בין מערכות שוחקות שונות, סיליקה סול (פיזור קולואידי של חלקיקי סיליקה ננו- במים או ממס) נמצא בשימוש נרחב בליטוש של חומרים דיאלקטריים כגון פרוסות סיליקון, סיליקון דו חמצני וסיליקון ניטריד בשל קשיותו המתונה, יכולת הפיזור הטובה והסיכון הנמוך לשריטות. עם זאת, יישומים בדרגת מוליכים למחצה- מטילים דרישות מחמירות ביותר על סיליקה סול: זיהומים מתכתיים יכולים להתפזר לתוך התקנים, ולגרום לדליפה או לסחיפת מתח סף; גודל חלקיקים לא-אחיד או נוכחות של חלקיקים גדולים עלולים להוביל לשריטות מיקרו-על משטחי רקיק, מה שמפחית ישירות את התפוקה; יציבות קולואידית ירודה גורמת לקצבי ליטוש לא יציבים, המשפיעה על עקביות אצווה-ל-אצווה. לכן, אופן הכנת סיליקה סול שעומד בו זמנית בדרישות של "טוהר- גבוה במיוחד, גודל חלקיקים חד מפוזרים, מורפולוגיה ניתנת לשליטה ויציבות-לטווח ארוך" הפך לאתגר נפוץ הן עבור מדעי החומרים והן עבור תעשיית המוליכים למחצה.
אתגר 1: הסרת זיהומים מתכתיים
זיהומים ממתכת הם גורם מרכזי הגורם לפגמים במשטח הפרוסים ולכשל בהתקן. יוני מתכת כגון Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu ו-Pb יכולים להישאר על משטח הפרוסים לאחר ליטוש, לסכן את בידוד המכשיר ולגרום לדליפה, או להתפזר לתוך מצע הסיליקון במהלך תהליכי-טמפרטורות גבוהות, מה שמוביל לסחיפת פרמטרים. כתוצאה מכך, תכולת זיהומי המתכת בסול סיליקה המשמשים ל-CMP של שבבים נדרשת בדרך כלל להיות מתחת ל-1 ppm, ולתהליכים מתקדמים, אפילו מתחת ל-1 ppb למתכת בודדת. עם זאת, בהכנת סיליקה סול, מתכות קורט מוכנסות לא רק מחומרי גלם (אבקת סיליקון, זכוכית מים, אסטרים סיליקטים) אלא גם מכלי תגובה, צינורות ותוספים. סינון וחילופי יונים קונבנציונליים אינם יכולים להסיר זיהומים באופן יסודי ברמת ppb.
אתגר 2: שליטה מדויקת על מונופיזור גודל החלקיקים
כאשר נעשה שימוש בסלסת ליטוש עם חלוקת גודל חלקיקים רחבה, חלקיקי סיליקה גדולים נוטים ליצור שריטות על משטח פרוסות הסיליקון ולגרום לתנודות בקצב הליטוש או ליטוש יתר מקומי. לכן, גודל החלקיקים והאחידות שלו הם קריטיים. בדרך כלל, סיליקה סול בדרגת מוליכים למחצה- דורשת גדלי חלקיקים בטווח של 10-50 ננומטר; עבור תהליכים גבוהים- (למשל, צומת 5 ננומטר ומטה), יש צורך בשליטה עדינה עוד יותר, בסביבות 10-30 ננומטר. עם זאת, במהלך הצמיחה של חלקיקי סיליקה, מתרחשים בקלות גרעין משני וצבירה, מה שהופך חלקיקים מונופזרים באמת לקשים להשגה. יתרה מכך, בייצור-בקנה מידה גדול, תנודות קלות בפרמטרים כגון טמפרטורה, pH וקצב הזנה עלולות לשבש את אחידות גודל החלקיקים, ולהטיל דרישות גבוהות במיוחד לדיוק התהליך.
אתגר 3: מורפולוגיה של חלקיקים ניתנים לשליטה
למרות סיליקה סול כדורי מונופזר המשמש כחומר שוחק יכול להשיג איכות פני שטח טובה, חלקיקי סיליקה כדוריים נוטים להתגלגל ויש להם שטחי מגע קטנים, מה שמוביל ליעילות ליטוש נמוכה. בשנים האחרונות, חברות זרות מובילות התמקדו בפיתוח חלקיקים לא-כדוריים, ללא-קצוות, חלקים-לפני סיליקה, כגון חלקיקים בצורת משקולת-, בצורת פקעת- וחלקיקים אליפסואידים. חלקיקים אלה מציעים יתרונות כגון שטח פנים ספציפי גבוה, רכות ונטיית שריטות נמוכה, מה שמציג הבטחה גדולה לליטוש CMP מוליכים למחצה. עם זאת, הכנת מורפולוגיות כאלה נותרה מאתגרת.
אתגר 4: הבטחת יציבות-לטווח ארוך
יציבות-לטווח ארוך היא הבסיסית ליישום תעשייתי של סיליקה סול. יש לאחסן תמיסות ליטוש מוליכים למחצה במשך 6-12 חודשים או יותר, מה שדורש שהסול סיליקה לא יתלווה, מרובד או יעבור צמיחת חלקיקים בתנאי pH רחב (8-11) ותכולת מוצקים גבוהה (30%-40%). הקושי הטכני טמון באנרגיית פני השטח הגבוהה של ננו-חלקיקים, מה שהופך אותם לנטייה להצטברות עקב דחייה אלקטרוסטטית מופחתת או קשרי מימן. בנוסף, שינויי טמפרטורה וזיהום יונים בזיהומים מאיצים ערעור קולואידי. בקרת היציבות הופכת לקשה יותר באופן אקספוננציאלי בתכולה מוצקה גבוהה, מה שמחייב שינוי פני השטח ואופטימיזציה של המערכת כדי לשפר את היציבות לטווח ארוך.
שיטות הכנה רגילות של סיליקה סול-אלקטרונית עבור ליטוש תמיסות
נכון לעכשיו, השיטות העיקריות להכנת סיליקה סול-בטוהר גבוה הן חילופי יונים, הידרוליזה של אבקת סיליקון וסול-ג'ל (הידרוליזה של סיליקט אסטר). שלוש השיטות הללו נבדלות באופן משמעותי בבחירת חומרי הגלם, טוהר המוצר, בקרת גודל החלקיקים ועלות הייצור, מה שהופך אותן למתאימות לרמות שונות של דרישות ליטוש מוליכים למחצה.
1. שיטת החלפת יונים
ידוע גם כשיטת זכוכית המים, זהו התהליך הבוגר והנפוץ ביותר. הוא משתמש בזכוכית מים תעשייתית (נתרן סיליקט) כחומר גלם, המועבר דרך שרף חילופי קטונים כדי להסיר Na⁺, ולאחר מכן דרך שרף חילופי אניונים -חלש כדי להסיר כלוריד וזיהומים אחרים, מה שמייצר סול סיליקה דליל ותמיסת חומצה סילית פעילה בטוהר- גבוה. לאחר מכן מוסיפים מייצב כדי להתאים את ה-pH ל-8.5-10.5, ובאמצעות תגובות של גרעין וגידול חלקיקים, נוצר סול סיליקה מונו-פזר, בגודל -לשליטה, אשר לבסוף מרוכז ומטוהר על ידי סינון אולטרה או צנטריפוגה.
יתרונות: מתאים לייצור תעשייתי-בקנה מידה גדול, עלות חומר גלם נמוכה, גודל חלקיקים ניתן לשליטה עד 10-20 ננומטר, ולאחר טיהור עמוק, ניתן לשלוט בתכולת יוני המתכת לרמת ה-ppm, העונה על הצרכים של ליטוש מוליכים למחצה-עד-בינוניים-.
חסרונות: חומרי גלם מזכוכית מים מכילים זיהומים רבים ממתכת, מה שמקשה על הטיהור; נדרשת בקרה קפדנית של ריכוז התגובה, ה-pH, הטמפרטורה וכו' כדי למנוע גודל חלקיקים או ג'ל לא אחיד-; התהליך גם מייצר כמויות גדולות של מלח- המכילים מי שפכים, והתחדשות שרף היא יקרה, עם לחץ סביבתי גבוה.
2. שיטת סול-ג'ל
שיטה זו משתמשת בטטראתיל אורתוזיליקט-בטוהר גבוה (TEOS) או טטרמתיל אורתוזיליקט (TMOS) כמקור הסיליקון. בממס אלכוהולי, הידרוליזה ופולי עיבוי מזורזים על ידי חומצה או בסיס לייצור ננו-חלקיקי SiO₂, ולאחר מכן החלפת ממס וריכוז כדי להשיג סיליקה סול בטוהר- גבוה. על ידי שליטה מדויקת בתנאי התגובה, ניתן להשיג סימום ברמה-מולקולרית, לייצר ננו-חלקיקי סיליקה בגודל אחיד, מורפולוגיה ניתנת לשליטה וטוהר גבוה. TEOS מועדפת בדרך כלל לייצור תעשייתי ומחקר מעבדה בשל עלותו הנמוכה יותר, הרעילות הנמוכה יותר, הבטיחות הגבוהה יותר וקצב ההידרוליזה האיטי והניתן יותר לשליטה. TMOS עובר הידרוליזה מהר מאוד, מה שמוביל לתגובות נמרצות והיווצרות מהירה יותר של סיליקה סול, מה שמאפשר מבנה ג'ל צלב מאוד-בזמן קצר, אך קשה לשלוט על התגובה.
3. שיטת הידרוליזה של אבקת סיליקון
שיטה זו משתמשת באבקת סיליקון ברמת -טוהר גבוהה כחומר הגלם, המגיבה עם מים טהורים תחת קטליזה של בסיס אנאורגני או אורגני (למשל, נתרן הידרוקסיד) ליצירת חומצה סיליקית hydrated, אשר לאחר מכן מתפלמר ליצירת סיליקה סול. טוהר המוצר תלוי בטוהר אבקת הסיליקון, מה שמאפשר הכנת סיליקה סול בטוהר- גבוה במיוחד עם רמות זיהומים נמוכות מאוד. יחד עם זאת, פרמטרים כגון גודל חלקיקי SiO₂, צמיגות, pH, צפיפות וטוהר קלים יותר לשליטה בהשוואה לשיטות אחרות. עם זאת, בקרת מורפולוגיה קשה, וקיים סיכון להתפוצצות מימן.