Entre diversos sistemes abrasius, el sol de sílice (dispersió col·loïdal de nano-partícules de sílice en aigua o dissolvent) s'utilitza àmpliament en el poliment de materials dielèctrics com ara hòsties de silici, diòxid de silici i nitrur de silici a causa de la seva duresa moderada, bona dispersibilitat i baix risc d'equips de rascades. Tanmateix, les aplicacions de grau-de semiconductors imposen requisits extremadament estrictes al sol de sílice: les impureses de metall traça es poden difondre als dispositius, provocant fuites o deriva de la tensió llindar; La mida no-uniforme de les partícules o la presència de partícules grans poden provocar micro-esgarrapades a les superfícies de les hòsties, reduint directament el rendiment; una mala estabilitat col·loïdal dóna lloc a taxes de poliment inestables, que afecta la consistència de lot-a-. Per tant, com preparar un sol de sílice que compleixi simultàniament les exigències de "puresa ultra-, mida de partícula monodispersa, morfologia controlable i estabilitat a-a llarg termini" s'ha convertit en un repte comú tant per a la ciència dels materials com per a la indústria dels semiconductors.
Repte 1: Eliminació d'impureses metàl·liques
Les impureses metàl·liques són un factor important que causen defectes de la superfície de les hòsties i fallades del dispositiu. Els ions metàl·lics com ara Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu i Pb poden romandre a la superfície de l'hòstia després del poliment, comprometent l'aïllament del dispositiu i provocant fuites, o difondre's al substrat de silici durant processos d'alta-temperatura, donant lloc a la deriva dels paràmetres. En conseqüència, el contingut d'impureses metàl·liques en el sol de sílice que s'utilitza per als purins CMP de xips normalment es requereix que sigui inferior a 1 ppm, i per als processos avançats, fins i tot per sota d'1 ppb per metall individual. En la preparació del sol de sílice, però, els metalls traça s'introdueixen no només a partir de matèries primeres (pols de silici, vidre d'aigua, èsters de silicat), sinó també a partir de recipients de reacció, canonades i additius. La filtració convencional i l'intercanvi d'ions no poden eliminar completament les impureses a nivell de ppb.
Repte 2: Control precís de la monodispersitat de la mida de les partícules
Quan s'utilitza una pasta de poliment amb una àmplia distribució de la mida de les partícules, les partícules grans de sílice tendeixen a crear esgarrapades a la superfície de l'hòstia de silici i a provocar fluctuacions en la velocitat de poliment o un sobre{0}}polit localitzat. Per tant, la mida de la partícula i la seva uniformitat són crítiques. Normalment, el sol de sílice de grau -de semiconductor requereix mides de partícules en el rang de 10 a 50 nm; per a processos-de gamma alta (per exemple, nodes de 5 nm i per sota), es necessita un control encara més fi, al voltant de 10-30 nm. Tanmateix, durant el creixement de les partícules de sílice, la nucleació secundària i l'aglomeració es produeixen fàcilment, cosa que fa que les partícules realment monodisperses siguin difícils d'aconseguir. A més, en la producció a gran-escala, les petites fluctuacions en paràmetres com la temperatura, el pH i la velocitat d'alimentació poden alterar la uniformitat de la mida de les partícules, imposant exigències extremadament elevades a la precisió del procés.
Repte 3: Morfologia de partícules controlables
Tot i que el sol de sílice monodispers esfèric utilitzat com a abrasiu pot aconseguir una bona qualitat superficial, les partícules esfèriques de sílice tendeixen a rodar i tenen àrees de contacte petites, la qual cosa condueix a una baixa eficiència de poliment. En els darrers anys, les principals companyies estrangeres s'han centrat en el desenvolupament d'abrasius de sílice no-esfèrics, sense vora-i de superfície llisa-com ara partícules en forma de peses-, en forma de capoll- i el·lipsoïdals. Aquestes partícules ofereixen avantatges com ara una gran superfície específica, suavitat i baixa tendència a les ratllades, mostrant una gran promesa per al polit CMP de semiconductors. Tanmateix, la preparació d'aquestes morfologies continua sent un repte.
Repte 4: garantir l'estabilitat-a llarg termini
L'estabilitat-a llarg termini és fonamental per a l'aplicació industrial del sol de sílice. Els purins de poliment de semiconductors s'han d'emmagatzemar durant 6-12 mesos o més, cosa que requereix que el sol de sílice no es gelifiqui, s'estratifiqui o experimenti un creixement de partícules en condicions de pH ampli (8-11) i alt contingut sòlid (30%-40%). La dificultat tècnica rau en l'alta energia superficial de les nanopartícules, que les fa propenses a l'aglomeració a causa de la reducció de la repulsió electrostàtica o dels enllaços d'hidrogen. A més, els canvis de temperatura i la contaminació d'ions d'impureses acceleren la desestabilització col·loïdal. El control de l'estabilitat es fa exponencialment més difícil amb continguts sòlids elevats, la qual cosa requereix una modificació de la superfície i l'optimització del sistema per millorar l'estabilitat-a llarg termini.
Mètodes de preparació convencionals de sol de sílice de grau electrònic-per polir purins
Actualment, els mètodes principals per preparar un sol de sílice d'alta puresa són l'intercanvi d'ions, la hidròlisi de pols de silici i el sol-gel (hidròlisi d'èsters de silicat). Aquests tres mètodes difereixen significativament en la selecció de matèries primeres, la puresa del producte, el control de la mida de les partícules i el cost de producció, cosa que els fa adequats per a diferents nivells de requisits de polit de semiconductors.
1. Mètode d'intercanvi iònic
També conegut com el mètode del got d'aigua, aquest és el procés més madur i utilitzat. Utilitza vidre d'aigua industrial (silicat de sodi) com a matèria primera, que es fa passar a través d'una resina d'intercanvi catiònic per eliminar Na⁺, i després a través d'una resina d'intercanvi d'anions de base-feble per eliminar el clorur i altres impureses, donant un sol de sílice diluït i una solució d'àcid silícic actiu d'alta puresa. A continuació, s'afegeix un estabilitzador per ajustar el pH a 8,5-10,5 i, mitjançant reaccions de nucleació i creixement de partícules, es produeix un sol de sílice monodispers de mida-controlable, que finalment es concentra i es purifica per ultrafiltració o centrifugació.
Avantatges: apte per a la producció industrial a gran-escala, baix cost de la matèria primera, mida de partícula controlable fins a 10-20 nm i, després d'una purificació profunda, el contingut d'ions metàl·lics es pot controlar al nivell de ppm, satisfent les necessitats de polit de semiconductors de baix-a-final-final.
Desavantatges: les matèries primeres de vidre d'aigua contenen moltes impureses metàl·liques, cosa que dificulta la purificació; Es requereix un control estricte de la concentració de la reacció, el pH, la temperatura, etc. per evitar la mida o la gelificació no-de partícules; el procés també genera grans volums de sal-que contenen aigües residuals, i la regeneració de la resina és costosa, amb una pressió ambiental elevada.
2. Mètode sol-gel
Aquest mètode utilitza l'ortosilicat de tetraetil d'alta puresa (TEOS) o l'ortosilicat de tetrametil (TMOS) com a font de silici. En un dissolvent alcohòlic, la hidròlisi i la policondensació són catalitzades per l'àcid o la base per produir nanopartícules de SiO₂, seguit d'un intercanvi de dissolvents i concentració per obtenir un sol de sílice d'alta puresa. Controlant amb precisió les condicions de reacció, es pot aconseguir un dopatge a nivell molecular-, produint nanopartícules de sílice amb mida uniforme, morfologia controlable i alta puresa. TEOS es prefereix generalment per a la producció industrial i la investigació de laboratori a causa del seu menor cost, menor toxicitat, major seguretat i velocitat d'hidròlisi més lenta i controlable. El TMOS s'hidrolitza molt ràpidament, donant lloc a reaccions vigoroses i a una formació més ràpida de sol de sílice, cosa que facilita una estructura de gel altament-encreuada en poc temps, però la reacció és difícil de controlar.
3. Mètode d'hidròlisi de pols de silici
Aquest mètode utilitza com a matèria primera pols de silici d'alta puresa -, que reacciona amb aigua pura sota la catàlisi d'una base inorgànica o orgànica (p. ex., hidròxid de sodi) per formar àcid silícic hidratat, que després es polimeritza per formar sol de sílice. La puresa del producte depèn de la puresa de la pols de silici, la qual cosa permet la preparació de sol de sílice d'extremada puresa- amb nivells d'impureses molt baixos. Al mateix temps, paràmetres com la mida de partícula de SiO₂, la viscositat, el pH, la densitat i la puresa són més fàcils de controlar en comparació amb altres mètodes. Tanmateix, el control de la morfologia és difícil i hi ha risc d'explosió d'hidrogen.