화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 또는 CMP 후 세정 과정에서 용해된 금속 이온에 의해 폴리비닐 아세탈(polyvinyl acetal, PVAc) 브러시가 오염되면, 반도체 기술 노드가 10 nm 이하로 계속 축소됨에 따라 소자 수율에 중대한 문제가 발생한다. 본 연구는 다양한 pH 조건에서 코발트(Co2+) 이온의 화학적 흡착과 그에 따른 콜로이드 실리카(silica)의 PVAc 브러시에 대한 부착에 미치는 영향을 종합적으로 규명한다. Co2+ 이온의 흡착은 농도, 용액 pH, 코발트 종(이온 및 수산화물), 입자 크기 분포(particle size distribution, PSD), 표면 전하 등 여러 요인의 영향을 크게 받는다. 유도결합 플라즈마 질량분석(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS) 분석 결과, 실리카 로딩은 중성 pH에서 최대(1006 ppb)를 보였으며, Co2+ 이온이 존재하는 조건에서 산성(522 ppb) 및 알칼리성(213 ppb)에서는 더 낮은 로딩이 관찰되었다. 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR) 및 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 분석은 Co2+ 이온과 실리카 흡착이 주로 화학흡착(chemisorption)을 통해 일어남을 추가로 보여준다. 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 접근법을 사용하여 분자 구조와 프론티어 오비탈을 최적화하였으며, 그 결과 [Co(H2O)6]2+는 PVAc 및 실리카 분자에 비해 더 높은 반응성을 나타내는 것으로 확인되었다. 상호작용 에너지(Eint)는, 미처리(비변형) 실리카에 대한 PVAc 결합이 약한 수소 결합(Eint = 0.113 eV)을 포함하는 반면, Co2+ 이온으로 변형된 실리카에 대한 결합은 더 강한 배위 결합(Eint = −8.097 eV)을 포함함을 시사했다. 종합하면, 본 결과는 금속 CMP 후 세정 공정에서 Co2+ 이온이 PVAc 브러시에 대한 실리카 로딩을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 한다는 점을 강조한다.

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