Erinevate abrasiivsete süsteemide hulgas kasutatakse ränidioksiidi (nano-ränidioksiidosakeste kolloidne dispersioon vees või lahustis) laialdaselt dielektriliste materjalide, nagu räniplaadid, ränidioksiid ja räninitriid, poleerimiseks tänu selle mõõdukale kõvadusele, heale hajutatavusele ja väikesele kriimustusohule. Kuid pooljuht-klassi rakendused seavad ränidioksiidile äärmiselt ranged nõuded: metallijäägid võivad seadmetesse difundeeruda, põhjustades lekkeid või lävipinge triivi; ebaühtlane osakeste suurus või suured osakesed võivad tekitada vahvlipindadel mikro-kriimustusi, vähendades otseselt saagist; halb kolloidne stabiilsus põhjustab ebastabiilseid poleerimiskiirusi, mis mõjutab partiide -to{6}} konsistentsi. Seetõttu on nii materjaliteaduse kui ka pooljuhtide tööstuse jaoks muutunud tavaliseks väljakutseks, kuidas valmistada ränidioksiidi sool, mis vastaks samaaegselt "üli-kõrge puhtusastme, monodispersse osakese suuruse, kontrollitava morfoloogia ja pikaajalise stabiilsuse" nõuetele.
Väljakutse 1: metallide lisandite jälgede eemaldamine
Metalli lisandid on peamine tegur, mis põhjustab vahvli pinnadefekte ja seadme rikkeid. Metalliioonid, nagu Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu ja Pb, võivad pärast poleerimist jääda vahvli pinnale, kahjustades seadme isolatsiooni ja põhjustades leket, või difundeeruda ränisubstraadisse kõrgel temperatuuril toimuvate protsesside käigus, põhjustades parameetrite triivi. Järelikult peab kiibi CMP suspensioonides kasutatava ränidioksiidi sool metalli lisandite sisaldus olema tavaliselt alla 1 ppm ja täiustatud protsesside puhul isegi alla 1 ppb üksiku metalli kohta. Ränidioksiidsooli valmistamisel lisatakse metallijälgi aga peale tooraine (ränipulber, vesiklaas, silikaatestrid) ka reaktsioonianumatest, torustikest ja lisanditest. Tavaline filtreerimine ja ioonivahetus ei suuda ppb tasemel lisandeid põhjalikult eemaldada.
2. väljakutse: osakeste suuruse monodisperssuse täpne kontroll
Kui kasutatakse laia osakeste suurusjaotusega poleerimismassi, kipuvad suured ränidioksiidi osakesed tekitama räniplaadi pinnale kriimustusi ja põhjustama poleerimiskiiruse kõikumisi või lokaalset üle{0}}poleerimist. Seetõttu on osakeste suurus ja selle ühtlus kriitilised. Tavaliselt vajab pooljuht-puhas ränidioksiidi sool osakeste suurust vahemikus 10–50 nm; tipptasemel protsesside (nt 5 nm ja alla selle) jaoks on vaja veelgi peenemat juhtimist, umbes 10–30 nm. Kuid ränidioksiidi osakeste kasvu ajal tekib kergesti sekundaarne tuumastumine ja aglomeratsioon, mistõttu on raske saavutada tõeliselt monodispersseid osakesi. Veelgi enam, suuremahulises-tootmises võivad väikesed kõikumised parameetrites, nagu temperatuur, pH ja etteandekiirus, häirida osakeste suuruse ühtlust, seades protsessi täpsusele väga kõrged nõuded.
3. väljakutse: Kontrollitav osakeste morfoloogia
Kuigi abrasiivina kasutatav sfääriline monodispersne ränidioksiidi sool võib saavutada hea pinnakvaliteedi, kipuvad sfäärilised ränidioksiidi osakesed veerema ja neil on väikesed kontaktpinnad, mis toob kaasa madala poleerimise efektiivsuse. Viimastel aastatel on juhtivad välismaised ettevõtted keskendunud mitte-sfääriliste, serva{2}}vabade, sileda{3}pinnaga ränidioksiidi abrasiivide (nt hantli-kujulised, kookonikujulised- ja ellipsoidsed osakesed) väljatöötamisele. Need osakesed pakuvad selliseid eeliseid nagu suur eripind, pehmus ja vähene kriimustusvõime, mis näitavad suurt lubadust pooljuhtide CMP-poleerimiseks. Selliste morfoloogiate ettevalmistamine on aga endiselt keeruline.
Väljakutse 4: Pikaajalise-stabiilsuse tagamine
Pikaajaline{0}}stabiilsus on ränidioksiidisooli tööstuslikuks kasutamiseks ülioluline. Pooljuhtide poleerimispulbereid tuleb säilitada 6–12 kuud või kauem, nõudes, et ränidioksiidi sool ei geelistu, kihistu ega läbi osakeste kasvu laia pH (8–11) ja suure tahke ainesisalduse (30–40%) tingimustes. Tehniline raskus seisneb nanoosakeste suures pinnaenergias, mis muudab need elektrostaatilise tõrjumise või vesiniksideme vähenemise tõttu altid aglomeratsioonile. Lisaks kiirendavad temperatuurimuutused ja ioonide saastumine lisanditega kolloidset destabiliseerumist. Stabiilsuse juhtimine muutub suure tahke sisaldusega plahvatuslikult keerulisemaks, mistõttu on pikaajalise stabiilsuse suurendamiseks vaja pinda muuta ja süsteemi optimeerida.
Elektroonilise -kvaliteediga ränidioksiidi soolide peamised valmistamismeetodid suspensioonide poleerimiseks
Praegu on kõrge -puhtusastmega ränidioksiidisooli valmistamise peamised meetodid ioonivahetus, ränipulbri hüdrolüüs ja sool-geel (silikaatesterhüdrolüüs). Need kolm meetodit erinevad oluliselt toormaterjali valiku, toote puhtuse, osakeste suuruse kontrolli ja tootmiskulude poolest, mistõttu sobivad need pooljuhtide erineva tasemega poleerimisnõuete jaoks.
1. Ioonivahetusmeetod
Tuntud ka kui vesiklaasi meetod, on see kõige küpsem ja laialdasemalt kasutatav protsess. See kasutab toorainena tööstuslikku vesiklaasi (naatriumsilikaat), mis juhitakse Na⁺ eemaldamiseks läbi katioonivahetusvaigu ja seejärel kloriidi ja muude lisandite eemaldamiseks läbi nõrga -aluselise anioonvahetusvaigu, mille tulemusena saadakse lahjendatud ränidioksiidi sool ja kõrge -puhtusastmega aktiivse ränihappe lahus. Seejärel lisatakse stabilisaator, et reguleerida pH väärtuseni 8,5–10,5, ning tuuma moodustumise ja osakeste kasvu reaktsioonide kaudu saadakse monodispersne, kontrollitava suurusega -ränidioksiidsool, mis lõpuks kontsentreeritakse ja puhastatakse ultrafiltrimise või tsentrifuugimisega.
Eelised: sobib suuremahuliseks-tööstuslikuks tootmiseks, madalad toorainekulud, kontrollitav osakeste suurus kuni 10–20 nm ja pärast sügavpuhastust saab metalliioonide sisaldust reguleerida ppm tasemele, mis vastab madala - kuni -keskmise-otsa pooljuhtide poleerimise vajadustele.
Puudused: vesiklaasi toorained sisaldavad palju metalli lisandeid, mis muudab puhastamise keeruliseks; reaktsiooni kontsentratsiooni, pH, temperatuuri jne range kontroll on vajalik, et vältida osakeste ebaühtlast suurust või geelistumist; protsess tekitab ka suures koguses soola-sisaldavat reovett ja vaigu regenereerimine on kulukas ja keskkonnale avaldatav suur surve.
2. Sol-geelmeetod
See meetod kasutab räniallikana kõrge -puhtusastmega tetraetüülortosilikaati (TEOS) või tetrametüülortosilikaati (TMOS). Alkohollahustis katalüüsitakse hüdrolüüsi ja polükondensatsiooni happe või aluse abil, et tekitada SiO₂ nanoosakesed, millele järgneb lahustivahetus ja kontsentreerimine, et saada kõrge -puhtusastmega ränidioksiidi sool. Reaktsioonitingimuste täpse kontrollimisega on võimalik saavutada molekulaarsel-tasemel doping, mis annab ühtlase suuruse, kontrollitava morfoloogiaga ja kõrge puhtusega ränidioksiidi nanoosakesi. TEOS-i eelistatakse üldiselt tööstuslikuks tootmiseks ja laboratoorsetes uuringutes selle madalama hinna, madalama toksilisuse, suurema ohutuse ning aeglasema ja paremini kontrollitava hüdrolüüsikiiruse tõttu. TMOS hüdrolüüsib väga kiiresti, põhjustades intensiivseid reaktsioone ja kiiremat ränidioksiidisooli moodustumist, mis hõlbustab väga ristseotud geelistruktuuri lühikese aja jooksul, kuid reaktsiooni on raske kontrollida.
3. Ränipulbri hüdrolüüsi meetod
Selle meetodi puhul kasutatakse toorainena kõrge -puhtusastmega ränipulbrit, mis reageerib puhta veega anorgaanilise või orgaanilise aluse (nt naatriumhüdroksiidi) katalüüsil, moodustades hüdraatunud ränihappe, mis seejärel polümeriseerub, moodustades ränidioksiidi. Toote puhtus sõltub ränipulbri puhtusest, mis võimaldab valmistada ülikõrge-puhtusastmega ränidioksiidi, millel on väga madal lisandisisaldus. Samal ajal on selliseid parameetreid nagu SiO₂ osakeste suurus, viskoossus, pH, tihedus ja puhtus teiste meetoditega võrreldes lihtsam kontrollida. Morfoloogia kontrollimine on aga keeruline ja vesiniku plahvatuse oht.