Bland olika slipsystem används silica sol (kolloidal dispersion av nano-kiseldioxidpartiklar i vatten eller lösningsmedel) i stor utsträckning vid polering av dielektriska material som kiselskivor, kiseldioxid och kiselnitrid på grund av dess måttliga hårdhet, goda spridningsförmåga och låga risk för repor. Tillämpningar av halvledarkvalitet ställer dock extremt stränga krav på kiseldioxidsol: spårmetallföroreningar kan diffundera in i enheter och orsaka läckage eller tröskelspänningsdrift; o-jämn partikelstorlek eller närvaron av stora partiklar kan leda till mikro-repor på waferytor, vilket direkt minskar utbytet; dålig kolloidal stabilitet resulterar i instabila poleringshastigheter, vilket påverkar konsistensen från batch-till-batch. Därför har hur man förbereder silikasol som samtidigt uppfyller kraven på "ultra-hög renhet, monodispers partikelstorlek, kontrollerbar morfologi och lång-stabilitet" blivit en vanlig utmaning för både materialvetenskap och halvledarindustrin.
Utmaning 1: Avlägsnande av spårmetallföroreningar
Metallföroreningar är en viktig faktor som orsakar ytdefekter på skivan och fel på enheten. Metalljoner som Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu och Pb kan stanna kvar på skivans yta efter polering, kompromissa med enhetens isolering och orsaka läckage, eller diffundera in i kiselsubstratet under processer med hög- temperatur, vilket leder till parameterdrift. Följaktligen krävs att halten av metallföroreningar i kiseldioxidsol som används för chip CMP-uppslamningar vanligtvis är under 1 ppm, och för avancerade processer, även under 1 ppb per enskild metall. Vid framställningen av silikasol införs emellertid spårmetaller inte bara från råmaterial (kiselpulver, vattenglas, silikatestrar) utan också från reaktionskärl, rörledningar och tillsatser. Konventionell filtrering och jonbyte kan inte helt ta bort föroreningar på ppb-nivån.
Utmaning 2: Exakt kontroll av partikelstorlekens monodispersitet
När en poleruppslamning med bred partikelstorleksfördelning används tenderar stora kiseldioxidpartiklar att skapa repor på kiselskivans yta och orsaka fluktuationer i poleringshastighet eller lokal över-polering. Därför är partikelstorleken och dess enhetlighet kritiska. Vanligtvis kräver halvledar-silikasol partikelstorlekar inom intervallet 10–50 nm; för avancerade processer (t.ex. 5 nm nod och lägre) behövs ännu finare kontroll, runt 10–30 nm. Under tillväxten av kiseldioxidpartiklar uppstår emellertid lätt sekundär kärnbildning och agglomerering, vilket gör verkligt monodispersa partiklar svåra att uppnå. Vid storskalig produktion kan dessutom mindre fluktuationer i parametrar som temperatur, pH och matningshastighet störa partikelstorlekens enhetlighet, vilket ställer extremt höga krav på processprecision.
Utmaning 3: Kontrollerbar partikelmorfologi
Även om sfärisk monodispers kiseldioxidsol som används som slipmedel kan uppnå god ytkvalitet, tenderar sfäriska kiseldioxidpartiklar att rulla och ha små kontaktytor, vilket leder till låg poleringseffektivitet. Under de senaste åren har ledande utländska företag fokuserat på att utveckla icke-sfäriska, kant-fria, släta-silikaslipmedel som-hantelformade, kokongformade-och ellipsoidala partiklar. Dessa partiklar erbjuder fördelar som hög specifik yta, mjukhet och låg repningsbenägenhet, vilket visar mycket lovande för halvledar-CMP-polering. Men framställningen av sådana morfologier är fortfarande utmanande.
Utmaning 4: Säkerställa långsiktig-stabilitet
Lång-stabilitet är grundläggande för industriell tillämpning av silikasol. Halvledarpoleringsslam måste lagras i 6–12 månader eller mer, vilket kräver att kiseldioxidsolen inte gelar, skiktar sig eller genomgår partikeltillväxt under förhållanden med brett pH (8–11) och högt fast innehåll (30 %–40 %). Den tekniska svårigheten ligger i den höga ytenergin hos nanopartiklar, vilket gör dem benägna att agglomerera på grund av minskad elektrostatisk repulsion eller vätebindning. Dessutom påskyndar temperaturförändringar och kontaminering av föroreningar av joner kolloidal destabilisering. Stabilitetskontroll blir exponentiellt svårare vid högt fast innehåll, vilket kräver ytmodifiering och systemoptimering för att förbättra{11}}långsiktig stabilitet.
Vanliga beredningsmetoder för elektronisk-silikasol för polering av slam
För närvarande är de huvudsakliga metoderna för att framställa hög-ren silikasol jonbyte, hydrolys av kiselpulver och sol-gel (silikatesterhydrolys). Dessa tre metoder skiljer sig markant i val av råmaterial, produktrenhet, kontroll av partikelstorlek och produktionskostnad, vilket gör dem lämpliga för olika nivåer av krav på halvledarpolering.
1. Jonbytesmetod
Även känd som vattenglasmetoden, är detta den mest mogna och mest använda processen. Den använder industriellt vattenglas (natriumsilikat) som råmaterial, som passerar genom ett katjonbytarharts för att avlägsna Na⁺ och sedan genom ett svagt-bas anjonbytarharts för att avlägsna klorid och andra föroreningar, vilket ger en utspädd kiseldioxidsol och en hög-ren aktiv kiselsyralösning. En stabilisator tillsätts sedan för att justera pH till 8,5–10,5, och genom kärnbildnings- och partikeltillväxtreaktioner produceras en monodispers, storlekskontrollerbar kiseldioxidsol, som slutligen koncentreras och renas genom ultrafiltrering eller centrifugering.
Fördelar: Lämplig för stor-industriell produktion, låg råvarukostnad, kontrollerbar partikelstorlek ner till 10–20 nm, och efter djuprening kan metalljoninnehållet kontrolleras till ppm-nivån, vilket tillgodoser behoven av låg-till-mid-halvledarpolering.
Nackdelar: Vattenglasråmaterial innehåller många metallföroreningar, vilket gör rening svår; strikt kontroll av reaktionskoncentration, pH, temperatur etc. krävs för att undvika o-jämn partikelstorlek eller gelning; processen genererar också stora volymer salt-innehållande avloppsvatten, och hartsregenerering är kostsamt med högt miljötryck.
2. Sol-gelmetod
Den här metoden använder tetraetylortosilikat med hög -renhet (TEOS) eller tetrametylortosilikat (TMOS) som kiselkälla. I ett alkohollösningsmedel katalyseras hydrolys och polykondensation av syra eller bas för att producera SiO₂-nanopartiklar, följt av lösningsmedelsutbyte och koncentration för att erhålla hög-kiseldioxidsol. Genom att exakt kontrollera reaktionsförhållandena kan dopning på molekylär-nivå uppnås, vilket ger kiseldioxidnanopartiklar med enhetlig storlek, kontrollerbar morfologi och hög renhet. TEOS är i allmänhet att föredra för industriell produktion och laboratorieforskning på grund av dess lägre kostnad, lägre toxicitet, högre säkerhet och långsammare, mer kontrollerbar hydrolyshastighet. TMOS hydrolyserar mycket snabbt, vilket leder till kraftiga reaktioner och snabbare bildning av silikasol, vilket underlättar en starkt tvärbunden gelstruktur på kort tid, men reaktionen är svår att kontrollera.
3. Silikonpulverhydrolysmetod
Denna metod använder kiselpulver med hög -renhet som råmaterial, som reagerar med rent vatten under katalys av en oorganisk eller organisk bas (t.ex. natriumhydroxid) för att bilda hydratiserad kiselsyra, som sedan polymeriserar för att bilda kiseldioxidsol. Produktens renhet beror på kiselpulvrets renhet, vilket möjliggör framställning av extremt hög-ren silikasol med mycket låga föroreningsnivåer. Samtidigt är parametrar som SiO2-partikelstorlek, viskositet, pH, densitet och renhet lättare att kontrollera jämfört med andra metoder. Morfologikontrollen är dock svår, och det finns risk för väteexplosion.