در میان سیستمهای ساینده مختلف، سل سیلیس (پراکندگی کلوئیدی ذرات نانو-سیلیکا در آب یا حلال) به دلیل سختی متوسط، پراکندگی خوب و تجهیزات کمخطر خراشیدگی، به طور گسترده در صیقل دادن مواد دیالکتریک مانند ویفرهای سیلیکون، دیاکسید سیلیکون و نیترید سیلیکون استفاده میشود. با این حال، برنامههای کاربردی{2}}نیمهرسانا، الزامات بسیار سختگیرانهای را برای سل سیلیس اعمال میکنند: ناخالصیهای فلزی کمیاب میتوانند در دستگاهها پخش شوند و باعث نشتی یا رانش ولتاژ آستانه شوند. اندازه ذرات غیریکنواخت یا وجود ذرات بزرگ میتواند منجر به ایجاد خراشهای کوچک بر روی سطوح ویفر شود که مستقیماً عملکرد را کاهش میدهد. پایداری کلوئیدی ضعیف منجر به نرخهای پرداخت ناپایدار میشود که بر قوام دسته-تا-بچ تأثیر میگذارد. بنابراین، نحوه تهیه سل سیلیکا که به طور همزمان نیازهای "خلوص فوق العاده{8}، اندازه ذرات تک پراکنده، مورفولوژی قابل کنترل و پایداری طولانی مدت" را برآورده کند، به چالشی رایج برای علم مواد و صنعت نیمه هادی تبدیل شده است.
چالش 1: حذف ناخالصی های فلزی کمیاب
ناخالصی های فلزی عامل اصلی ایجاد عیوب سطح ویفر و خرابی دستگاه هستند. یونهای فلزی مانند Na، Fe، Al، Ca، Mg، Cu و Pb میتوانند پس از پرداخت بر روی سطح ویفر باقی بمانند، عایق دستگاه را به خطر بیندازند و باعث نشتی شوند، یا در طی فرآیندهای{1}در دمای بالا در زیرلایه سیلیکون پخش شوند که منجر به رانش پارامتر میشود. در نتیجه، محتوای ناخالصی فلز در سل سیلیس مورد استفاده برای دوغاب CMP تراشه معمولاً کمتر از 1 ppm و برای فرآیندهای پیشرفته حتی زیر 1ppb در هر فلز جداگانه لازم است. با این حال، در تهیه سل سیلیس، فلزات کمیاب نه تنها از مواد خام (پودر سیلیکون، شیشه آب، استرهای سیلیکات) بلکه از مخازن واکنش، خطوط لوله و مواد افزودنی نیز وارد میشوند. فیلتراسیون متعارف و تبادل یونی نمی تواند ناخالصی ها را در سطح ppb به طور کامل حذف کند.
چالش 2: کنترل دقیق تک پراکندگی اندازه ذرات
هنگامی که از دوغاب پولیش با توزیع اندازه ذرات گسترده استفاده می شود، ذرات سیلیکا درشت تمایل به ایجاد خراش روی سطح ویفر سیلیکونی دارند و باعث نوساناتی در سرعت پولیش یا پولیش موضعی-می شوند. بنابراین، اندازه ذرات و یکنواختی آن بسیار مهم است. به طور معمول، سیلیس درجه نیمه هادی{3}}به اندازه ذرات در محدوده 10-50 نانومتر نیاز دارد. برای فرآیندهای پیشرفته (مثلاً گره 5 نانومتری و پایین تر)، حتی به کنترل دقیق تری نیاز است، حدود 10 تا 30 نانومتر. با این حال، در طول رشد ذرات سیلیس، هستهزایی و تجمع ثانویه به راحتی اتفاق میافتد و دستیابی به ذرات تک پراکنده را دشوار میکند. علاوه بر این، در تولید در مقیاس بزرگ، نوسانات جزئی در پارامترهایی مانند دما، pH، و نرخ خوراک میتواند یکنواختی اندازه ذرات را مختل کند و نیازهای بسیار بالایی را بر دقت فرآیند تحمیل کند.
چالش 3: مورفولوژی ذرات قابل کنترل
اگرچه سل سیلیس کروی تک پراکنده که به عنوان ساینده استفاده می شود می تواند به کیفیت سطح خوبی دست یابد، ذرات سیلیس کروی تمایل به غلتیدن دارند و مناطق تماس کوچکی دارند که منجر به راندمان پرداخت پایین می شود. در سالهای اخیر، شرکتهای خارجی پیشرو روی تولید سایندههای سیلیسی غیرکروی، لبهای{2}}آزاد، صاف- مانند دمبل{4}}شکل، پیله{5}}و ذرات بیضی شکل تمرکز کردهاند. این ذرات مزایایی مانند سطح ویژه بالا، نرمی و تمایل کم به خراش را ارائه میکنند که نوید خوبی برای پرداخت CMP نیمه هادی است. با این حال، آماده سازی چنین مورفولوژی ها همچنان چالش برانگیز است.
چالش 4: تضمین ثبات بلندمدت-
پایداری بلندمدت-برای کاربرد صنعتی سل سیلیس اساسی است. دوغاب های پولیش نیمه هادی باید به مدت 6 تا 12 ماه یا بیشتر نگهداری شوند، به این دلیل که سل سیلیس تحت شرایط pH وسیع (8 تا 11) و محتوای جامد بالا (30 تا 40 درصد) ژل، لایه لایه یا رشد ذرات نکند. مشکل فنی در انرژی سطح بالای نانوذرات است که آنها را مستعد تجمع به دلیل کاهش دافعه الکترواستاتیک یا پیوند هیدروژنی میکند. علاوه بر این، تغییرات دما و آلودگی یونی ناخالصی، بی ثباتی کلوئیدی را تسریع می کند. کنترل پایداری در محتویات جامد بالا بهطور تصاعدی دشوارتر میشود و نیاز به اصلاح سطح و بهینهسازی سیستم برای افزایش پایداری بلندمدت{11} دارد.
روشهای اصلی آمادهسازی-سل سیلیس با درجه الکترونیکی برای صیقل دادن دوغاب
در حال حاضر، روشهای اصلی برای تهیه سل{0}سیلیکا با خلوص بالا، تبادل یونی، هیدرولیز پودر سیلیکون و ژل سل- (هیدرولیز استر سیلیکات) است. این سه روش در انتخاب مواد خام، خلوص محصول، کنترل اندازه ذرات و هزینه تولید به طور قابل توجهی متفاوت هستند و آنها را برای سطوح مختلف نیازهای پرداخت نیمه هادی مناسب می کند.
1. روش تبادل یونی
این روش که به عنوان روش شیشه آب نیز شناخته می شود، بالغ ترین و پرکاربردترین فرآیند است. از شیشه آب صنعتی (سیلیکات سدیم) به عنوان ماده خام استفاده می کند که از یک رزین تبادل کاتیونی برای حذف Na+ و سپس از طریق یک رزین تبادل آنیونی ضعیف- برای حذف کلرید و سایر ناخالصی ها عبور داده می شود و یک سل سیلیس رقیق و یک محلول اسید سیلیسیک فعال با خلوص بالا تولید می کند. سپس یک تثبیت کننده اضافه می شود تا PH را بین 8.5-10.5 تنظیم کند و از طریق واکنش های هسته زایی و رشد ذرات، یک سل سیلیس قابل کنترل با اندازه{6} تک پراکنده تولید می شود که در نهایت با اولترافیلتراسیون یا سانتریفیوژ تغلیظ و خالص می شود.
مزایا: مناسب برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ، هزینه مواد خام کم، اندازه ذرات قابل کنترل تا 10 تا 20 نانومتر، و پس از خالص سازی عمیق، محتوای یون فلزی را می توان تا سطح ppm کنترل کرد و نیازهای پولیش نیمه هادی پایین- را برآورده کرد.
معایب: مواد خام شیشه آب حاوی ناخالصی های فلزی زیادی است که تصفیه را دشوار می کند. کنترل دقیق غلظت واکنش، pH، دما و غیره برای جلوگیری از اندازه ذرات غیریکنواخت یا ژل شدن لازم است. این فرآیند همچنین حجم زیادی از نمک-حاوی فاضلاب تولید میکند و بازسازی رزین با فشار محیطی بالا پرهزینه است.
2. روش سل{1}}ژل
این روش از{0}}تترااتیل ارتوسیلیکات با خلوص بالا (TEOS) یا تترا متیل ارتوسیلیکات (TMOS) به عنوان منبع سیلیکون استفاده میکند. در یک حلال الکلی، هیدرولیز و پلی تراکم توسط اسید یا باز برای تولید نانوذرات SiO2 کاتالیز میشوند و به دنبال آن تبادل حلال و غلظت برای به دست آوردن سل سیلیس با خلوص بالا انجام میشود. با کنترل دقیق شرایط واکنش، میتوان به دوپینگ{4} در سطح مولکولی دست یافت که نانوذرات سیلیکا با اندازه یکنواخت، مورفولوژی قابل کنترل و خلوص بالا تولید میکند. TEOS به دلیل هزینه کمتر، سمیت کمتر، ایمنی بالاتر و سرعت هیدرولیز آهسته تر و قابل کنترل تر، عموماً برای تولید صنعتی و تحقیقات آزمایشگاهی ترجیح داده می شود. TMOS خیلی سریع هیدرولیز میشود و منجر به واکنشهای شدید و تشکیل سریعتر سل سیلیس میشود، که ساختار ژل بسیار متقابل-را در زمان کوتاهی تسهیل میکند، اما کنترل واکنش دشوار است.
3. روش هیدرولیز پودر سیلیکون
این روش از پودر سیلیکون با خلوص بالا-به عنوان ماده خام استفاده میکند که با آب خالص تحت کاتالیز یک پایه معدنی یا آلی (مثلاً هیدروکسید سدیم) واکنش میدهد تا اسید سیلیسیک هیدراته را تشکیل دهد، که سپس پلیمریزه میشود و سل سیلیس را تشکیل میدهد. خلوص محصول به خلوص پودر سیلیکون بستگی دارد و امکان تهیه سل{4}}سیلیکا با خلوص بسیار بالا با سطوح ناخالصی بسیار پایین را فراهم میکند. در عین حال، کنترل پارامترهایی مانند اندازه ذرات SiO2، ویسکوزیته، pH، چگالی و خلوص در مقایسه با روشهای دیگر آسانتر است. با این حال، کنترل مورفولوژی دشوار است، و خطر انفجار هیدروژن وجود دارد.