A különféle csiszolórendszerek közül a szilikaszolt (nano{0}}szilícium-dioxid részecskék kolloid diszperziója vízben vagy oldószerben) széles körben használják dielektromos anyagok, például szilíciumlapkák, szilícium-dioxid és szilícium-nitrid polírozására közepes keménysége, jó diszpergálhatósága és alacsony karcolási kockázata miatt. A félvezető -minőségű alkalmazások azonban rendkívül szigorú követelményeket támasztanak a szilícium-dioxid szollal szemben: a fémnyomokban lévő szennyeződések bediffundálhatnak az eszközökbe, ami szivárgást vagy küszöbfeszültség-eltolódást okozhat; Az egyenetlen részecskeméret vagy a nagy részecskék jelenléte mikro-karcolásokat okozhat az ostya felületén, ami közvetlenül csökkenti a hozamot; A gyenge kolloid stabilitás instabil polírozási sebességet eredményez, ami befolyásolja a tételek-–-konzisztenciáját. Ezért az „ultra-nagy tisztaságú, monodiszperz részecskeméret, szabályozható morfológia és hosszú távú stabilitás” követelményeinek egyidejűleg megfelelő szilícium-dioxid szol előállítása általános kihívássá vált mind az anyagtudomány, mind a félvezetőipar számára.
1. kihívás: Fémszennyeződések eltávolítása
A fémszennyeződések az ostya felületi hibáinak és az eszköz meghibásodásának egyik fő tényezője. Fémionok, például Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu és Pb a polírozás után az ostya felületén maradhatnak, veszélyeztetve az eszköz szigetelését és szivárgást okozhatnak, vagy magas hőmérsékletű folyamatok során bediffundálhatnak a szilícium szubsztrátumba, ami paramétereltolódáshoz vezethet. Következésképpen a forgács CMP-iszapokhoz használt szilícium-dioxid-szol fémszennyező-tartalmának jellemzően 1 ppm alatt kell lennie, fejlett eljárásoknál pedig még 1 ppb alatt is kell lennie egyedi fémenként. A szilícium-dioxid szol előállítása során azonban nem csak nyersanyagokból (szilíciumpor, vízüveg, szilikátészterek), hanem reakcióedényekből, csővezetékekből, adalékanyagokból is bevezetik a fémnyomokat. A hagyományos szűrés és ioncsere nem tudja alaposan eltávolítani a ppb szintű szennyeződéseket.
2. kihívás: A részecskeméret monodiszperzitás pontos szabályozása
Ha széles szemcseméret-eloszlású polírozó szuszpenziót használnak, a nagy szilícium-dioxid részecskék hajlamosak karcolni a szilícium lapka felületén, és ingadozásokat okoznak a polírozási sebességben vagy helyi túlzott{0}}polírozást. Ezért a részecskeméret és annak egyenletessége kritikus. A félvezető -minőségű szilícium-dioxid szolhoz általában 10–50 nm tartományba eső részecskeméretre van szükség; csúcskategóriás folyamatokhoz (pl. 5 nm-es csomópont és az alatti) még finomabb, 10-30 nm körüli szabályozásra van szükség. A szilícium-dioxid részecskék növekedése során azonban könnyen bekövetkezik a másodlagos gócképződés és agglomeráció, ami megnehezíti a valóban monodiszperz részecskék elérését. Ezenkívül a nagy-léptékű gyártás során az olyan paraméterek kisebb ingadozásai, mint a hőmérséklet, a pH és az előtolási sebesség, megzavarhatják a részecskeméret egyenletességét, ami rendkívül magas követelményeket támaszt a folyamat pontosságával szemben.
3. kihívás: Szabályozható részecskemorfológia
Bár a csiszolóanyagként használt gömb alakú monodiszperz szilícium-dioxid szol jó felületi minőséget érhet el, a gömb alakú szilícium-dioxid részecskék hajlamosak gördülni, és kis érintkezési felülettel rendelkeznek, ami alacsony polírozási hatékonyságot eredményez. Az elmúlt években a vezető külföldi vállalatok a nem-gömb alakú, él-mentes, sima{3}}felületű szilícium-dioxid csiszolóanyagok, például súlyzó-, gubó-formájú és ellipszoid részecskék fejlesztésére összpontosítottak. Ezek a részecskék olyan előnyöket kínálnak, mint a nagy fajlagos felület, a puhaság és az alacsony karcolási hajlam, ami nagy ígéretet mutat a félvezető CMP polírozásban. Az ilyen morfológiák elkészítése azonban továbbra is kihívást jelent.
4. kihívás: A hosszú távú stabilitás biztosítása-
A hosszú távú stabilitás alapvető fontosságú a szilícium-dioxid szol ipari alkalmazásához. A félvezető polírozó szuszpenziót 6–12 hónapig vagy tovább kell tárolni, ami megköveteli, hogy a szilikaszol ne gélesedjen, ne rétegesedjen, és ne menjen át részecskenövekedésen széles pH (8–11) és magas szilárdanyagtartalom (30–40%) mellett. A technikai nehézség a nanorészecskék nagy felületi energiájában rejlik, ami a csökkent elektrosztatikus taszítás vagy hidrogénkötés miatt hajlamossá teszi őket az agglomerációra. Ezenkívül a hőmérséklet-változások és a szennyező ionok szennyeződése felgyorsítja a kolloid destabilizálódását. A stabilitás szabályozása exponenciálisan nehezebbé válik magas szilárdanyagtartalom mellett, ezért felületmódosításra és rendszeroptimalizálásra van szükség a hosszú távú stabilitás javítása érdekében.
Az elektronikus -minőségű szilícium-dioxid-szol főbb előkészítési módszerei a polírozáshoz
Jelenleg a nagy-tisztaságú szilícium-dioxid szol előállításának fő módszerei az ioncsere, a szilíciumpor-hidrolízis és a szol-gél (szilikát-észter-hidrolízis). Ez a három módszer jelentősen eltér a nyersanyag kiválasztásában, a termék tisztaságában, a szemcseméret-szabályozásban és a gyártási költségben, így alkalmasak a félvezető polírozási követelmények különböző szintjére.
1. Ioncsere módszer
Vízüveg-módszerként is ismert, ez a legérettebb és legszélesebb körben használt eljárás. Nyersanyagként ipari vízüveget (nátrium-szilikátot) használ, amelyet kationcserélő gyantán vezetnek át a Na⁺ eltávolítására, majd egy gyenge -bázisú anioncserélő gyantán keresztül eltávolítják a kloridot és más szennyeződéseket, így híg szilícium-dioxid szolt és nagy tisztaságú aktív kovasavoldatot kapnak. Ezután stabilizátort adnak hozzá, hogy a pH-t 8,5–10,5-re állítsák be, és gócképző és részecskenövekedési reakciók révén monodiszperz, szabályozható méretű- szilícium-dioxid szol keletkezik, amelyet végül betöményítenek és ultraszűréssel vagy centrifugálással tisztítanak.
Előnyök: Alkalmas nagy-ipari gyártáshoz, alacsony nyersanyagköltség, 10-20 nm-ig szabályozható részecskeméret, mélytisztítás után pedig a fémion-tartalom ppm szintre szabályozható, ami megfelel az alacsony---közepes{{5}végű félvezető polírozás igényeinek.
Hátrányok: A vízüveg alapanyagok sok fémszennyeződést tartalmaznak, ami megnehezíti a tisztítást; a reakciókoncentráció, a pH, a hőmérséklet stb. szigorú ellenőrzése szükséges az egyenetlen részecskeméret vagy gélesedés elkerülése érdekében; a folyamat során nagy mennyiségű sótartalmú szennyvíz is keletkezik, és a gyanta regenerálása költséges, nagy környezeti terhelés mellett.
2. Szol-gél módszer
Ez a módszer nagy-tisztaságú tetraetil-ortoszilikátot (TEOS) vagy tetrametil-ortoszilikátot (TMOS) használ szilíciumforrásként. Alkoholos oldószerben a hidrolízist és a polikondenzációt sav vagy bázis katalizálja SiO₂ nanorészecskék előállítására, majd oldószercsere és koncentrálás következik, így nagy tisztaságú szilícium-dioxid szolt kapunk. A reakciókörülmények pontos szabályozásával molekuláris-szintű adalékolás érhető el, amely egyenletes méretű, szabályozható morfológiájú és nagy tisztaságú szilícium-dioxid nanorészecskéket állít elő. A TEOS-t általában előnyben részesítik az ipari termelésben és a laboratóriumi kutatásokban alacsonyabb költsége, alacsonyabb toxicitása, nagyobb biztonsága és lassabb, jobban szabályozható hidrolízise miatt. A TMOS nagyon gyorsan hidrolizál, ami erőteljes reakciókhoz és gyorsabb szilícium-dioxid-szol képződéshez vezet, ami elősegíti egy erősen térhálósított gélszerkezet létrehozását rövid időn belül, de a reakciót nehéz ellenőrizni.
3. Szilíciumporos hidrolízis módszer
Ez a módszer nagy-tisztaságú szilíciumport használ nyersanyagként, amely szervetlen vagy szerves bázis (pl. nátrium-hidroxid) katalízise alatt tiszta vízzel reagál, hidratált kovasavat képezve, amely ezután polimerizálva szilikaszolt képez. A termék tisztasága a szilíciumpor tisztaságától függ, lehetővé téve rendkívül magas-tisztaságú szilícium-dioxid szol előállítását, nagyon alacsony szennyeződésekkel. Ugyanakkor az olyan paraméterek, mint a SiO₂ részecskeméret, viszkozitás, pH, sűrűség és tisztaság könnyebben szabályozhatók más módszerekkel összehasonlítva. A morfológiai ellenőrzés azonban nehéz, és fennáll a hidrogénrobbanás veszélye.