Keemiline mehaaniline poleerimine (CMP) on ainus meetod pooljuhtide tootmises, mis kasutab mehaaniliste ja keemiliste jõudude sünergistlikku toimet, et eemaldada seadme pindadelt liigne materjal, vähendada pinna karedust ja saada tasapinnalisi pindu. See on ka võtmetehnoloogia pooljuhtkiipide ja integraallülituste mitmetasandiliste ühenduste valmistamiseks.
Pooljuhtide CMP protsessides on tseeria (CeO₂) dielektrilise kihi tasandamisel pikka aega kesksel kohal. Võrreldes sarnase osakeste suurusega kolloidse ränidioksiidi või alumiiniumoksiidi abrasiividega, avaldavad CeO₂ suspensioonid keemilist hambaefekti räni-põhiste materjalide, nagu ränidioksiid (SiO₂) ja räninitriid (Si₃N4) suhtes samaväärsetes kontsentratsioonides, mille tulemuseks on suurem kvaliteet. Seda jõudluse puudujääki ei saa seletada ainult kõvaduse ja osakeste suuruse parameetritega,{3}}selle juur peitub tseeriumi ainulaadses muutuva valentsi keemias.
CeO₂ struktuurne alus: hapnikuvabad töökohad ja Ce³⁺ päritolu
CeO₂-l on fluoriidi kuubikujuline struktuur, milles iga Ce aatomit koordineerib kaheksa hapnikuaatomit. Ideaalse stöhhiomeetrilise suhte korral esineb tseerium kui Ce⁴⁺. Tseeriumi 4f elektroni orbitaalid võimaldavad aga pööratavat üleminekut Ce4+ ja Ce3+ vahel: kui üks hapnikuioon võrest eemaldatakse, saavad ümbritsevad Ce4+ ioonid elektrone ja redutseeritakse Ce3⁺-ks, jättes samaaegselt hapnikuvaku, moodustades seeläbi Ce⁴⁺ mittestöhhiomeetrilise stoomimeetrilise positsiooni.
Liidese reaktsioon poleerimisliideses: Ce-O-Si sidemete moodustumine ja katkemine
SiO₂ eemaldamine CeO₂ abil on protsess, mis hõlmab nii keemilist reaktsiooni kui ka mehaanilist jõudu, mille võib kokku võtta järgmistes etappides:
01 Pinna hüdroksüülimine
Vesipõhises lägakeskkonnas hüdrolüüsitakse SiO₂ pinnal olev Si-O-Si sildav hapnik, moodustades silanoolrühmad (Si-OH). Samal ajal kannavad Ce3⁺ aktiivsed saidid CeO₂ osakese pinnal hüdroksüülrühmi (Ce-OH).
02 Ce-O-Si sidemete teke
Ce-OH ja Si-OH läbivad kondensatsiooni dehüdratsiooni, moodustades osakese ja substraadi vahel kovalentsed sidemed. Ce-O-Si side ühendab osakeste ja substraadi liidese, ühendades abrasiivse osakese keemiliselt otseselt SiO₂ pinnaga. Uuringud on XPS-i, TEM-i ja infrapunaspektroskoopia abil tuvastanud selle sideme olemasolu poleeritud osakestel ja vahvlipindadel.
Ce–OH + HO–Si → Ce–O–Si + H₂O
03 Mehaaniline sekkumine ja materjali eemaldamine
Poleerimispadja surve ja suhtelise liikumise mõjul tõmbab Ce-O-Si side SiO₂ massivõrgu pinnalt Si aatomeid, mis eralduvad lahustuvate silikaatidena (Si(OH)4) suspensiooni. Pärast eraldumist hüdrolüüsitakse osakeste pinnal olev Ce-O-Si, et regenereerida Ce-OH, viies lõpule ühe eemaldamistsükli. Seda mehhanismi nimetatakse tavaliselt "kemomehaaniliseks sünergiliseks eemaldamiseks": keemiline reaktsioon (kondenseerumine ja sidemete moodustumine) nõrgendab SiO₂ pinnakihi sidumisenergiat, samas kui mehaaniline jõud viib lõpliku eemaldamiseni -mõlemad on asendamatud.
Märkus.Ce⁴⁺ ei osale otseselt liidese reaktsioonis, kuid see on kogu süsteemi stabiilse töö eelduseks. Oksüdeerivates vesilahustes (CMP suspensioonid töötavad tavaliselt pH 4–8 juures) on CeO₂ termodünaamiliselt stabiilne faas Ce4⁺-domineeritud fluoriidi struktuur. Ce⁴⁺ olemasolu tagab mehaanilise pinge all olevate osakeste struktuurse terviklikkuse ja toimib ka ioonide reservuaarina Ce³⁺ regenereerimiseks.
Praegused uurimisjuhised CeO₂ abrasiivide kohta
Praegused CeO₂ abrasiivide täiustamise uuringud keskenduvad peamiselt kolmele järgmisele suunale:
01 Morfoloogia optimeerimine
CeO₂ morfoloogia (sfääriline, kuubikujuline, vardakujuline, mitmetahuline jne) mõjutab selle pinnaenergiat, aktiivsete kristallide tahkude kokkupuute suhet ja selle dispersiooni stabiilsust suspensioonis. Erinevatel morfoloogiatel on pinna Ce³⁺ kontsentratsiooni ja hüdrodünaamilise käitumise erinevused. Teadlased kontrollivad hüdrotermilise sünteesi tingimusi, et häälestada morfoloogiat, eesmärgiga suurendada eemaldamise kiirust ja läga stabiilsust.
02 Struktuuri muutmine
Südamiku ja kesta struktuuride või heterogeensete CeO₂ komposiitide konstrueerimine SiO₂ või polümeersete materjalidega võimaldab samaaegselt häälestada osakeste kõvadust, pinnakeemiat ja hajutatavust. Näiteks vähendavad SiO₂@CeO₂ südamiku ja kesta struktuurid läbi pehme südamiku mehaanilise kriimustamise ohtu, säilitades samal ajal CeO2 pinna keemilise aktiivsuse. Heterogeensed komposiitstruktuurid võivad kahe materjali sünergistlike mõjude kaudu parandada selektiivset poleerimisvõimet konkreetsete substraatide suhtes.
03 Elementaarne doping hapniku vabade töökohtade kontsentratsiooni reguleerimiseks
Kolmevalentsete elementidega (La³⁺, Nd³⁺, Yb³⁺ jne) doping CeO₂ võres tekitab laengu kompenseerimise tõttu rohkem hapniku vabu kohti, vähendades samal ajal ümbritsevat Ce⁴⁺-d Ce³⁺-ks ja suurendades otseselt pinna reaktsioonivõimet. Katsed on näidanud, et Nd-doping võib suurendada materjali eemaldamise kiirust (MRR) rohkem kui kolm korda võrreldes legeerimata kontrolliga.