硅單晶片研磨液的研究

硅單晶片研磨液的研究

隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，以單晶硅為支撐的ic集成度越來越高，其特征幾何尺寸預(yù)計將達到0.05m。硅襯底片的研磨是保證襯底片的平行度、平整度,表面完美性的基礎(chǔ),在研磨中研磨液的性能是保證磨片質(zhì)量與效率的基礎(chǔ),所以國內(nèi)外對研磨液性能的研究越來越受到廣泛關(guān)注。根據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料報道,在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位的研磨液是由潤滑劑、積壓劑、非離子表面活性劑、防霉防腐劑、消泡劑等多種添加劑配制而成,具有一定的潤滑積壓性、冷卻、清洗、防銹性;但具有懸浮能力差、濃縮度低(一般稀釋3.3倍水)和金屬離子含量高等缺點。在國際上,美國發(fā)明的多氨19-C是世界上先進的懸浮狀研磨液。其特征為:具有非常高的稀釋能力,大約可摻入12~14倍的水;在很高的稀釋情況下有著超強的懸浮特性且完全水溶;而且19-C具有生物降解能力。19-C是一種白色略帶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(yán)重,難以清洗,這直接影響磨片的一次成品率,且對下道工序及高質(zhì)量器件制備帶來危害。所以如何提高研磨液性能,提高研磨效率,減小硅粉粒子、磨料、金屬離子在表面的吸附,便于清洗是當(dāng)前硅片研磨工藝中急待解決的課題。本文通過大量的對比實驗研究,對研磨液成分的選擇及配比進行了分析優(yōu)化,提高了研磨液的懸浮性,并便于清洗。1雙極型器件e-c的材料電阻率由于國內(nèi)外的磨削液都存在一定的缺陷,這會影響器件的生產(chǎn)、加工質(zhì)量與效率的進一步提高。如果懸浮性不好,分散不均勻,則會使表面平整度大大下降且容易產(chǎn)生劃傷。如果金屬離子含量過高,它們將在位于硅晶體的禁帶中央附近起著電子和空穴的復(fù)合中心的作用,使晶體中少子壽命降低,漏電流增加,從而使超大規(guī)模集成電路的性能劣化。而且金屬雜質(zhì)在硅中有很大的擴散系數(shù),將進入硅片內(nèi)部,使器件漏電流增加,p-n結(jié)軟擊穿,特別對雙極型器件E-C來說,材料電阻率也會發(fā)生變化基于以上所說的當(dāng)今國內(nèi)外生產(chǎn)的磨削液所存在的缺點,提出以下幾點解決方案:首先,為解決懸浮性差的問題,研究選擇加入適當(dāng)?shù)姆稚﹣碓鰪娖鋺腋⌒?其次,對于金屬離子含量高的缺陷,通過加入不含金屬離子的高效螯合劑加以去除;最后,關(guān)于顆粒吸附嚴(yán)重、難以清洗的問題,通過在磨削加工的磨削液中選擇適宜的表面活性劑(如:滲透劑JFA/O)予以改善。2顆粒吸附法運作工藝法通過大量試驗,選擇研磨液成分(具有聚氧乙烯結(jié)構(gòu))包括:滲透劑JFA/O、潤滑劑、分散劑、胺堿溶液、蒸餾水等(1)不同潤滑劑的同濃度比較(實驗中加入總?cè)芤后w積4%的金剛砂),結(jié)果如表1所示。由實驗可知:由于同系物中親水基的分子量是10(2)同一潤滑劑不同濃度的比較(以10由此看出,對于同一類表面活性劑來說,選擇不同的濃度將對沉淀產(chǎn)生不同的影響,濃度大的溶液的分散、懸浮效果更加優(yōu)良且溶液特性好。(3)對比實驗(加入總?cè)芤后w積4%的金剛砂),實驗結(jié)果如表3所示。實驗表明:對于都具有聚氧乙烯結(jié)構(gòu)的非離子表面活性劑來說,聚氧乙烯鏈越長(即親水基分子量越大),其懸浮性越好;且對于同一類表面活性劑,濃度越高的研磨液性能和分散性能越優(yōu)良。(4)顆粒吸附解決方案目前,磨片清洗工藝有兩種:(a)單片擦洗;(b)首先單片超聲清洗,然后放入pH=12~13的強堿清洗液中超聲清洗2次,最后在純水中超聲清洗2次。清洗工藝如此復(fù)雜,用脫脂棉擦試后,硅片表面仍呈黃黑色,這一直是19-C沒有解決的問題。本實驗在研磨液19-C中稀釋13倍水后分成2份:一份作參比,另一份加入1%(體積分?jǐn)?shù))的特選JFA/O滲透劑。每次將6片硅片分為2組在以上2份溶液中進行研磨。研磨后放到50℃的純水中進行超聲清洗。每組超聲清洗的時間相同,一般超聲清洗2次。實驗完畢后,將硅片取出,用酒精棉球擦試并觀察,結(jié)果如表4所示。超聲時間比較短時(20min內(nèi)),用含有JFA/O的研磨液研磨的硅片表面清潔度遠遠好于用未加JFA/O的研磨液研磨的硅片。當(dāng)清洗時間延長至10min時,經(jīng)含JFA/O研磨液研磨的硅片表面已達到了平整、光滑、干凈的要求,而只用19-C研磨的硅片,擦試表面后棉球仍然呈現(xiàn)黃色,這證明清洗不干凈,仍有顆粒吸附在硅片表面上。因此,用JFA/O研磨液研磨的硅片只需用純水超聲清洗20min以上即可達到理想效果,這不僅降低了工序的復(fù)雜性,提高了工作效率,而且由于不使用強堿研磨清洗液而節(jié)約了資金,提高了經(jīng)濟效益。3滲透劑分子量的影響由實驗1、2、3可以看出,表面活性劑分子量的大小和濃度的高低都對其懸浮性質(zhì)有比較顯著的影響。同系物中親水基碳氫鏈的增加(即分子量增加)對性質(zhì)影響的一般規(guī)律是:表面活性劑親水基分子量較小時,其潤濕性、滲透作用比較好;分子量較大時,其分散作用性能較為優(yōu)良由實驗4可以看出,只在研磨加工工序中加入少量的滲透劑JFA/O,就可以給研磨之后的清洗工序帶來很大的便利,且能有效地去除吸附在器件表面的雜質(zhì)顆粒,達到清潔、光滑的滿意效果。這是由于滲透劑JFA/O可以滲入硅片表面及吸附物之間,并向深處擴散,如同向界面打入了一個“楔子”,起到劈開的作用,將顆粒托起;活性劑分子取而代之吸附在硅片表面上,同時顆粒的周圍也吸附了一層活性劑分子,防止顆?；瘜W(xué)吸附在新生表面上。由于活性劑分子粒徑很大,沒有剩余的鍵,不易形成像金剛砂顆粒之間那樣的化學(xué)鍵合,只是形成范德華力很小的物理鍵合,由于吸附狀態(tài)不同,所以活性劑分子較雜質(zhì)顆粒更容易清洗4含金屬離子的螯合劑1.加入適當(dāng)?shù)挠H水基分子量比較大、溶液濃度比較高的分散劑可以提高研磨液的懸浮特性。2.加入不含金屬離子的螯合劑,