Di antara berbagai sistem abrasif, sol silika (dispersi koloid partikel nano-silika dalam air atau pelarut) banyak digunakan dalam pemolesan bahan dielektrik seperti wafer silikon, silikon dioksida, dan silikon nitrida karena kekerasannya yang sedang, dispersibilitas yang baik, dan risiko goresan peralatan yang rendah. Namun, aplikasi kelas-semikonduktor memberlakukan persyaratan yang sangat ketat pada sol silika: kotoran logam dapat berdifusi ke dalam perangkat, menyebabkan kebocoran atau penyimpangan tegangan ambang batas; ukuran partikel yang tidak-tidak seragam atau adanya partikel besar dapat menyebabkan goresan-mikro pada permukaan wafer, yang secara langsung mengurangi hasil; stabilitas koloid yang buruk mengakibatkan laju pemolesan tidak stabil, sehingga memengaruhi konsistensi-ke-batch. Oleh karena itu, cara menyiapkan sol silika yang sekaligus memenuhi tuntutan "kemurnian-sangat tinggi, ukuran partikel monodispersi, morfologi yang dapat dikontrol, dan-stabilitas jangka panjang" telah menjadi tantangan umum bagi ilmu material dan industri semikonduktor.
Tantangan 1: Menghilangkan sisa kotoran logam
Kotoran logam merupakan faktor utama yang menyebabkan cacat permukaan wafer dan kegagalan perangkat. Ion logam seperti Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu, dan Pb dapat tetap berada di permukaan wafer setelah pemolesan, sehingga mengganggu insulasi perangkat dan menyebabkan kebocoran, atau berdifusi ke dalam substrat silikon selama proses-suhu tinggi, sehingga menyebabkan penyimpangan parameter. Akibatnya, kandungan pengotor logam dalam sol silika yang digunakan untuk bubur chip CMP biasanya harus berada di bawah 1 ppm, dan untuk proses lanjutan, bahkan di bawah 1 ppb per logam individu. Namun, dalam pembuatan sol silika, logam jejak dimasukkan tidak hanya dari bahan mentah (bubuk silikon, gelas air, ester silikat) tetapi juga dari bejana reaksi, saluran pipa, dan bahan tambahan. Filtrasi konvensional dan pertukaran ion tidak dapat menghilangkan kotoran pada tingkat ppb secara menyeluruh.
Tantangan 2: Kontrol yang tepat terhadap monodispersitas ukuran partikel
Saat menggunakan bubur pemoles dengan distribusi ukuran partikel yang luas, partikel silika yang besar cenderung menimbulkan goresan pada permukaan wafer silikon dan menyebabkan fluktuasi dalam laju pemolesan atau pemolesan berlebihan yang terlokalisasi. Oleh karena itu, ukuran partikel dan keseragamannya sangat penting. Biasanya, sol silika tingkat semikonduktor memerlukan ukuran partikel dalam kisaran 10–50 nm; untuk proses kelas atas (misalnya, node 5 nm dan di bawahnya), diperlukan kontrol yang lebih halus lagi, sekitar 10–30 nm. Namun, selama pertumbuhan partikel silika, nukleasi sekunder dan aglomerasi mudah terjadi, membuat partikel monodispersi sulit dicapai. Selain itu, dalam produksi skala besar, fluktuasi kecil pada parameter seperti suhu, pH, dan laju pengumpanan dapat mengganggu keseragaman ukuran partikel, sehingga menuntut presisi proses yang sangat tinggi.
Tantangan 3: Morfologi partikel yang dapat dikontrol
Meskipun sol silika monodisperse bulat yang digunakan sebagai bahan abrasif dapat mencapai kualitas permukaan yang baik, partikel silika bulat cenderung menggelinding dan memiliki area kontak yang kecil, sehingga menyebabkan efisiensi pemolesan yang rendah. Dalam beberapa tahun terakhir, perusahaan asing terkemuka berfokus pada pengembangan bahan abrasif silika yang tidak-bulat,-bebas tepi, dan permukaannya halus-seperti partikel-berbentuk halter, berbentuk-kepompong, dan ellipsoidal. Partikel-partikel ini menawarkan keunggulan seperti luas permukaan spesifik yang tinggi, kelembutan, dan kecenderungan goresan yang rendah, sehingga sangat menjanjikan untuk pemolesan CMP semikonduktor. Namun, penyusunan morfologi tersebut masih merupakan tantangan.
Tantangan 4: Memastikan-stabilitas jangka panjang
Stabilitas-jangka panjang merupakan hal mendasar dalam penerapan sol silika di industri. Bubur pemoles semikonduktor perlu disimpan selama 6–12 bulan atau lebih, yang mengharuskan sol silika tidak membentuk gel, bertingkat, atau mengalami pertumbuhan partikel pada kondisi pH luas (8–11) dan kandungan padat tinggi (30%–40%). Kesulitan teknisnya terletak pada tingginya energi permukaan nanopartikel, yang membuatnya rentan terhadap aglomerasi karena berkurangnya tolakan elektrostatik atau ikatan hidrogen. Selain itu, perubahan suhu dan kontaminasi ion pengotor mempercepat destabilisasi koloid. Kontrol stabilitas menjadi lebih sulit secara eksponensial pada kandungan padat yang tinggi, sehingga memerlukan modifikasi permukaan dan pengoptimalan sistem untuk meningkatkan stabilitas jangka panjang.
Metode persiapan utama sol silika kelas elektronik-untuk bubur pemoles
Saat ini, metode utama untuk menyiapkan sol-silika dengan kemurnian tinggi adalah pertukaran ion, hidrolisis bubuk silikon, dan sol-gel (hidrolisis ester silikat). Ketiga metode ini berbeda secara signifikan dalam pemilihan bahan mentah, kemurnian produk, pengendalian ukuran partikel, dan biaya produksi, sehingga cocok untuk berbagai tingkat persyaratan pemolesan semikonduktor.
1. Metode pertukaran ion
Juga dikenal sebagai metode gelas air, ini adalah proses yang paling matang dan banyak digunakan. Ini menggunakan gelas air industri (natrium silikat) sebagai bahan baku, yang dilewatkan melalui resin penukar kation untuk menghilangkan Na⁺, dan kemudian melalui resin penukar anion basa lemah untuk menghilangkan klorida dan pengotor lainnya, menghasilkan sol silika encer dan larutan asam silikat aktif dengan kemurnian tinggi. Stabilisator kemudian ditambahkan untuk mengatur pH menjadi 8,5–10,5, dan melalui reaksi nukleasi dan pertumbuhan partikel, dihasilkan sol silika monodispersi dengan ukuran yang dapat dikontrol, yang akhirnya dipekatkan dan dimurnikan dengan ultrafiltrasi atau sentrifugasi.
Keuntungan: Cocok untuk produksi industri-skala besar, biaya bahan baku rendah, ukuran partikel dapat dikontrol hingga 10–20 nm, dan setelah pemurnian mendalam, kandungan ion logam dapat dikontrol hingga tingkat ppm, memenuhi kebutuhan pemolesan semikonduktor kelas bawah-hingga-menengah-.
Kekurangan: Bahan baku gelas air mengandung banyak pengotor logam, sehingga sulit dimurnikan; kontrol ketat terhadap konsentrasi reaksi, pH, suhu, dll., diperlukan untuk menghindari ukuran partikel atau gelasi yang tidak seragam; proses ini juga menghasilkan garam dalam jumlah besar-yang mengandung air limbah, dan regenerasi resin memerlukan biaya yang mahal, serta tekanan lingkungan yang tinggi.
2. Metode sol-gel
Metode ini menggunakan tetraetil ortosilikat (TEOS) atau tetrametil ortosilikat (TMOS) dengan kemurnian tinggi sebagai sumber silikon. Dalam pelarut alkohol, hidrolisis dan polikondensasi dikatalisis oleh asam atau basa untuk menghasilkan nanopartikel SiO₂, diikuti dengan pertukaran dan konsentrasi pelarut untuk memperoleh sol silika dengan kemurnian tinggi. Dengan mengontrol kondisi reaksi secara tepat, doping tingkat molekuler dapat dicapai, menghasilkan nanopartikel silika dengan ukuran seragam, morfologi terkendali, dan kemurnian tinggi. TEOS umumnya lebih disukai untuk produksi industri dan penelitian laboratorium karena biayanya yang lebih rendah, toksisitas yang lebih rendah, keamanan yang lebih tinggi, dan laju hidrolisis yang lebih lambat dan terkendali. TMOS terhidrolisis dengan sangat cepat, menghasilkan reaksi yang kuat dan pembentukan sol silika yang lebih cepat, yang memfasilitasi struktur gel yang sangat berikatan silang dalam waktu singkat, namun reaksinya sulit dikendalikan.
3. Metode hidrolisis bubuk silikon
Metode ini menggunakan bubuk silikon dengan kemurnian tinggi sebagai bahan bakunya, yang bereaksi dengan air murni melalui katalisis basa anorganik atau organik (misalnya natrium hidroksida) untuk membentuk asam silikat terhidrasi, yang kemudian berpolimerisasi untuk membentuk sol silika. Kemurnian produk bergantung pada kemurnian bubuk silikon, sehingga memungkinkan pembuatan sol silika dengan kemurnian sangat tinggi-dengan tingkat pengotor yang sangat rendah. Pada saat yang sama, parameter seperti ukuran partikel SiO₂, viskositas, pH, densitas, dan kemurnian lebih mudah dikontrol dibandingkan metode lainnya. Namun, pengendalian morfologi sulit dilakukan dan terdapat risiko ledakan hidrogen.