پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP) تنها روشی در تولید نیمه هادی است که از عمل هم افزایی نیروهای مکانیکی و شیمیایی برای حذف مواد اضافی از سطوح دستگاه، کاهش زبری سطح و به دست آوردن سطوح مسطح استفاده می کند. همچنین یک فناوری کلیدی برای ساخت اتصالات چندسطحی در تراشه های نیمه هادی و مدارهای مجتمع است.
در فرآیندهای CMP نیمه هادی، سریا (CeO2) برای مدت طولانی در مسطح سازی لایه دی الکتریک یک موقعیت مرکزی داشته است. در مقایسه با سایندههای کلوئیدی سیلیس یا آلومینا با اندازه ذرات مشابه، دوغابهای CeO2 یک اثر دندانی شیمیایی نسبت به مواد مبتنی بر سیلیکون مانند دیاکسید سیلیکون (SiO2) و نیترید سیلیکون (Si3N4) با غلظتهای برابر با کیفیت بالاتر از خود نشان میدهند. این شکاف عملکرد را نمی توان صرفاً با پارامترهای سختی و اندازه ذرات توضیح داد-ریشه آن در شیمی منحصر به فرد ظرفیت متغیر سریم نهفته است.
اساس ساختاری CeO2: جای خالی اکسیژن و منشا Ce3+
CeO2 دارای ساختار مکعبی فلوریت است که در آن هر اتم Ce توسط هشت اتم اکسیژن هماهنگ می شود. تحت نسبت استوکیومتری ایده آل، سریم به صورت Ce4+ وجود دارد. با این حال، اوربیتالهای الکترونی 4f سریم امکان انتقال برگشتپذیر بین Ce4+ و Ce3+ را فراهم میکنند: وقتی یک یون اکسیژن از شبکه حذف میشود، یونهای Ce4+ اطراف الکترون میگیرند و به Ce3+ کاهش مییابند و به طور همزمان یک فضای خالی اکسیژن در آنجا ایجاد میشود. CeO2₋ₓ.
واکنش رابط در واسط پرداخت: تشکیل و شکست پیوندهای Ce–O–Si
حذف SiO2 توسط CeO2 فرآیندی است که هم واکنش شیمیایی و هم نیروی مکانیکی را شامل می شود که می تواند در مراحل زیر خلاصه شود:
01 هیدروکسیلاسیون سطحی
در یک محیط دوغاب آبی، اکسیژن پل زدن Si-O-Si روی سطح SiO2 هیدرولیز می شود تا گروه های سیلانول (Si-OH) تشکیل شود. در همان زمان، سایتهای فعال Ce3+ روی سطح ذرات CeO2 گروههای هیدروکسیل (Ce-OH) را حمل میکنند.
02 تشکیل پیوندهای Ce–O–Si
Ce-OH و Si-OH تحت آبگیری تراکمی قرار می گیرند و پیوندهای کووالانسی بین ذره و بستر ایجاد می کنند. پیوند Ce-O-Si رابط ذره- بستر را پل می کند و مستقیماً ذرات ساینده را به سطح SiO2 متصل می کند. مطالعات وجود این پیوند را بر روی ذرات صیقلی و سطوح ویفر با استفاده از XPS، TEM و طیفسنجی فروسرخ شناسایی کردهاند.
Ce–OH + HO–Si → Ce–O–Si + H2O
03 مداخله مکانیکی و حذف مواد
تحت عمل فشار پد پولیش و حرکت نسبی، پیوند Ce-O-Si اتم های Si را از سطح شبکه حجیم SiO2 می کشد، که به صورت سیلیکات های محلول در دوغاب آزاد می شوند (Si(OH)4). پس از جدا شدن، Ce-O-Si روی سطح ذره هیدرولیز می شود تا Ce-OH را بازسازی کند و یک چرخه حذف را تکمیل کند. این مکانیسم معمولاً به عنوان "حذف هم افزایی شیمیایی مکانیکی" نامیده می شود: واکنش شیمیایی (تراکم و تشکیل پیوند) انرژی اتصال لایه سطحی SiO2 را ضعیف می کند، در حالی که نیروی مکانیکی حذف نهایی را انجام می دهد-هر دو ضروری هستند.
توجه:Ce4+ مستقیماً در واکنش سطحی شرکت نمی کند، اما پیش نیاز عملکرد پایدار کل سیستم است. در محلول های آبی اکسید کننده (دوغاب های CMP معمولاً در pH 4-8 کار می کنند)، فاز ترمودینامیکی پایدار CeO2 ساختار فلوریت تحت سلطه Ce4 است. وجود Ce4+ یکپارچگی ساختاری ذرات تحت تنش مکانیکی را تضمین می کند و همچنین به عنوان یک مخزن یونی برای بازسازی Ce3+ عمل می کند.
دستورالعمل های تحقیقاتی فعلی برای ساینده های CeO2
تلاشهای تحقیقاتی کنونی برای بهبود سایندههای CeO2 عمدتاً بر سه جهت زیر متمرکز است:
01 بهینه سازی مورفولوژی
مورفولوژی CeO2 (کروی، مکعبی، میله مانند، چند وجهی، و غیره) بر انرژی سطح آن، نسبت نوردهی وجوه کریستالی فعال، و پایداری پراکندگی آن در دوغاب تأثیر می گذارد. مورفولوژی های مختلف تفاوت هایی را در غلظت Ce³+ سطح و رفتار هیدرودینامیکی نشان می دهند. محققان شرایط سنتز هیدروترمال را برای تنظیم مورفولوژی، با هدف افزایش سرعت حذف و پایداری دوغاب، کنترل می کنند.
02 اصلاح ساختار
ساخت ساختارهای هسته-پوسته یا کامپوزیت های ناهمگن CeO2 با SiO2 یا مواد پلیمری امکان تنظیم همزمان سختی ذرات، شیمی سطح و پراکندگی را فراهم می کند. به عنوان مثال، ساختارهای هسته-پوسته SiO2@CeO2 خطر خراش مکانیکی را از طریق یک هسته نرم کاهش می دهند در حالی که فعالیت شیمیایی سطح CeO2 را حفظ می کنند. ساختارهای کامپوزیتی ناهمگن می توانند قابلیت پرداخت انتخابی را نسبت به بسترهای خاص از طریق اثرات هم افزایی بین این دو ماده بهبود بخشند.
03 دوپینگ عنصری برای تنظیم غلظت فضای خالی اکسیژن
دوپینگ با عناصر سه ظرفیتی (La3+، Nd3+، Yb3+، و غیره) در شبکه CeO2، به دلیل جبران بار، جای خالی اکسیژن بیشتری را معرفی میکند، به طور همزمان Ce4+ را به Ce3+ کاهش میدهد و واکنشپذیری سطح را مستقیماً افزایش میدهد. آزمایشها نشان دادهاند که دوپینگ Nd میتواند نرخ حذف مواد (MRR) را به بیش از سه برابر کنترلنشده افزایش دهد.