Ultraschalldispergierung von Poliermitteln (CMP)
- Uneinheitliche Partikelgrößen und eine inhomogene Partikelgrößenverteilung verursachen während eines CMP-Prozesses schwere Schäden an der polierten Oberfläche.
- Die Ultraschalldispergierung ist ein überlegenes Verfahren zur Dispergierung und Deagglomeration nanoskaliger Polierpartikel.
- Die durch Beschallung erzielte gleichmäßige Dispergierung ermöglicht eine hervorragende CMP-Bearbeitung von Oberflächen und vermeidet Kratzer und Fehlstellen durch übergroße Körner.
Ultraschalldispergierung von Polierpartikeln
Suspensionen für das chemisch-mechanische Polieren bzw. Planarisieren (CMP) enthalten abrasive (Nano-)Partikel, um die gewünschten Poliereigenschaften zu erzielen. Zu den häufig verwendeten abrasiven Nanopartikeln zählen Siliciumdioxid (Silica, SiO2), Ceroxid (Cerdioxid, CeO2), Aluminiumoxid (Alumina, Al2O3), α- und y-Fe203, Nanodiamanten und weitere Materialien. Um Schäden an der polierten Oberfläche zu vermeiden, müssen die abrasiven Partikel eine einheitliche Form und eine enge Korngrößenverteilung aufweisen. Die durchschnittliche Partikelgröße liegt je nach CMP-Formulierung und Anwendung zwischen 10 und 100 Nanometern.
Die Ultraschalldispergierung ist als Verfahren zur Herstellung gleichmäßiger, langzeitstabiler Dispersionen bekannt. Ultraschallinduzierte Kavitation und Scherkräfte koppeln die erforderliche Energie in die Suspension ein, sodass Agglomerate aufgebrochen, Van-der-Waals-Kräfte überwunden und die abrasiven Nanopartikel gleichmäßig verteilt werden. Durch Beschallung lässt sich die Partikelgröße exakt auf die angestrebte Korngröße reduzieren. Durch eine gleichmäßige Ultraschallbehandlung der Suspension lassen sich Überkorn und eine ungleichmäßige Größenverteilung beseitigen – dadurch wird die gewünschte CMP-Abtragsrate gewährleistet und zugleich das Auftreten von Kratzern minimiert.
- gezielt eingestellte Partikelgröße
- hohe Gleichmäßigkeit
- niedrige bis hohe Feststoffkonzentration
- hohe Zuverlässigkeit
- präzise Steuerung
- exakte Reproduzierbarkeit
- lineares, reibungsloses Scale-up
Ultraschallhomogenisatoren werden zur Dispergierung und Zerkleinerung von Poliermitteln eingesetzt
Die Ultraschalldispergierung ist eine zuverlässige und hocheffiziente Technologie zur Herstellung von Ceroxid-Nanopartikeln.
Ultraschallgestützte Formulierung von CMP-Suspensionen
Das Mischen und Vermengen mit Ultraschall wird in vielen Branchen eingesetzt, um stabile Suspensionen mit niedrigen bis sehr hohen Viskositäten herzustellen. Zur Herstellung gleichmäßiger und stabiler CMP-Suspensionen werden die abrasiven Materialien (z. B. Silica, Ceroxid-Nanopartikel, α- und y-Fe203 usw.), Additive und Chemikalien (z. B. alkalische Stoffe, Rostinhibitoren, Stabilisatoren) in der Basisflüssigkeit (z. B. gereinigtem Wasser) dispergiert.
Für die Qualität leistungsfähiger Poliersuspensionen ist es entscheidend, dass die Suspension eine langfristige Stabilität und eine sehr gleichmäßige Partikelverteilung aufweist.
Das Dispergieren und Formulieren mit Ultraschall liefert die erforderliche Energie, um die abrasiven Poliermittel zu deagglomerieren und zu verteilen. Die präzise Steuerbarkeit der Parameter der Ultraschallbehandlung ermöglicht beste Ergebnisse bei hoher Effizienz und Zuverlässigkeit.
Ultraschalldispergierer UP400St zur Herstellung von CMP-Suspensionen im Labor.
Ultraschalldispergiersysteme
Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungs-Ultraschallsysteme zur Dispergierung nanoskaliger Materialien wie Silica, Ceroxid, Aluminiumoxid und Nanodiamanten. Zuverlässige Ultraschallprozessoren liefern die erforderliche Energie, ausgereifte Ultraschallreaktoren schaffen optimale Prozessbedingungen, und der Bediener kann alle Parameter präzise steuern. Dadurch lassen sich die Ergebnisse des Ultraschallprozesses exakt auf die gewünschten Prozessziele abstimmen, beispielsweise auf Korngröße und Partikelverteilung.
Einer der wichtigsten Prozessparameter ist die Ultraschallamplitude. Die von Hielscher angebotenen industriellen Ultraschallsysteme können zuverlässig sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb aufrechterhalten. Die Möglichkeit, mit derart hohen Amplituden zu arbeiten, stellt sicher, dass selbst sehr anspruchsvolle Prozessziele erreicht werden können. Alle unsere Ultraschallprozessoren lassen sich exakt an die erforderlichen Prozessbedingungen anpassen und über die integrierte Software einfach überwachen. Dies gewährleistet höchste Zuverlässigkeit, gleichbleibende Qualität und reproduzierbare Ergebnisse. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Der MultiSonoReactor MSR-4 ist ein industrieller Inline-Homogenisator, der sich für die industrielle Herstellung von Bohrspülungen eignet. Die Beschallung wird zur Dispergierung und Zerkleinerung von Poliermitteln eingesetzt.
Literatur / Quellen
- Mondragón Cazorla R., Juliá Bolívar J. E.,Barba Juan A., Jarque Fonfría J. C. (2012): Characterization of silica–water nanofluids dispersed with an ultrasound probe: A study of their physical properties and stability. Powder Technology Vol. 224, 2012.
- Pohl M., Schubert H. (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. Partec, 2004.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
Wissenswertes
Chemisch-mechanische Planarisierung (CMP)
Suspensionen für das chemisch-mechanische Polieren bzw. Planarisieren (CMP) werden zum Glätten von Oberflächen eingesetzt. Die CMP-Suspension besteht aus chemischen und mechanisch-abrasiven Komponenten. CMP lässt sich daher als kombiniertes Verfahren aus chemischem Ätzen und abrasivem Polieren beschreiben.
CMP-Suspensionen werden häufig zum Polieren und Glätten von Siliciumoxid-, Polysilicium- und Metalloberflächen eingesetzt. Während des CMP-Prozesses werden die topografischen Unebenheiten der Waferoberfläche abgetragen (z. B. bei Halbleitern, Solarwafern und Komponenten elektronischer Geräte).
Tenside
Um eine langzeitstabile CMP-Formulierung zu erhalten, werden Tenside zugesetzt, die die Nanopartikel in homogener Suspension halten. Häufig verwendete Dispergiermittel können kationisch, anionisch oder nichtionisch sein. Dazu gehören Natriumdodecylsulfat (SDS), Cetylpyridiniumchlorid (CPC), das Natriumsalz der Caprinsäure, das Natriumsalz der Laurinsäure, Natriumdecylsulfat, Natriumhexadecylsulfat, Hexadecyltrimethylammoniumbromid (C16TAB), Dodecyltrimethylammoniumbromid (C12TAB), Triton X-100, Tween 20, Tween 40, Tween 60, Tween 80, Symperonic A4, A7, A11 und A20.