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改变磨粒的表面电荷, 提高磨粒分散性

作者:郜培丽 等日期:2021-06-29浏览:190
导读:cmp抛光过程中大尺寸磨粒磨削晶圆会导致压入深度过大而造成表面划痕缺陷, 而抛光液中使用的磨粒粒径通常会控制在0.5 μm 以下, 通常不会对待抛晶圆的表面平坦化产生不利的影响。

普遍认为, 抛光过程中大尺寸磨粒磨削晶圆会导致压入深度过大而造成表面划痕缺陷, 而抛光液中使用的磨粒粒径通常会控制在0.5 μm 以下, 通常不会对待抛晶圆的表面平坦化产生不利的影响.影响晶圆表面质量的一般是磨粒团聚形成的大尺寸颗粒, 这是由于抛光液中其他化学添加剂解离的离子屏蔽磨粒表面电荷使磨粒间的静电斥力降低而引起的.

因此, 在保证其他化学添加剂正常起效的基础上, 减少磨粒表面电荷流失, 增强磨粒在抛光液中的分散性和稳定性, 对CMP 工艺的性能提高至关重要.

由于表面活性剂的独特亲疏水基团结构, 它可以形成双层、半球形或半圆柱形胶束, 并通过物理吸附和化学吸附包裹在磨粒表面,起到增强磨粒表面静电斥力或磨粒间空间位阻的作用, 分散磨粒, 使抛光液稳定. 因此, 表面活性剂常用作磨粒分散剂来使用.

Zhang 等将阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、阴离子表面活性剂聚丙烯酸钠(OROTAN 1124) 和非离子表面活性剂平平加(AEO~9) 三种表面活性剂分别与相同粒径和质量分数的SiO2 磨粒配制抛光液, 利用动态光散射的粒度分析方法对添加不同表面活性剂的抛光液中SiO2 磨粒的粒径和zeta 电位进行了定量测试,分析发现只有添加AEO~9 的情况下磨粒的粒径分布稍微变窄, zeta 电位略微减小, 而添加CTAB和OROTAN 1124, 尤其是CTAB 时, 磨粒粒径分布不但没有得到优化, 反而范围增大, 团聚增加,而且zeta 电位也有所增加. Zhang 等认为这可能是因为CTAB 电离出的阳离子与SiO2 表面所带的负电荷发生了中和反应.

此外, Palla 和Shah在不同离子强度Al2O3胶体中分别加入18 种阳离子、阴离子、非离子单一表面活性剂, 通过24 h 沉降试验对颗粒的分散性进行了全面而系统的对比分析. 结果显示, 在离子强度低的情况下, 阳离子和阴离子表面活性剂能够使颗粒稳定分散在胶体溶液中, 而非离子表面活性则达不到分散颗粒的效果; 在高离子强度情况下, 添加阳离子、阴离子和非离子表面活性剂都无法抑制颗粒团聚沉淀.

他们分析了静态表面张力测试结果, 认为这是因为阳离子和阴离子表面活性剂在低离子强度下可以吸附在颗粒表面, 从而增加颗粒间的静电斥力, 并且形成一定程度的排斥屏障,增加空间位阻. 而当离子强度增高时, 即使离子表面活性剂吸附在颗粒表面, 也会被溶液中的离子所抵消而发生凝絮, 因而无法达到分散颗粒的目的,其分散作用方式如图6(a) 所示.

对于非离子表面活性剂, 其结构大多数都是聚合的长链, 若吸附在颗粒表面, 可通过形成较强的空间位阻屏障, 从而分散磨粒. 然而无论在低离子还是高离子表面活性剂条件下, 非离子表面活性剂都不能很好地稳定吸附在颗粒表面, 其分散作用方式如图6(b) 所示, 因此无法分散磨粒. 结合离子表面活性剂和非离子表面活性剂的分散机理, Palla 和Shah提出了将两者复配混合从而获得强吸附、强空间位阻的分散体系, 达到稳定分散磨粒的目的, 其分散作用方式如图6(c) 所示.

而且, 试验结果也显示这种混合作用方式是起效且可行的. 基于此, Palla 和Shah提出了混合表面剂的作用机理: 首先, 所选的离子表面活性剂必须能形成明显的颗粒表面覆盖层; 其次, 被吸附的离子表面活性剂与非离子表面活性剂单体之间必须存在较强的烃链相互作用; 最后非离子型表面活性剂的亲水EO 聚合物段必须在吸附时明显延伸到水相, 而不倾向于形成絮凝.

离子和非离子表面活性剂对高离子强度泥浆稳定性的影响

图 6 离子(a) 和非离子(b) 表面活性剂对高离子强度泥浆稳定性的影响; (c) 阴离子和非离子表面活性剂协同混合的高离子强度浆料稳定机理

Fig. 6. Effects of ionic (a) and nonionic (b) surfactant addition on the stability of high ionic strength slurries; (c) mechanism of high ionic strength slurry stabilization by the synergistic mixture of anionic and nonionic surfactants.

本稿资料来源:郜培丽, 张振宇, 王冬, 张乐振, 徐光宏, 孟凡宁, 谢文祥, 毕胜. 绿色环保化学机械抛光液的研究进展 [J]. 物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 70, No. 6 (2021) 068101.

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