Illustrar mekkaniku kimiku (CMP) huwa l-uniku metodu fil-manifattura tas-semikondutturi li juża l-azzjoni sinerġistika ta 'forzi mekkaniċi u kimiċi biex ineħħi materjal żejjed mill-uċuħ tal-apparat, inaqqsu l-ħruxija tal-wiċċ, u jiksbu uċuħ planarizzati. Hija wkoll teknoloġija ewlenija għall-fabbrikazzjoni ta 'interkonnessjonijiet f'ħafna livelli f'ċipep semikondutturi u ċirkwiti integrati.
Fi proċessi CMP semikondutturi, ceria (CeO₂) ilha żammet pożizzjoni ċentrali fil-planarizzazzjoni tas-saff dielettriku. Meta mqabbel ma 'abrażivi kollojdali tas-silika jew tal-alumina ta' daqs ta 'partiċelli simili, slurries CeO₂ juru effett kimiku tas-snien lejn materjali bbażati fuq is-silikon-bħad-dijossidu tas-silikon (SiO₂) u nitrur tas-silikon (Si₃N₄) f'konċentrazzjonijiet ekwivalenti, li jirriżultaw fi kwalità ogħla tal-illustrar. Din id-differenza fil-prestazzjoni ma tistax tiġi spjegata biss mill-ebusija u l-parametri tad-daqs tal-partiċelli-l-għerq tiegħu jinsab fil-kimika unika ta' valenza varjabbli taċ-ċerju.
Bażi Strutturali ta' CeO₂: Vakanti ta' Ossiġenu u l-Oriġini ta' Ce³⁺
CeO₂ għandu struttura kubika tal-fluworite, li fiha kull atomu Ce huwa kkoordinat minn tmien atomi tal-ossiġnu. Taħt il-proporzjon stojkjometriku ideali, iċ-ċerju jeżisti bħala Ce⁴⁺. Madankollu, l-orbitali tal-elettroni 4f taċ-ċerju jippermettu tranżizzjoni riversibbli bejn Ce⁴⁺ u Ce³⁺: meta jone wieħed tal-ossiġnu jitneħħa mill-kannizzata, il-jonji Ce⁴⁺ tal-madwar jiksbu elettroni u jitnaqqsu għal Ce³⁺, u fl-istess ħin iħallu vakanza tal-ossiġnu, u b'hekk jiffurmaw Ceₓ₂ non-stojkometriku.
Ir-Reazzjoni tal-Interface fl-Interface tal-Illustrar: Formazzjoni u Tkissir ta' Bonds Ce–O–Si
It-tneħħija ta 'SiO₂ minn CeO₂ hija proċess li jinvolvi kemm reazzjoni kimika kif ukoll forza mekkanika, li jistgħu jinġabru fil-qosor fil-passi li ġejjin:
01 Idrossilazzjoni tal-wiċċ
F'ambjent ta 'demel likwidu milwiema, l-ossiġnu li jgħaqqad Si-O-Si fuq il-wiċċ SiO₂ huwa idrolizzat biex jifforma gruppi ta' silanol (Si-OH). Fl-istess ħin, is-siti attivi Ce³⁺ fuq il-wiċċ tal-partiċelli CeO₂ iġorru gruppi hydroxyl (Ce–OH).
02 Formazzjoni ta' bonds Ce–O–Si
Ce–OH u Si–OH jgħaddu minn deidrazzjoni ta 'kondensazzjoni, li jiffurmaw rabtiet kovalenti bejn il-partiċella u s-sottostrat. Ir-rabta Ce–O–Si tgħaqqad l-interface partiċelli-sottostrat, li tikkonnettja direttament kimikament il-partiċelli li joborxu mal-wiċċ SiO₂. Studji sabu l-preżenza ta 'din ir-rabta fuq partiċelli illustrati u uċuħ tal-wejfers bl-użu ta' XPS, TEM, u spettroskopija infra-aħmar.
Ce–OH + HO–Si → Ce–O–Si + H₂O
03 Intervent mekkaniku u tneħħija ta' materjal
Taħt l-azzjoni tal-pressjoni tal-kuxxinett tal-illustrar u l-moviment relattiv, ir-rabta Ce–O–Si tiġbed atomi Si mill-wiċċ tan-netwerk tal-massa SiO₂, li huma rilaxxati fid-demel likwidu bħala silikati solubbli (Si(OH)₄). Wara li jinqala ', iċ-Ce–O–Si fuq il-wiċċ tal-partiċelli jiġi idrolizzat biex jirriġenera Ce–OH, u jitlesta ċiklu wieħed ta' tneħħija. Dan il-mekkaniżmu huwa komunement imsejjaħ "tneħħija sinerġistika kimomekkanika": ir-reazzjoni kimika (kondensazzjoni u formazzjoni ta 'bonds) idgħajjef l-enerġija li torbot tas-saff tal-wiċċ SiO₂, filwaqt li l-forza mekkanika twettaq it-tneħħija finali-it-tnejn huma indispensabbli.
Nota:Ce⁴⁺ ma tipparteċipax direttament fir-reazzjoni interfacial, iżda hija l-prerekwiżit għat-tħaddim stabbli tas-sistema kollha. F'soluzzjonijiet milwiema ossidanti (slurries CMP tipikament joperaw f'pH 4–8), il-fażi termodinamikament stabbli ta 'CeO₂ hija l-istruttura tal-fluworite ddominata minn Ce⁴⁺. Il-preżenza ta 'Ce⁴⁺ tiżgura l-integrità strutturali tal-partiċelli taħt stress mekkaniku u sservi wkoll bħala ġibjun tal-joni għar-riġenerazzjoni ta' Ce³⁺.
Direzzjonijiet ta' Riċerka kurrenti għall-Abrasivi CeO₂
L-isforzi attwali tar-riċerka dwar it-titjib tal-abrażivi CeO₂ jiffokaw primarjament fuq it-tliet direzzjonijiet li ġejjin:
01 Ottimizzazzjoni tal-morfoloġija
Il-morfoloġija ta 'CeO₂ (sferika, kubika, bħal virga, polyhedral, eċċ.) taffettwa l-enerġija tal-wiċċ tagħha, il-proporzjon ta' espożizzjoni tal-aspetti tal-kristall attivi, u l-istabbiltà tad-dispersjoni tiegħu fid-demel likwidu. Morfoloġiji differenti juru differenzi fil-konċentrazzjoni Ce³⁺ tal-wiċċ u l-imġieba idrodinamika. Ir-riċerkaturi jikkontrollaw il-kundizzjonijiet tas-sinteżi idrotermali biex jirfinaw il-morfoloġija, bil-għan li jtejbu r-rata ta 'tneħħija u l-istabbiltà tad-demel likwidu.
02 Modifika strutturali
Il-kostruzzjoni ta 'strutturi tal-qalba-qoxra jew komposti eteroġenji ta' CeO₂ b'SiO₂ jew materjali polimeriċi tippermetti l-irfinar simultanju tal-ebusija tal-partikoli, il-kimika tal-wiċċ, u t-tixrid. Pereżempju, l-istrutturi tal-qalba-qoxra SiO₂@CeO₂ inaqqsu r-riskju ta 'grif mekkaniku permezz ta' qalba ratba filwaqt li jżommu l-attività kimika tal-wiċċ CeO₂. Strutturi komposti eteroġeni jistgħu jtejbu l-kapaċità tal-illustrar selettiv lejn sottostrati speċifiċi permezz ta 'effetti sinerġistiċi bejn iż-żewġ materjali.
03 Doping elementali biex jirregola l-konċentrazzjoni ta' postijiet vakanti ta' ossiġnu
Doping b'elementi trivalenti (La³⁺, Nd³⁺, Yb³⁺, eċċ.) Fil-kannizzata CeO₂ jintroduċi aktar postijiet vakanti ta 'ossiġnu minħabba kumpens ta' ħlas, fl-istess ħin inaqqas il-madwar Ce⁴⁺ għal Ce³⁺ u jtejjeb direttament ir-reattività tal-wiċċ. L-esperimenti wrew li Nd doping jista 'jżid ir-rata tat-tneħħija tal-materjal (MRR) għal aktar minn tliet darbiet dik tal-kontroll mhux doped.