2. Metoda zol-żelowa
W tej metodzie jako źródło krzemu wykorzystuje się-ortokrzemian tetraetylu (TEOS) lub ortokrzemian tetrametylu (TMOS). W rozpuszczalniku alkoholowym hydroliza i polikondensacja są katalizowane przez kwas lub zasadę w celu wytworzenia nanocząstek SiO₂, a następnie następuje wymiana rozpuszczalnika i zatężanie w celu otrzymania-zolu krzemionkowego o wysokiej czystości. Precyzyjnie kontrolując warunki reakcji, można osiągnąć domieszkowanie na poziomie molekularnym-, wytwarzając nanocząstki krzemionki o jednakowej wielkości, kontrolowanej morfologii i wysokiej czystości. TEOS jest ogólnie preferowany do produkcji przemysłowej i badań laboratoryjnych ze względu na niższy koszt, niższą toksyczność, większe bezpieczeństwo i wolniejszą, łatwiejszą do kontrolowania szybkość hydrolizy. TMOS hydrolizuje bardzo szybko, co prowadzi do energicznych reakcji i szybszego tworzenia zolu krzemionkowego, co umożliwia uzyskanie silnie usieciowanej-struktury żelu w krótkim czasie, ale reakcja jest trudna do kontrolowania.
3. Metoda hydrolizy proszku krzemowego
W tej metodzie jako surowiec wykorzystuje się-proszek krzemowy o wysokiej czystości, który reaguje z czystą wodą w ramach katalizy zasady nieorganicznej lub organicznej (np. wodorotlenku sodu), tworząc uwodniony kwas krzemowy, który następnie polimeryzuje, tworząc zol krzemionkowy. Czystość produktu zależy od czystości proszku krzemowego, co umożliwia przygotowanie zolu krzemionkowego o niezwykle-czystości i bardzo niskim poziomie zanieczyszczeń. Jednocześnie parametry takie jak wielkość cząstek SiO₂, lepkość, pH, gęstość i czystość są łatwiejsze do kontrolowania w porównaniu z innymi metodami. Jednakże kontrola morfologii jest trudna i istnieje ryzyko eksplozji wodoru.