কেমিক্যাল মেকানিক্যাল পলিশিং (CMP) হল সেমিকন্ডাক্টর ম্যানুফ্যাকচারিংয়ের একমাত্র পদ্ধতি যা ডিভাইসের পৃষ্ঠ থেকে অতিরিক্ত উপাদান অপসারণ করতে, পৃষ্ঠের রুক্ষতা কমাতে এবং প্ল্যানারাইজড পৃষ্ঠগুলি পেতে যান্ত্রিক এবং রাসায়নিক শক্তির সমন্বয়মূলক ক্রিয়াকে নিয়োগ করে। এটি সেমিকন্ডাক্টর চিপস এবং ইন্টিগ্রেটেড সার্কিটে মাল্টিলেভেল ইন্টারকানেক্ট তৈরির জন্য একটি মূল প্রযুক্তিও।
সেমিকন্ডাক্টর সিএমপি প্রক্রিয়ায়, সেরিয়া (সিইও₂) বহুদিন ধরে ডাইইলেকট্রিক লেয়ার প্ল্যানারাইজেশনে একটি কেন্দ্রীয় অবস্থান ধরে রেখেছে। কলয়েডাল সিলিকা বা অনুরূপ কণা আকারের অ্যালুমিনা ঘষিয়া তুলিয়া ফেলিতে সক্ষম, CeO₂ স্লারিগুলি সিলিকন-ভিত্তিক পদার্থের প্রতি রাসায়নিক দাঁতের প্রভাব প্রদর্শন করে যেমন সিলিকন ডাই অক্সাইড (SiO₂) এবং সিলিকন নাইট্রাইড (Si₃N₄) সমতুল্য গুণমানের সমতুল্য। এই কর্মক্ষমতা ব্যবধান শুধুমাত্র কঠোরতা এবং কণার আকারের প্যারামিটার দ্বারা ব্যাখ্যা করা যায় না-এর মূলটি সেরিয়ামের অনন্য পরিবর্তনশীল-ভ্যালেন্স রসায়নে রয়েছে।
CeO₂ এর কাঠামোগত ভিত্তি: অক্সিজেন শূন্যপদ এবং Ce³⁺ এর উত্স
CeO₂ এর একটি ফ্লোরাইট কিউবিক কাঠামো রয়েছে, যেখানে প্রতিটি Ce পরমাণু আটটি অক্সিজেন পরমাণু দ্বারা সমন্বিত হয়। আদর্শ স্টোইচিওমেট্রিক অনুপাতের অধীনে, সেরিয়াম Ce⁴⁺ হিসাবে বিদ্যমান। যাইহোক, সেরিয়ামের 4f ইলেক্ট্রন অরবিটাল Ce⁴⁺ এবং Ce³⁺ এর মধ্যে একটি বিপরীতমুখী স্থানান্তর করতে দেয়: যখন জালি থেকে একটি অক্সিজেন আয়ন সরানো হয়, তখন পার্শ্ববর্তী Ce⁴⁺ আয়নগুলি ইলেকট্রন লাভ করে এবং Ce³⁺ এ হ্রাস পায়, একই সাথে সেখানে অক্সিজেন শূন্যতা তৈরি করে, সিইও₂₋ₓ।
পলিশিং ইন্টারফেসে ইন্টারফেস প্রতিক্রিয়া: সি-ও-সি বন্ডের গঠন এবং ভাঙন
CeO₂ দ্বারা SiO₂ অপসারণ একটি প্রক্রিয়া যা রাসায়নিক বিক্রিয়া এবং যান্ত্রিক শক্তি উভয়ই জড়িত, যা নিম্নলিখিত ধাপে সংক্ষিপ্ত করা যেতে পারে:
01 সারফেস হাইড্রক্সিলেশন
জলীয় স্লারি পরিবেশে, SiO₂ পৃষ্ঠের Si–O–Si ব্রিজিং অক্সিজেন হাইড্রোলাইজড হয়ে সিল্যানল গ্রুপ (Si–OH) গঠন করে। একই সময়ে, CeO₂ কণা পৃষ্ঠের Ce³⁺ সক্রিয় সাইটগুলি হাইড্রক্সিল গ্রুপ (Ce–OH) বহন করে।
02 Ce-O-Si বন্ধন গঠন
Ce–OH এবং Si–OH ঘনীভূত ডিহাইড্রেশনের মধ্য দিয়ে যায়, কণা এবং স্তরের মধ্যে সমযোজী বন্ধন তৈরি করে। Ce-O-Si বন্ড কণা-সাবস্ট্রেট ইন্টারফেসকে সেতু করে, সরাসরি রাসায়নিকভাবে ঘষিয়া তুলিয়া ফেলা কণাকে SiO₂ পৃষ্ঠের সাথে সংযুক্ত করে। এক্সপিএস, টিইএম এবং ইনফ্রারেড স্পেকট্রোস্কোপি ব্যবহার করে পলিশড কণা এবং ওয়েফার পৃষ্ঠগুলিতে এই বন্ধনের উপস্থিতি সনাক্ত করা হয়েছে।
Ce–OH + HO–Si → Ce–O–Si + H₂O
03 যান্ত্রিক হস্তক্ষেপ এবং উপাদান অপসারণ
পলিশিং প্যাড চাপ এবং আপেক্ষিক গতির ক্রিয়াকলাপের অধীনে, Ce–O–Si বন্ড SiO₂ বাল্ক নেটওয়ার্কের পৃষ্ঠ থেকে Si পরমাণুগুলিকে টেনে নেয়, যা দ্রবণীয় সিলিকেট (Si(OH)₄) হিসাবে স্লারিতে ছেড়ে দেওয়া হয়। বিচ্ছিন্ন হওয়ার পরে, কণা পৃষ্ঠের Ce–O–Si হাইড্রোলাইজ করা হয় যাতে Ce–OH পুনরুত্পাদন করা হয়, একটি অপসারণ চক্র সম্পূর্ণ করে। এই প্রক্রিয়াটিকে সাধারণত "কেমোমেকানিকাল সিনারজিস্টিক রিমুভাল" বলা হয়: রাসায়নিক বিক্রিয়া (ঘনকরণ এবং বন্ধন গঠন) SiO₂ পৃষ্ঠ স্তরের বাঁধাই শক্তিকে দুর্বল করে, যখন যান্ত্রিক বল চূড়ান্ত অপসারণ সম্পন্ন করে-উভয়ই অপরিহার্য।
দ্রষ্টব্য:Ce⁴⁺ ইন্টারফেসিয়াল প্রতিক্রিয়ায় সরাসরি অংশগ্রহণ করে না, তবে এটি সমগ্র সিস্টেমের স্থিতিশীল অপারেশনের পূর্বশর্ত। জলীয় দ্রবণ অক্সিডাইজ করার ক্ষেত্রে (CMP স্লারি সাধারণত pH 4-8 এ কাজ করে), CeO₂-এর তাপগতিগতভাবে স্থিতিশীল পর্যায় হল Ce⁴⁺-প্রধান ফ্লোরাইট কাঠামো। Ce⁴⁺ এর উপস্থিতি যান্ত্রিক চাপের অধীনে কণাগুলির কাঠামোগত অখণ্ডতা নিশ্চিত করে এবং Ce³⁺ এর পুনর্জন্মের জন্য একটি আয়ন জলাধার হিসেবেও কাজ করে।
CeO₂ Abrasives-এর জন্য বর্তমান গবেষণার দিকনির্দেশ
CeO₂ ঘষিয়া তুলিয়া ফেলিতে সক্ষম উন্নত করার বর্তমান গবেষণা প্রচেষ্টা প্রাথমিকভাবে নিম্নলিখিত তিনটি দিকের উপর ফোকাস করে:
01 রূপবিদ্যা অপ্টিমাইজেশান
CeO₂ এর রূপবিদ্যা (গোলাকার, ঘন, রড-সদৃশ, পলিহেড্রাল, ইত্যাদি) এর পৃষ্ঠের শক্তি, সক্রিয় স্ফটিক দিকগুলির এক্সপোজার অনুপাত এবং স্লারিতে এর বিচ্ছুরণ স্থিতিশীলতাকে প্রভাবিত করে। বিভিন্ন রূপবিদ্যা পৃষ্ঠ Ce³⁺ ঘনত্ব এবং হাইড্রোডাইনামিক আচরণে পার্থক্য প্রদর্শন করে। গবেষকরা হাইড্রোথার্মাল সংশ্লেষণের অবস্থা নিয়ন্ত্রণ করে রূপবিদ্যাকে সুরক্ষিত করতে, অপসারণের হার এবং স্লারি স্থায়িত্ব বাড়ানোর লক্ষ্যে।
02 কাঠামোগত পরিবর্তন
SiO₂ বা পলিমারিক পদার্থের সাথে CeO₂-এর কোর-শেল স্ট্রাকচার বা ভিন্নধর্মী কম্পোজিট তৈরি করা কণার কঠোরতা, পৃষ্ঠের রসায়ন এবং বিচ্ছুরণের একযোগে সুর করার অনুমতি দেয়। উদাহরণ স্বরূপ, SiO₂@CeO₂ কোর-শেল স্ট্রাকচারগুলি CeO₂ পৃষ্ঠের রাসায়নিক ক্রিয়াকলাপ ধরে রাখার সময় একটি নরম কোরের মাধ্যমে যান্ত্রিক স্ক্র্যাচিংয়ের ঝুঁকি হ্রাস করে। ভিন্নধর্মী যৌগিক কাঠামো দুটি উপাদানের মধ্যে সমন্বয়মূলক প্রভাবের মাধ্যমে নির্দিষ্ট সাবস্ট্রেটের দিকে নির্বাচনী পলিশিং ক্ষমতা উন্নত করতে পারে।
03 অক্সিজেন শূন্যতার ঘনত্ব নিয়ন্ত্রণ করতে প্রাথমিক ডোপিং
CeO₂ জালিতে ত্রয়ী উপাদানের (La³⁺, Nd³⁺, Yb³⁺, ইত্যাদি) সাথে ডোপিং চার্জ ক্ষতিপূরণের কারণে আরও অক্সিজেন শূন্যতা প্রবর্তন করে, একই সাথে আশেপাশের Ce⁴⁺ কে Ce³⁺ এ হ্রাস করে এবং সরাসরি পৃষ্ঠের প্রতিক্রিয়া বাড়ায়। পরীক্ষায় দেখা গেছে যে এনডি ডোপিং ম্যাটেরিয়াল রিমুভাল রেট (এমআরআর) আনডপড কন্ট্রোলের চেয়ে তিনগুণ বাড়িয়ে দিতে পারে।