Efnafræðileg vélræn fæging (CMP) er eina aðferðin í hálfleiðaraframleiðslu sem notar samverkandi virkni vélrænna og efnafræðilegra krafta til að fjarlægja umfram efni af yfirborði tækisins, draga úr ójöfnu yfirborði og fá flatt yfirborð. Það er einnig lykiltækni til að búa til fjölþrepa samtengingar í hálfleiðaraflísum og samþættum hringrásum.
Í hálfleiðurum CMP ferlum hefur ceria (CeO₂) lengi haft miðlæga stöðu í raflagsfleti. Samanborið við kísilkvoða eða súrálsslípiefni af svipaðri kornastærð, sýna CeO₂ slurry efnafræðileg tannáhrif gagnvart kísil-efnum eins og kísildíoxíði (SiO₂) og kísilnítríði (Si₃N₄) í jafngildum styrkjum, sem leiðir til hærri fægjagæða. Þetta frammistöðubil er ekki hægt að útskýra eingöngu með breytum hörku og kornastærðar -rót þess liggur í einstakri breytugildisefnafræði ceriums.
Byggingargrundvöllur CeO₂: Súrefnislaus störf og uppruna Ce³⁺
CeO₂ hefur flúorítkubíska byggingu, þar sem hvert Ce atóm er samræmt af átta súrefnisatómum. Undir ákjósanlegu stoichiometric hlutfalli er cerium til sem Ce⁴⁺. Hins vegar leyfa 4f rafeindasvigrúm ceríums afturkræf umskipti á milli Ce⁴⁺ og Ce³⁺: þegar ein súrefnisjón er fjarlægð úr grindunum fá Ce⁴⁺ jónirnar í kring rafeindir og minnka niður í Ce³⁺, sem skilur samtímis eftir súrefnisleysi og myndar þar með súrefnisleysi. CeO₂₋ₓ.
Viðbragðsviðbrögðin við pólunarviðmótið: Myndun og brot á Ce–O–Si skuldabréfum
Fjarlæging SiO₂ með CeO₂ er ferli sem felur í sér bæði efnahvarf og vélrænan kraft, sem hægt er að draga saman í eftirfarandi skrefum:
01 Yfirborðshýdroxýlering
Í vatnskenndu slurry umhverfi er Si–O–Si brúandi súrefnið á SiO₂ yfirborðinu vatnsrofið til að mynda silanólhópa (Si–OH). Á sama tíma bera Ce³⁺ virku staðirnir á yfirborði CeO₂ agna hýdroxýlhópa (Ce–OH).
02 Myndun Ce–O–Si skuldabréfa
Ce–OH og Si–OH gangast undir þéttingarþornun og mynda samgild tengsl milli agnarinnar og undirlagsins. Ce–O–Si tengið brúar ögn og hvarfefni tengi, sem tengir slípiefni ögnina beint við SiO₂ yfirborðið. Rannsóknir hafa greint tilvist þessa tengis á fáguðum ögnum og flötum á flötum með XPS, TEM og innrauðri litrófsgreiningu.
Ce–OH + HO–Si → Ce–O–Si + H₂O
03 Vélræn inngrip og efnisflutningur
Undir virkni pústpúðaþrýstings og hlutfallslegrar hreyfingar dregur Ce–O–Si tengið Si atóm frá yfirborði SiO₂ magnkerfisins, sem losna út í grugglausnina sem leysanleg silíköt (Si(OH)₄). Eftir losun er Ce–O–Si á yfirborði ögnanna vatnsrofið til að endurnýja Ce–OH og lýkur einni fjarlægingarlotu. Þetta fyrirkomulag er almennt nefnt „efnafræðilegt samverkandi fjarlæging“: efnahvarfið (þétting og tengimyndun) veikir bindiorku SiO₂ yfirborðslagsins, á meðan vélræni krafturinn framkvæmir endanlega fjarlægingu-bæði eru ómissandi.
Athugið:Ce⁴⁺ tekur ekki beinan þátt í snertiviðbragðinu, en það er forsenda fyrir stöðugri starfsemi alls kerfisins. Í oxandi vatnslausnum (CMP slurry starfa venjulega við pH 4–8), er varmafræðilega stöðugi fasi CeO₂ flúorítbyggingin sem er ríkjandi í Ce⁴⁺. Tilvist Ce⁴⁺ tryggir uppbyggingu heilleika agnanna undir vélrænni álagi og þjónar einnig sem jónageymi fyrir endurnýjun Ce³⁺.
Núverandi rannsóknarleiðbeiningar fyrir CeO₂ slípiefni
Núverandi rannsóknarviðleitni til að bæta CeO₂ slípiefni beinast fyrst og fremst að eftirfarandi þremur áttum:
01 Formgerð fínstilling
Formgerð CeO₂ (kúlulaga, teningslaga, stangalík, fjölhúð, o.s.frv.) hefur áhrif á yfirborðsorku þess, útsetningarhlutfall virkra kristalhliða og dreifingarstöðugleika þess í gróðurlausninni. Mismunandi formgerð sýnir mun á Ce³⁺ yfirborðsstyrk og vatnsaflsfræðilegri hegðun. Vísindamenn stjórna skilyrðum fyrir vatnshitamyndun til að stilla formgerðina, með það að markmiði að auka flutningshraða og stöðugleika slurrys.
02 Byggingarbreytingar
Að smíða kjarna-skeljarbyggingar eða ólíkar samsetningar úr CeO₂ með SiO₂ eða fjölliða efnum gerir það kleift að stilla hörku agna, yfirborðsefnafræði og dreifileika samtímis. Til dæmis, SiO₂@CeO₂ kjarna-skeljarbyggingar draga úr hættu á vélrænni rispu í gegnum mjúkan kjarna á sama tíma og CeO₂ yfirborðið heldur efnavirkninni. Misleit samsett mannvirki geta bætt sértæka fægingargetu í átt að sérstökum undirlagi með samlegðaráhrifum milli efnanna tveggja.
03 Frumefnalyf til að stjórna styrk súrefnislausnar
Lyfjagjöf með þrígildum frumefnum (La³⁺, Nd³⁺, Yb³⁺, o.s.frv.) inn í CeO₂ grindurnar kynnir meira súrefnisleysi vegna hleðslujöfnunar, minnkar samtímis umhverfis Ce⁴⁺ í Ce³⁺ og eykur beint yfirborðsviðbrögð. Tilraunir hafa sýnt að Nd lyfjanotkun getur aukið hraða til að fjarlægja efni (MRR) í meira en þrefalt hærra en ónotaða stjórn.