Kimyoviy mexanik polishing (CMP) yarimo'tkazgichlarni ishlab chiqarishda mexanik va kimyoviy kuchlarning sinergik ta'siridan qurilma yuzalaridan ortiqcha materiallarni olib tashlash, sirt pürüzlülüğünü kamaytirish va tekislangan sirtlarni olish uchun ishlatiladigan yagona usuldir. Shuningdek, u yarimo'tkazgich mikrosxemalar va integral mikrosxemalarda ko'p darajali o'zaro bog'lanishlarni ishlab chiqarish uchun asosiy texnologiya hisoblanadi.
Yarimo'tkazgichli CMP jarayonlarida seriya (CeO₂) uzoq vaqtdan beri dielektrik qatlam planarizatsiyasida markaziy o'rinni egallagan. Kolloid kremniy oksidi yoki shunga o'xshash zarracha o'lchamdagi alumina abrazivlari bilan solishtirganda, CeO₂ shlamlari kremniy dioksidi (SiO₂) va kremniy nitridi (Si₃N₄) kabi kremniy asosidagi-materiallarga nisbatan kimyoviy tish ta'sirini ko'rsatadi, bu esa ekvivalent konsentratsiyalarda yuqori sifatli silliqlash imkonini beradi. Bu unumdorlik bo'shlig'ini faqat qattiqlik va zarracha o'lchami parametrlari- bilan izohlab bo'lmaydi, uning ildizi seriyning noyob o'zgaruvchan valentlik kimyosida yotadi.
CeO₂ ning strukturaviy asoslari: kislorod vakansiyalari va Ce³⁺ ning kelib chiqishi
CeO₂ ftorit kubik tuzilishga ega bo'lib, unda har bir Ce atomi sakkiz kislorod atomi tomonidan muvofiqlashtiriladi. Ideal stoxiometrik nisbatda seriy Ce⁴⁺ shaklida mavjud. Shu bilan birga, seriyning 4f elektron orbitallari Ce⁴⁺ va Ce³⁺ o'rtasida teskari o'tishga imkon beradi: bitta kislorod ioni panjaradan chiqarilganda, atrofdagi Ce⁴⁺ ionlari elektron oladi va Ce³⁺ ga kamayadi va shu bilan birga kislorod bo'shlig'ini hosil qilmaydigan bo'shliqni qoldiradi, CeO₂₋ₓ.
Cilalanish interfeysidagi interfeys reaktsiyasi: Ce-O-Si aloqalarining shakllanishi va uzilishi
SiO₂ ning CeO₂ tomonidan olib tashlanishi kimyoviy reaktsiya va mexanik kuchni o'z ichiga olgan jarayon bo'lib, uni quyidagi bosqichlarda umumlashtirish mumkin:
01 Yuzaki gidroksillanish
Suvli atala muhitida SiO₂ yuzasida Si-O-Si ko'prigi kislorodi silanol guruhlarini (Si-OH) hosil qilish uchun gidrolizlanadi. Shu bilan birga, CeO₂ zarralari yuzasidagi Ce³⁺ faol joylari gidroksil guruhlarini (Ce-OH) olib yuradi.
02 Ce–O–Si bogʻlanishlarining hosil boʻlishi
Ce-OH va Si-OH zarracha va substrat o'rtasida kovalent bog'lanish hosil qilib, kondensatsiya degidratatsiyasiga uchraydi. Ce-O-Si aloqasi zarracha-substrat interfeysini bog'lab, abraziv zarrachani SiO₂ yuzasiga bevosita kimyoviy bog'laydi. Tadqiqotlar XPS, TEM va infraqizil spektroskopiya yordamida sayqallangan zarralar va gofret yuzalarida bu bog'lanish mavjudligini aniqladi.
Ce–OH + HO–Si → Ce–O–Si + H₂O
03 Mexanik aralashuv va materiallarni olib tashlash
Cilalash yostig'i bosimi va nisbiy harakat ta'sirida Ce-O-Si aloqasi SiO₂ ommaviy tarmog'i yuzasidan Si atomlarini tortib oladi, ular eruvchan silikatlar (Si(OH)₄) shaklida atala ichiga chiqariladi. Ajratilgandan so'ng, zarrachalar yuzasidagi Ce-O-Si bir olib tashlash siklini yakunlab, Ce-OH ni qayta tiklash uchun gidrolizlanadi. Ushbu mexanizm odatda "kimyomexanik sinergetik olib tashlash" deb ataladi: kimyoviy reaktsiya (kondensatsiya va bog'lanish hosil bo'lishi) SiO₂ sirt qatlamining bog'lanish energiyasini zaiflashtiradi, mexanik kuch esa oxirgi olib tashlashni amalga oshiradi-ikkalasi ham ajralmas.
Eslatma:Ce⁴⁺ interfasial reaktsiyada bevosita ishtirok etmaydi, lekin bu butun tizimning barqaror ishlashi uchun zaruriy shartdir. Oksidlovchi suvli eritmalarda (CMP shlamlari odatda pH 4-8 da ishlaydi) CeO₂ ning termodinamik jihatdan barqaror fazasi Ce⁴⁺‑ko'p bo'lgan ftorit strukturasidir. Ce⁴⁺ ning mavjudligi mexanik kuchlanish ostida zarrachalarning strukturaviy yaxlitligini ta'minlaydi va Ce³⁺ ning qayta tiklanishi uchun ion rezervuari bo'lib xizmat qiladi.
CeO₂ abrazivlar uchun joriy tadqiqot yo'nalishlari
CeO₂ abraziv moddalarni takomillashtirish bo'yicha olib borilayotgan hozirgi tadqiqot harakatlari asosan quyidagi uchta yo'nalishga qaratilgan:
01 Morfologiyani optimallashtirish
CeO₂ morfologiyasi (sferik, kubik, novdasimon, ko'p yuzli va boshqalar) uning sirt energiyasiga, faol kristall qirralarning ta'sir qilish nisbatiga va ataladagi dispersiya barqarorligiga ta'sir qiladi. Turli morfologiyalar sirt Ce³⁺ konsentratsiyasi va gidrodinamik xatti-harakatlarida farqlarni ko'rsatadi. Tadqiqotchilar morfologiyani sozlash uchun gidrotermal sintez sharoitlarini nazorat qiladilar, bu esa olib tashlash tezligi va atala barqarorligini oshirishga qaratilgan.
02 Strukturaviy o'zgartirish
Yadro-qobiq tuzilmalarini yoki SiO₂ yoki polimerik materiallar bilan CeO₂ heterojen kompozitsiyalarini qurish zarrachalar qattiqligini, sirt kimyosini va disperslikni bir vaqtning o'zida sozlash imkonini beradi. Masalan, SiO₂@CeO₂ yadro-qobiq tuzilmalari CeO₂ yuzasining kimyoviy faolligini saqlab, yumshoq yadro orqali mexanik tirnash xususiyati xavfini kamaytiradi. Heterojen kompozit tuzilmalar ikki material o'rtasidagi sinergik ta'sir orqali ma'lum substratlarga nisbatan selektiv abraziv qobiliyatini yaxshilashi mumkin.
03 Kislorod vakansiya kontsentratsiyasini tartibga solish uchun elementar doping
CeO₂ panjarasiga uch valentli elementlarni (La³⁺, Nd³⁺, Yb³⁺ va boshqalar) qo'shish zaryad kompensatsiyasi tufayli ko'proq kislorod bo'shligini keltirib chiqaradi, bir vaqtning o'zida atrofdagi Ce⁴⁺ni Ce³⁺ ga kamaytiradi va sirt reaktivligini bevosita oshiradi. Tajribalar shuni ko'rsatdiki, Nd doping materialni olib tashlash tezligini (MRR) qo'shilmagan nazoratdan uch baravar ko'proq oshirishi mumkin.