다양한 연마 시스템 중에서 실리카 졸(물 또는 용매에 나노{0}}실리카 입자의 콜로이드 분산액)은 적당한 경도, 우수한 분산성 및 낮은 장비 긁힘 위험으로 인해 실리콘 웨이퍼, 이산화규소 및 질화규소와 같은 유전체 재료의 연마에 널리 사용됩니다. 그러나 반도체- 등급 애플리케이션은 실리카졸에 매우 엄격한 요구 사항을 적용합니다. 미량 금속 불순물이 장치로 확산되어 누출 또는 임계 전압 드리프트가 발생할 수 있습니다. 불균일한-입자 크기 또는 큰 입자의 존재는 웨이퍼 표면에 미세-스크래치를 발생시켜 직접적으로 수율을 감소시킬 수 있습니다. 콜로이드 안정성이 낮으면 연마 속도가 불안정해 배치-간-배치 일관성에 영향을 미칩니다. 따라서 "초{8}}고순도, 단분산 입자 크기, 제어 가능한 형태 및 장기 안정성"이라는 요구 사항을 동시에 충족하는 실리카졸을 준비하는 방법은 재료 과학과 반도체 산업 모두에서 공통적인 과제가 되었습니다.
과제 1: 미량 금속 불순물 제거
금속 불순물은 웨이퍼 표면 결함 및 소자 불량을 일으키는 주요 요인이다. Na, Fe, Al, Ca, Mg, Cu 및 Pb와 같은 금속 이온은 연마 후 웨이퍼 표면에 남아 장치 절연을 손상시키고 누출을 유발하거나 고온 공정 중에 실리콘 기판으로 확산되어-매개변수 드리프트를 유발할 수 있습니다. 결과적으로, 칩 CMP 슬러리에 사용되는 실리카졸의 금속 불순물 함량은 일반적으로 1ppm 미만이어야 하며, 고급 공정의 경우 개별 금속당 1ppb 미만이어야 합니다. 그러나 실리카졸 제조 과정에서 미량 금속은 원료(실리콘 분말, 물유리, 규산염 에스테르)뿐만 아니라 반응 용기, 파이프라인 및 첨가제에서도 유입됩니다. 기존의 여과와 이온교환으로는 ppb 수준의 불순물을 완벽하게 제거할 수 없습니다.
과제 2: 입자 크기 단분산도의 정밀한 제어
넓은 입자 크기 분포를 갖는 연마 슬러리를 사용하는 경우, 큰 실리카 입자는 실리콘 웨이퍼 표면에 스크래치를 생성하고 연마 속도의 변동을 일으키거나 연마에 국부적으로 집중되는 경향이 있습니다.- 따라서 입자 크기와 균일성이 중요합니다. 일반적으로 반도체-등급 실리카졸에는 10~50 nm 범위의 입자 크기가 필요합니다. 고급-공정(예: 5nm 노드 이하)의 경우 약 10~30nm의 더욱 미세한 제어가 필요합니다. 그러나 실리카 입자가 성장하는 동안 2차 핵형성과 응집이 쉽게 발생하여 진정한 단분산 입자를 얻기가 어렵습니다. 더욱이, 대규모 생산에서는-온도, pH 및 공급 속도와 같은 매개변수의 사소한 변동으로 인해 입자 크기 균일성이 손상되어 공정 정밀도에 대한 요구가 매우 높아질 수 있습니다.
과제 3: 제어 가능한 입자 형태
연마제로 사용되는 구형 단분산 실리카 졸은 우수한 표면 품질을 얻을 수 있지만 구형 실리카 입자는 구르는 경향이 있고 접촉 면적이 작아 연마 효율이 낮습니다. 최근 몇 년 동안 외국의 선두 기업들은 아령형-형, 누에고치형-형 및 타원형 입자와 같은 비구형, 모서리가 없는-매끄러운-표면의 실리카 연마재 개발에 주력해 왔습니다. 이러한 입자는 높은 비표면적, 부드러움, 낮은 긁힘 경향 등의 장점을 제공하여 반도체 CMP 연마에 큰 가능성을 보여줍니다. 그러나 그러한 형태를 준비하는 것은 여전히 어려운 일입니다.
과제 4: 장기적인-안정성 보장
실리카졸을 산업적으로 응용하려면 장기-안정성이 기본입니다. 반도체 연마 슬러리는 6~12개월 이상 보관해야 하며, 넓은 pH(8~11) 및 높은 고체 함량(30%~40%) 조건에서 실리카 졸이 겔화되거나 층화되거나 입자 성장을 겪지 않아야 합니다. 기술적 어려움은 나노입자의 높은 표면 에너지에 있으며, 이로 인해 정전기적 반발력이나 수소 결합이 감소하여 응집되기 쉽습니다. 또한 온도 변화와 불순물 이온 오염으로 인해 콜로이드 불안정화가 가속화됩니다. 고형분 함량이 높으면 안정성 제어가 기하급수적으로 어려워지기 때문에 장기 안정성을 향상하려면 표면 수정 및 시스템 최적화가 필요합니다.{11}}
연마 슬러리용 전자{0}}등급 실리카졸의 주류 제조 방법
현재 고순도-실리카졸을 제조하는 주요 방법은 이온교환법, 실리콘분말 가수분해법, 졸{1}겔(규산에스테르 가수분해법) 등이 있습니다. 이 세 가지 방법은 원자재 선택, 제품 순도, 입자 크기 제어 및 생산 비용이 크게 다르기 때문에 다양한 수준의 반도체 연마 요구 사항에 적합합니다.
1. 이온교환방법
물유리법이라고도 알려진 이 방법은 가장 성숙하고 널리 사용되는 공정입니다. 공업용 물유리(규산나트륨)를 원료로 양이온 교환수지를 통과시켜 Na⁺를 제거한 후, 약-염기 음이온 교환수지를 통과시켜 염화물 및 기타 불순물을 제거하여 묽은 실리카졸과 고순도의-활성 규산 용액을 생성합니다. 그런 다음 안정제를 첨가하여 pH를 8.5~10.5로 조정하고 핵 생성 및 입자 성장 반응을 통해 단분산의 크기- 조절이 가능한 실리카 졸이 생성되며, 이는 최종적으로 한외여과 또는 원심분리를 통해 농축 및 정제됩니다.
장점: 대규모 산업 생산에 적합-하고, 원자재 비용이 낮으며, 입자 크기를 10~20nm까지 제어할 수 있고, 심층 정제 후 금속 이온 함량을ppm 수준으로 제어할 수 있어 중저{3}}~-반도체 연마 요구 사항을 충족합니다.-
단점: 물유리 원료에는 금속 불순물이 많이 포함되어 있어 정제가 어렵습니다. 균일하지 않은 입자 크기나 겔화를 방지하려면 반응 농도, pH, 온도 등을 엄격하게 제어해야 합니다.- 이 공정은 또한 폐수를 포함하는 염분-을 대량 생성하며, 수지 재생에는 높은 환경적 압력으로 인해 비용이 많이 듭니다.
2. 솔-겔 방식
이 방법은 고순도-테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS) 또는 테트라메틸 오르토실리케이트(TMOS)를 실리콘 공급원으로 사용합니다. 알코올 용매에서 산이나 염기에 의해 가수분해와 중축합이 촉매되어 SiO2 나노입자가 생성되고, 이어서 용매교환과 농축이 이루어져 고순도의-실리카졸을 얻습니다. 반응 조건을 정밀하게 제어함으로써 분자- 수준의 도핑이 가능하며 균일한 크기, 제어 가능한 형태 및 고순도의 실리카 나노입자를 생성할 수 있습니다. TEOS는 일반적으로 저렴한 비용, 낮은 독성, 높은 안전성, 더 느리고 제어 가능한 가수분해 속도로 인해 산업 생산 및 실험실 연구에 선호됩니다. TMOS는 매우 빠르게 가수분해되어 반응이 활발해지고 실리카 졸의 형성이 빨라져 단시간에 고도로 가교된 겔 구조를 촉진하지만 반응 제어가 어렵습니다.
3. 실리콘 분말 가수분해 방법
이 방법은 고순도 실리콘 분말을 원료로 사용하는데, 이 분말은 무기 또는 유기 염기(예: 수산화나트륨)의 촉매 작용으로 순수한 물과 반응하여 수화 규산을 형성하고, 이것이 중합되어 실리카 졸을 형성합니다. 제품의 순도는 실리콘 분말의 순도에 따라 달라지므로 불순물 수준이 매우 낮고 순도가 매우 높은 실리카 졸을 제조할 수 있습니다. 동시에 SiO2 입자 크기, 점도, pH, 밀도, 순도와 같은 매개변수는 다른 방법에 비해 제어하기가 더 쉽습니다. 그러나 형태 제어가 어렵고, 수소폭발의 위험이 있다.