Blant ulike slipesystemer er silikasol (kolloidal dispersjon av nano-silikapartikler i vann eller løsemiddel) mye brukt i polering av dielektriske materialer som silisiumskiver, silisiumdioksyd og silisiumnitrid på grunn av moderat hardhet, gode dispergerbarhet og lave risiko for riper. Imidlertid stiller applikasjoner av halvlederkvalitet- ekstremt strenge krav til silikasol: spormetallurenheter kan diffundere inn i enheter og forårsake lekkasje eller terskelspenningsdrift; ikke-jevn partikkelstørrelse eller tilstedeværelsen av store partikler kan føre til mikro-riper på waferoverflater, noe som direkte reduserer utbyttet; dårlig kolloidal stabilitet resulterer i ustabile poleringshastigheter, noe som påvirker batch-til-batch-konsistens. Derfor har det blitt en vanlig utfordring for både materialvitenskap og halvlederindustrien hvordan man forbereder silikasol som samtidig oppfyller kravene til «ultra-høy renhet, monodispers partikkelstørrelse, kontrollerbar morfologi og langtids-stabilitet.
Utfordring 1: Fjerning av spormetallurenheter
Metallurenheter er en viktig faktor som forårsaker waferoverflatedefekter og enhetsfeil. Metallioner som Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu og Pb kan forbli på waferoverflaten etter polering, kompromittere enhetens isolasjon og forårsake lekkasje, eller diffundere inn i silisiumsubstratet under høye-temperaturprosesser, noe som fører til parameterdrift. Følgelig kreves det typisk at metallurenhetsinnholdet i silikasol som brukes til chip CMP-slurry er under 1 ppm, og for avanserte prosesser, til og med under 1 ppb per enkelt metall. Ved fremstilling av silikasol introduseres imidlertid spormetaller ikke bare fra råmaterialer (silisiumpulver, vannglass, silikatestere), men også fra reaksjonsbeholdere, rørledninger og tilsetningsstoffer. Konvensjonell filtrering og ionebytting kan ikke fjerne urenheter på ppb-nivået grundig.
Utfordring 2: Nøyaktig kontroll av partikkelstørrelse monodispersitet
Når en poleringsslurry med bred partikkelstørrelsesfordeling brukes, har store silikapartikler en tendens til å lage riper på silisiumplatens overflate og forårsake svingninger i poleringshastigheten eller lokalisert over-polering. Derfor er partikkelstørrelsen og dens ensartethet kritisk. Vanligvis krever halvleder-silikasol partikkelstørrelser i området 10–50 nm; for avanserte prosesser (f.eks. 5 nm node og under), er det nødvendig med enda finere kontroll, rundt 10–30 nm. Under veksten av silikapartikler oppstår imidlertid lett sekundær kjernedannelse og agglomerering, noe som gjør virkelig monodisperse partikler vanskelig å oppnå. I storskalaproduksjon kan dessuten mindre svingninger i parametere som temperatur, pH og matehastighet forstyrre partikkelstørrelsens ensartethet, og stille ekstremt høye krav til prosesspresisjon.
Utfordring 3: Kontrollerbar partikkelmorfologi
Selv om sfærisk monodispers silikasol brukt som slipemiddel kan oppnå god overflatekvalitet, har sfæriske silikapartikler en tendens til å rulle og ha små kontaktområder, noe som fører til lav poleringseffektivitet. De siste årene har ledende utenlandske selskaper fokusert på å utvikle ikke-sfæriske, kant-frie, glatte-slipemidler med silika som dumbbell-formede, kokongformede-og ellipsoide partikler. Disse partiklene tilbyr fordeler som høyt spesifikt overflateareal, mykhet og lav ripetendens, noe som viser et godt løfte for halvleder-CMP-polering. Imidlertid er utarbeidelsen av slike morfologier fortsatt utfordrende.
Utfordring 4: Sikre langsiktig-stabilitet
Langsiktig-stabilitet er grunnleggende for industriell bruk av silikasol. Halvlederpoleringsoppslemminger må lagres i 6–12 måneder eller mer, noe som krever at silikasolen ikke gelerer, stratifiserer eller gjennomgår partikkelvekst under forhold med bred pH (8–11) og høyt faststoffinnhold (30–40 %). Den tekniske vanskeligheten ligger i den høye overflateenergien til nanopartikler, som gjør dem utsatt for agglomerering på grunn av redusert elektrostatisk frastøtning eller hydrogenbinding. I tillegg akselererer temperaturendringer og forurensning av urenheter av kolloidal destabilisering. Stabilitetskontroll blir eksponentielt vanskeligere ved høyt innhold av faste stoffer, noe som krever overflatemodifisering og systemoptimalisering for å forbedre{11}}langsiktig stabilitet.
Vanlige tilberedningsmetoder for elektronisk-silikasol for polering av slam
For tiden er hovedmetodene for fremstilling av høy-ren silikasol ionebytting, silisiumpulverhydrolyse og sol-gel (silikatesterhydrolyse). Disse tre metodene varierer betydelig i valg av råmateriale, produktrenhet, partikkelstørrelseskontroll og produksjonskostnad, noe som gjør dem egnet for ulike nivåer av krav til halvlederpolering.
1. Ionebyttemetode
Også kjent som vannglassmetoden, er dette den mest modne og mest brukte prosessen. Den bruker industrielt vannglass (natriumsilikat) som råmateriale, som føres gjennom en kationbytterharpiks for å fjerne Na⁺, og deretter gjennom en svak-baseanionbytterharpiks for å fjerne klorid og andre urenheter, noe som gir en fortynnet silikasol og en aktiv kiselsyreløsning med høy-renhet. En stabilisator tilsettes deretter for å justere pH til 8,5–10,5, og gjennom kjernedannelse og partikkelvekstreaksjoner produseres en monodispers, størrelses-kontrollerbar silikasol, som til slutt konsentreres og renses ved ultrafiltrering eller sentrifugering.
Fordeler: Egnet for stor-industriproduksjon, lave råvarekostnader, kontrollerbar partikkelstørrelse ned til 10–20 nm, og etter dyprensing kan metallioneinnholdet kontrolleres til ppm-nivået, og oppfyller behovene for lav-til-midt-ende-halvlederpolering.
Ulemper: Vannglassråmaterialer inneholder mange metallurenheter, noe som gjør rensing vanskelig; streng kontroll av reaksjonskonsentrasjon, pH, temperatur osv. er nødvendig for å unngå u-jevn partikkelstørrelse eller geldannelse; prosessen genererer også store mengder salt-inneholdende avløpsvann, og harpiksregenerering er kostbart, med høyt miljøtrykk.
2. Sol-gelmetode
Denne metoden bruker høy-renhet tetraetylortosilikat (TEOS) eller tetrametylortosilikat (TMOS) som silisiumkilde. I et alkoholløsningsmiddel blir hydrolyse og polykondensasjon katalysert av syre eller base for å produsere SiO₂-nanopartikler, etterfulgt av løsemiddelutveksling og konsentrasjon for å oppnå høy-ren silikasol. Ved nøyaktig å kontrollere reaksjonsforholdene kan doping på molekylært-nivå oppnås, og produsere silika nanopartikler med jevn størrelse, kontrollerbar morfologi og høy renhet. TEOS er generelt foretrukket for industriell produksjon og laboratorieforskning på grunn av lavere kostnader, lavere toksisitet, høyere sikkerhet og langsommere, mer kontrollerbar hydrolysehastighet. TMOS hydrolyserer veldig raskt, noe som fører til kraftige reaksjoner og raskere dannelse av silikasol, noe som muliggjør en sterkt kryss-bundet gelstruktur på kort tid, men reaksjonen er vanskelig å kontrollere.
3. Silisiumpulverhydrolysemetode
Denne metoden bruker høy-rent silisiumpulver som råmateriale, som reagerer med rent vann under katalyse av en uorganisk eller organisk base (f.eks. natriumhydroksid) for å danne hydratisert kiselsyre, som deretter polymeriserer for å danne silikasol. Renheten til produktet avhenger av renheten til silisiumpulveret, noe som muliggjør fremstilling av ekstremt høy-ren silikasol med svært lave urenhetsnivåer. Samtidig er parametere som SiO₂-partikkelstørrelse, viskositet, pH, tetthet og renhet lettere å kontrollere sammenlignet med andre metoder. Morfologikontroll er imidlertid vanskelig, og det er fare for hydrogeneksplosjon.