Blandt forskellige slibesystemer er silicasol (kolloid dispersion af nano-silicapartikler i vand eller opløsningsmiddel) i vid udstrækning brugt til polering af dielektriske materialer såsom siliciumwafers, siliciumdioxid og siliciumnitrid på grund af dets moderate hårdhed, gode dispergerbarhed og lave risiko for ridser. Imidlertid stiller applikationer af halvlederkvalitet- ekstremt strenge krav til silicasol: spormetalurenheder kan diffundere ind i enheder og forårsage lækage eller tærskelspændingsdrift; ikke-ensartet partikelstørrelse eller tilstedeværelsen af store partikler kan føre til mikro-ridser på waferoverflader, hvilket direkte reducerer udbyttet; dårlig kolloid stabilitet resulterer i ustabile poleringshastigheder, hvilket påvirker batch-til-batch-konsistensen. Derfor er det blevet en fælles udfordring for både materialevidenskab og halvlederindustrien, hvordan man fremstiller silicasol, der samtidig opfylder kravene til "ultra-høj renhed, monodispers partikelstørrelse, kontrollerbar morfologi og langtids-stabilitet.
Udfordring 1: Fjernelse af spormetalurenheder
Metalurenheder er en vigtig faktor, der forårsager waferoverfladedefekter og enhedsfejl. Metalioner såsom Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu og Pb kan forblive på waferoverfladen efter polering, kompromittere enhedens isolering og forårsage lækage, eller diffundere ind i siliciumsubstratet under høje-temperaturprocesser, hvilket fører til parameterdrift. Som følge heraf kræves det typisk, at indholdet af metalurenheder i silicasol, der anvendes til chip-CMP-opslæmninger, er under 1 ppm, og for avancerede processer, endda under 1 ppb pr. individuelt metal. Ved fremstillingen af silicasol indføres spormetaller imidlertid ikke kun fra råmaterialer (siliciumpulver, vandglas, silicatestere), men også fra reaktionsbeholdere, rørledninger og additiver. Konventionel filtrering og ionbytning kan ikke grundigt fjerne urenheder på ppb-niveau.
Udfordring 2: Præcis kontrol af partikelstørrelses monodispersitet
Når der anvendes en poleringsopslæmning med en bred partikelstørrelsesfordeling, har store silicapartikler tendens til at skabe ridser på siliciumwaferens overflade og forårsage udsving i poleringshastigheden eller lokaliseret over-polering. Derfor er partikelstørrelsen og dens ensartethed kritisk. Typisk kræver halvleder-silicasol partikelstørrelser i området 10-50 nm; til high-processer (f.eks. 5 nm node og derunder), er der behov for endnu finere kontrol, omkring 10-30 nm. Under væksten af silicapartikler opstår der imidlertid let sekundær kernedannelse og agglomerering, hvilket gør virkelig monodisperse partikler vanskelige at opnå. Desuden kan mindre udsving i parametre som temperatur, pH og tilførselshastighed i stor{14}}skalaproduktion forstyrre partikelstørrelsens ensartethed, hvilket stiller ekstremt høje krav til procespræcision.
Udfordring 3: Kontrollerbar partikelmorfologi
Selvom sfærisk monodispers silicasol, der anvendes som slibemiddel, kan opnå god overfladekvalitet, har sfæriske silicapartikler en tendens til at rulle og have små kontaktområder, hvilket fører til lav poleringseffektivitet. I de senere år har førende udenlandske virksomheder fokuseret på at udvikle ikke-sfæriske, kant-frie, glatte-silicaslibemidler, såsom håndvægte-formede, kokonformede-og ellipsoide partikler. Disse partikler byder på fordele såsom højt specifikt overfladeareal, blødhed og lav ridsetendens, hvilket viser et stort lovende for halvleder-CMP-polering. Imidlertid er forberedelsen af sådanne morfologier stadig udfordrende.
Udfordring 4: Sikring af langsigtet-stabilitet
Langsigtet-stabilitet er grundlæggende for industriel anvendelse af silicasol. Halvlederpoleringsslam skal opbevares i 6-12 måneder eller mere, hvilket kræver, at silicasolen ikke gelerer, lagdeler eller undergår partikelvækst under betingelser med bred pH (8-11) og højt faststofindhold (30%-40%). Den tekniske vanskelighed ligger i nanopartiklernes høje overfladeenergi, som gør dem tilbøjelige til agglomeration på grund af reduceret elektrostatisk frastødning eller hydrogenbinding. Derudover accelererer temperaturændringer og kontaminering af urenheder kolloid destabilisering. Stabilitetskontrol bliver eksponentielt vanskeligere ved højt indhold af fast stof, hvilket nødvendiggør overflademodifikation og systemoptimering for at forbedre{11}}langtidsstabiliteten.
Almindelige forberedelsesmetoder af elektronisk-silicasol til polering af slam
I øjeblikket er de vigtigste metoder til fremstilling af høj-ren silicasol ionbytning, siliciumpulverhydrolyse og sol-gel (silikatesterhydrolyse). Disse tre metoder adskiller sig væsentligt med hensyn til valg af råmateriale, produktrenhed, partikelstørrelseskontrol og produktionsomkostninger, hvilket gør dem velegnede til forskellige niveauer af krav til halvlederpolering.
1. Ionbytningsmetode
Også kendt som vandglasmetoden, er dette den mest modne og udbredte proces. Den bruger industrielt vandglas (natriumsilicat) som råmateriale, som ledes gennem en kationbytterharpiks for at fjerne Na⁺ og derefter gennem en svag-baseanionbytterharpiks for at fjerne chlorid og andre urenheder, hvilket giver en fortyndet silicasol og en aktiv kiselsyreopløsning med høj-renhed. En stabilisator tilsættes derefter for at justere pH-værdien til 8,5-10,5, og gennem nukleations- og partikelvækstreaktioner fremstilles en monodispers, størrelse-kontrollerbar silicasol, som til sidst koncentreres og renses ved ultrafiltrering eller centrifugering.
Fordele: Velegnet til stor-industriel produktion, lave råmaterialeomkostninger, kontrollerbar partikelstørrelse ned til 10-20 nm, og efter dyb rensning kan metalionindholdet kontrolleres til ppm-niveauet, hvilket opfylder behovene for lav-til-midt-halvlederpolering.
Ulemper: Vandglasråmaterialer indeholder mange metalurenheder, hvilket gør rensning vanskelig; streng kontrol af reaktionskoncentration, pH, temperatur osv. er påkrævet for at undgå u-ensartet partikelstørrelse eller gelering; processen genererer også store mængder salt-indeholdende spildevand, og harpiksregenerering er dyrt med højt miljøtryk.
2. Sol-gelmetode
Denne metode bruger høj-renhed tetraethylorthosilicat (TEOS) eller tetramethylorthosilicat (TMOS) som siliciumkilde. I et alkoholopløsningsmiddel katalyseres hydrolyse og polykondensation af syre eller base for at producere SiO₂-nanopartikler, efterfulgt af opløsningsmiddeludskiftning og koncentration for at opnå høj-ren silicasol. Ved præcist at kontrollere reaktionsbetingelserne kan der opnås doping på molekylært-niveau, hvilket producerer silicananopartikler med ensartet størrelse, kontrollerbar morfologi og høj renhed. TEOS foretrækkes generelt til industriel produktion og laboratorieforskning på grund af dens lavere omkostninger, lavere toksicitet, højere sikkerhed og langsommere, mere kontrollerbar hydrolysehastighed. TMOS hydrolyserer meget hurtigt, hvilket fører til kraftige reaktioner og hurtigere dannelse af silicasol, hvilket letter en stærkt tværbundet gelstruktur på kort tid, men reaktionen er svær at kontrollere.
3. Hydrolysemetode af siliciumpulver
Denne metode bruger høj-ren siliciumpulver som råmateriale, som reagerer med rent vand under katalyse af en uorganisk eller organisk base (f.eks. natriumhydroxid) til dannelse af hydreret kiselsyre, som derefter polymeriserer til dannelse af silicasol. Produktets renhed afhænger af renheden af siliciumpulveret, hvilket muliggør fremstilling af silicasol med ekstremt høj-renhed med meget lave urenhedsniveauer. Samtidig er parametre som SiO2-partikelstørrelse, viskositet, pH, densitet og renhed lettere at kontrollere sammenlignet med andre metoder. Morfologikontrol er dog vanskelig, og der er risiko for brinteksplosion.