中國粉體網(wǎng)訊 目前化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是世界上公認(rèn)的可以實現(xiàn)集成電路制造中全局平坦化的技術(shù)，其精度可以達(dá)到納米級別。
化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng)主要由拋光液、拋光墊和拋光頭三部分組成，想要得到高精度的表面質(zhì)量，除了工藝和設(shè)備參數(shù)的設(shè)定外，拋光液是關(guān)鍵因素之一。隨著拋光液放置時間的延長以及拋光過程中化學(xué)組分的變化，拋光液中的軟磨料或硬磨料常�！氨г谝黄稹�，即團(tuán)聚，從而發(fā)生凝膠現(xiàn)象。
穩(wěn)定的納米二氧化硅水溶液，圖片來源：宣城晶瑞
粉體團(tuán)聚的產(chǎn)生嚴(yán)重制約了粉末顆粒的性能，尤其是懸浮性、穩(wěn)定性和拋光能力。因此，在制備拋光液的過程中，應(yīng)該減少和消除團(tuán)聚。
團(tuán)聚的成因
為保證超光滑的拋光效果，拋光液所用磨料往往會選用納米粉體，而納米顆粒之間存在著特殊的表面作用力，定義為納米作用能（Fn），表示納米顆粒表面的配位原子不足而具有很高的活性，這是導(dǎo)致納米粉體易團(tuán)聚的內(nèi)因。同時，納米顆粒之間存在的吸附作用，如納米顆粒間的氫鍵、顆粒間的靜電吸附、量子隧道效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移和表面原子吸附，大比表面積帶來的吸附作用，讓納米粉體極易產(chǎn)生團(tuán)聚。
圖片來源：廣東粵港澳大灣區(qū)黃埔材料研究院
懸浮分散劑，有效解決顆粒團(tuán)聚問題
為了讓顆粒在拋光液中均勻、穩(wěn)定的懸浮分散，懸浮分散劑是必不可少的添加劑。當(dāng)其分散在水中時，產(chǎn)生的帶電基團(tuán)或者高分子長鏈吸附在磨粒粒子的表面，減少和阻礙磨粒粒子之間的吸引力及碰撞力，從而達(dá)到使磨粒粒子能穩(wěn)定懸浮分散在拋光液中的目的。懸浮分散劑主要通過兩種作用方式（靜電排斥，空間位阻）吸附在粒子表面。
懸浮分散劑作用機(jī)理圖
常用的懸浮分散劑包括無機(jī)類分散劑、有機(jī)高分子類分散劑和表面活性劑。無機(jī)類分散劑是通過在漿料中電離出陰離子、陽離子，吸附在粒子表面，增大粒子間的排斥作用，起到靜電排斥作用；高分子類分散劑在漿料中主要以高分子長鏈形式存在，它可以包覆在粒子表面，使相鄰的粒子不能被高表面能帶來的引力所吸引，起到空間位阻作用。
表面活性劑一般分為陰離子型、陽離子型和非離子型表面活性劑，主要通過攜帶的親水或親油基團(tuán)與粒子間的相互作用來控制懸浮分散性能。表面活性劑可以提高拋光液的分散穩(wěn)定性、易清洗性能。一方面它能附著在粒子表面，發(fā)揮空間位阻作用，增加了粒子間的距離和排斥力；另一方面，表面活性劑在拋光過程中會吸附在粒子表面，阻礙粒子與元件表面的互相吸引，這樣拋光出來的元件表面易于清洗。
“自停止”現(xiàn)象
另外，加入表面活性劑可以提高拋光過程中的選擇性，實現(xiàn)“自停止”。拋光前，表面活性劑分子均勻分布（吸附）在拋光部件表面，而磨粒在表面活性劑上方。凸起部分首先受到拋光壓力，優(yōu)先反應(yīng)，此時磨粒通過機(jī)械研磨去除拋光元件的凸起部分。而凹入部分表面活性試劑的均勻吸附延遲了機(jī)械研磨和化學(xué)反應(yīng)。這樣導(dǎo)致凸部的材料去除速度快，凹部的材料去除速度慢，在不斷拋光的過程中，拋光元件的凹面和凸面之間的差異逐漸減小。當(dāng)拋光工作快完成時，表面活性劑分子分布在被拋光元件的表面，阻礙拋光液中的化學(xué)活性物質(zhì)與元件接觸，從而抑制化學(xué)反應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為“自停止”現(xiàn)象。
以CeO2拋光液為例，常用的懸浮分散劑主要有聚乙二醇、六偏磷酸鈉、聚丙烯酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨、多元醇類等。
拋光液再分散問題
拋光液在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常面臨停車檢查、靜置，時間久了就會分層，影響使用，所以研究拋光液的再分散十分重要。一般把需要再分散的拋光液分為清液層、懸浮層、沉淀層，解決再分散問題主要就是使沉淀層重新懸浮。
拋光液的再分散性是通過晃動容器時底部沉淀重新懸浮的難易程度來判斷。如果拋光液中磨粒粒子結(jié)膠，晃動容器底部將難以使拋光液再分散，并且隨著沉淀時間的增長，沉降的磨粒粒子在底部形成密集的板結(jié)層，在拋光過程中會損壞元件表面，不利于拋光。故一旦板結(jié)形成，就需要專門的人力物力來使其再分散，若能找到合適的方法解決板結(jié)問題可以大大節(jié)約成本，利于工業(yè)使用。
再分散性能的提高和調(diào)節(jié)通常可以使用纖維素、多糖類物質(zhì)、高分子聚合物等試劑。通過這類再分散劑的添加，可以使拋光液底部結(jié)膠粒子重新分散。
參考來源：
[1]程佳寶等.CMP拋光液中SiO2磨料分散穩(wěn)定性的研究進(jìn)展
[2]陳亮亮.CeO2拋光液懸浮分散性能的研究與改進(jìn)
[3]成曦.高分散性二氧化鈰拋光液的制備及拋光性能研究
（中國粉體網(wǎng)/山川）
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