半導(dǎo)體硅片研磨液的組成及作用

半導(dǎo)體硅片研磨液的組成及作用

目前，集成電路（ic）技術(shù)已迅速發(fā)展，是世界上最新、最龐大的行業(yè)之一。在硅片加工成型過程中研磨是一道重要的工藝。這是由于切片之后的硅片沒有合乎半導(dǎo)體制程所要求的曲度、平坦度、平行度,又因為硅片拋光過程中表面磨除量僅約5μm,所以無法大幅度改善硅片的曲度與平行度。這使得研磨成為硅片拋光制程之前,有效地改善硅片表面質(zhì)量的前提和基礎(chǔ)1晶片研磨過程控制硅片研磨是磨料對工件表面的切削、活性物質(zhì)的化學(xué)作用及工件表面擠壓變形等綜合作用的結(jié)果。某一作用的主次程度取決于加工性質(zhì)及加工過程的進展階段。研磨的實質(zhì)是用游離的磨粒通過研具對工件表面進行包括物理和化學(xué)綜合作用的微量切削,其速度很低,壓力很小,經(jīng)過研磨的工件獲得0.001mm以內(nèi)的尺寸誤差,表面的粗糙度可以達到0.1μm,甚至更小,表面幾何形狀精度和一些位置精度也可進一步提高。晶片研磨過程的控制,是以研磨盤轉(zhuǎn)速與所施加的荷重為主。首先研磨壓力須由小慢慢增加,以使研磨漿料能夠均勻散布,及去除晶片上的高出點(高出點為研磨過程中最初應(yīng)力集中之處,在高荷重時容易破裂),穩(wěn)定態(tài)的研磨壓力一般在100g/cm由于硅片的抗拉強度比抗壓強度小,故在給磨粒加壓時,就在硅片加工表面的拉伸應(yīng)力最大部位產(chǎn)生呈圓錐狀或八字狀等形狀的微裂紋;當壓力解除時,最初產(chǎn)生的裂紋中的殘余應(yīng)變復(fù)原,結(jié)果又新產(chǎn)生拉伸應(yīng)力大的部分,如此反復(fù)。當縱橫交錯的裂紋擴展并互相交叉時,受裂紋包圍的部分就會產(chǎn)生脆性崩碎形成碎片,即形成磨屑,最后脫離工件,從而達到表面平坦化的目的。在硅片的研磨加工中,研磨液是影響研磨質(zhì)量的最重要因素。2研磨溶液的組成和作用研磨液一般的主要成分為:增稠劑、分散劑、pH調(diào)節(jié)劑、表面活性劑與螯合劑等2.1形成膠片的纖維增稠劑又稱膠凝劑,它主要是用來提高研磨液粘度,使磨料保持均勻的穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)或乳濁狀態(tài),或形成膠體。增稠劑種類較多,選擇時除要考慮產(chǎn)品的流動性、透明度、稠度、凝膠性、懸浮力與屈服值外,還應(yīng)注意選用用量少而增稠效果好,與主體成分相容性好而不產(chǎn)生相分離,儲存時不引起霉變和離析的水溶性高分子化合物。一般采用的增稠劑為:多糖類高分子化合物(淀粉、黃原膠)2.2表面活性劑的作用機理分散劑主要采用一種在分子內(nèi)同時具有親油性和親水性兩種相反性質(zhì)的界面活性劑?？删鶆蚍稚⒛切╇y溶解于液體的無機固體顆粒,同時也能防止固體顆粒凝聚沉降,達到懸浮磨料的效果。分散劑的作用機理:這些界面活性劑吸附于固體顆粒的表面,使凝聚的固體顆粒表面易于濕潤。高分子型的分散劑,在固體顆粒的表面形成吸附層,使固體顆粒表面的電荷增加,提高形成立體阻礙的顆粒間的反作用力。磨料通常硬度很高,加入分散劑可使研磨液具有良好的分散性,使磨料分布均勻,并且短時間內(nèi)不會產(chǎn)生沉淀,在很大程度上提高了研磨速率和研磨質(zhì)量。如果磨料分散不均勻,則會使表面平整度(TTV)大大下降且容易產(chǎn)生劃傷。在研磨液中一般采用三聚磷酸鹽類或聚丙烯酸類分散劑2.3磨料與堿的協(xié)在研磨過程中,由于磨料的對硅片磨損,而造成表面產(chǎn)生一片原子損傷層(硅原子間距0.117nm,損傷層為幾個微米)。這個損傷層表面存在大量的新斷開的化學(xué)鍵,活性很強研磨液中添加堿性物質(zhì),可以與硅片損傷層表面的硅原子發(fā)生反應(yīng),表面生成半程親水性的硅氧化合物,這樣在研磨的過程中,能增加硅片表面的潤濕性,從而減少硅片表面點劃傷缺點碼的增多。磨料與堿也起著強烈的化學(xué)吸附作用(磨料與堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)),磨料與硅片之間,在與堿液反應(yīng)后,新生斷鍵相互作用,如靜置時間較長后,很難將磨料與研磨液從硅片上沖洗下來,所以研磨液的pH不能過高(目前國外的研磨液產(chǎn)品均呈現(xiàn)弱堿性,如美國PRP公司生產(chǎn)的Aqualap?200,pH為8.5~9.5);研磨工藝完畢后,應(yīng)該立即用水沖洗硅片與研磨臺面現(xiàn)在通常加入的是有機堿,如果采用無機堿,會引入額外的金屬離子,這些金屬離子在研磨過程中,會附著在硅片表面,導(dǎo)致其清洗困難。有機堿除了有調(diào)節(jié)pH的作用以外,還對金屬離子有螯合作用。研磨液一般用去離子水稀釋十幾倍后進行使用,目前所用到的有機堿通常是有機胺類,它具有一定的緩沖作用,使溶液的pH在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)2.4fe研磨液的穩(wěn)定性據(jù)文獻報道,重金屬雜質(zhì)Fe會對硅片造成最嚴重的重金屬污染,當Fe濃度達到10在研磨液中,一般加入乙二胺四乙酸及其鉀鹽,它有五個螯合環(huán)能和幾十種金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物2.5合成硅片研磨液加入表面活性劑的目的主要是潤濕磨料粒子與硅片表面,乳化研磨液內(nèi)部組分,并在研磨過程中對硅片的研磨起到一定的潤滑作用。溶液中加入表面活性劑,活性劑分子會借助潤濕作用迅速在硅片和顆粒的表面鋪展開,形成一層致密的保護層?；钚詣┓肿佑H水基會與硅片表面形成多點吸附,磨料在硅片表面移動時,滲透壓使溶液中自由的活性劑分子及已吸附的活性劑分子的親水基上未吸附的自由部分,積極地向硅片與磨料的接觸縫隙間伸入,隨時與硅片和磨料上出現(xiàn)的剩余自由鍵相吸引、結(jié)合,促使硅片與磨料間的作用力減小,對硅片的研磨起到潤滑作用在研磨液中一般加入非離子型表面活性劑,這類表面活性劑潤濕性、乳化性比較好。如脂肪醇聚氧乙烯醚(俗稱平平加系列),它具良好濕潤性能近些年來由于半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展,國內(nèi)一些生產(chǎn)廠家及許多高校的科研院所都對研磨液的研究顯示出極大的興趣。但普遍存在技術(shù)水平較低,不能完全達到以上的五個要求,所以半導(dǎo)體用硅片研磨液并沒有實現(xiàn)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化。如河北工業(yè)大學(xué)劉玉嶺教授因此,目前國內(nèi)還主要是依靠進口的研磨液,雖然國外部分產(chǎn)品自身也存在一些缺點,但其性能還是遠遠好于國產(chǎn)研磨液。如美國PRP公司生產(chǎn)的Aqualap?19-C研磨液,它具有非常高的稀釋能力,大約稀釋12~14倍水;Aqualap?19-C在很高的稀釋情況下有著超強的懸浮特性且完全水溶,具有生物降解能力,是一種白色、有微刺激性氣味的奶狀液體,顯弱堿性。但其價格昂貴、粘度大,表面吸附比較嚴重,導(dǎo)致磨片清洗后表面易出花斑;pH在8左右,堿性較弱,滲進性較差,不能很好地消除應(yīng)力積累。隨著器件結(jié)深越來越淺,很小的應(yīng)力造成的缺陷與離子污染也可能造成軟擊穿。以上因素直接影響磨片的一次成品率且給下道工序帶來危害鑒于Aqualap?19-C產(chǎn)品性能上的缺陷,美國PRP公司又研制出了Aqualap?200研磨液,主要用于硅片研磨,其懸浮性良好,稀釋能力接近20倍;且研磨后,機臺與硅片表面易清洗,可用于直徑超過300mm的大硅片的研磨;而且可以減少研磨過程中使用磨料的量,降低成本?？朔四チ喜煌沃g的差異,使研磨漿的粘度更加穩(wěn)定,研磨過程易于控制。所配成的研磨液,懸浮性穩(wěn)定,長時間使用也不會發(fā)生改變。可以與氧化鋁、FO粉、碳化硅等磨料研磨。由于其特性良好,國內(nèi)有一些生產(chǎn)廠家把它代替原來的Aqualap?19-C,但是相比之下價格還是昂貴,大大提高了加工成本。目前國外也有對油溶型的研磨液進行研究,這類研磨液的潤滑效果良好,經(jīng)過研磨后硅片表面的平整度較好,但價格相對較高4研磨液的加工機理和研究展望在半導(dǎo)體硅片加工工藝中,研磨的作用是不可忽視的。從研磨裝置到研磨工藝參數(shù),再到研磨液的配制等,都對硅片表面的質(zhì)量有很大影響,尤其研磨液更是當中主要考慮的因素。基于目前國產(chǎn)研磨液的現(xiàn)狀,今后就更需要科研人員加強對研磨液的改進與開發(fā),從研磨液成分及加工機理,特別是研磨液對磨料的懸浮性與分散性、對金屬離子的螯合能力、以及硅片研磨后的清洗等方面著手進行。因此,必須針對硅片的研磨加工機理和技術(shù)發(fā)展趨勢,開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的硅片研磨液,打破國外的技術(shù)壟斷,并最終實現(xiàn)我國硅片制造業(yè)的跨越式發(fā)展。3研磨硅片的特點為了得到高質(zhì)量的硅片,需要對研磨過程中的研磨液有嚴格的要求。筆者經(jīng)過長期對研磨液進行科