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(lái)越高，其特征幾何尺寸預(yù)計(jì)將達(dá)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(guó)內(nèi)外對(duì)研磨液性能的研究越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。根據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)資料報(bào)道,在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位的研磨液是由潤(rùn)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(rùn)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(diǎn)。在國(guó)際上,美國(guó)發(fā)明的多氨19-C是世界上先進(jìn)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(qiáng)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(jià)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(duì)下道工序及高質(zhì)量器件制備帶來(lái)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(guò)大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)研磨液成分的選擇及配比進(jìn)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(guó)內(nèi)外的磨削液都存在一定的缺陷,這會(huì)影響器件的生產(chǎn)、加工質(zhì)量與效率的進(jìn)一步提高。如果懸浮性不好,分散不均勻,則會(huì)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(guò)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(kuò)散系數(shù),將進(jìn)入硅片內(nèi)部,使器件漏電流增加,p-n結(jié)軟擊穿,特別對(duì)雙極型器件E-C來(lái)說(shuō),材料電阻率也會(huì)發(fā)生變化基于以上所說(shuō)的當(dāng)今國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的磨削液所存在的缺點(diǎn),提出以下幾點(diǎn)解決方案:首先,為解決懸浮性差的問(wèn)題,研究選擇加入適當(dāng)?shù)姆稚﹣?lái)增強(qiáng)其懸浮性;其次,對(duì)于金屬離子含量高的缺陷,通過(guò)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(wèn)題,通過(guò)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(yùn)作工藝法通過(guò)大量試驗(yàn),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(rùn)滑劑、分散劑、胺堿溶液、蒸餾水等(1)不同潤(rùn)滑劑的同濃度比較(實(shí)驗(yàn)中加入總?cè)芤后w積4%的金剛砂),結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)可知:由于同系物中親水基的分子量是10(2)同一潤(rùn)滑劑不同濃度的比較(以10由此看出,對(duì)于同一類表面活性劑來(lái)說(shuō),選擇不同的濃度將對(duì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)(加入總?cè)芤后w積4%的金剛砂),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于都具有聚氧乙烯結(jié)構(gòu)的非離子表面活性劑來(lái)說(shuō),聚氧乙烯鏈越長(zhǎng)(即親水基分子量越大),其懸浮性越好;且對(duì)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(qiáng)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(méi)有解決的問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行研磨。研磨后放到50℃的純水中進(jìn)行超聲清洗。每組超聲清洗的時(shí)間相同,一般超聲清洗2次。實(shí)驗(yàn)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(shí)間比較短時(shí)(20min內(nèi)),用含有JFA/O的研磨液研磨的硅片表面清潔度遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于用未加JFA/O的研磨液研磨的硅片。當(dāng)清洗時(shí)間延長(zhǎng)至10min時(shí),經(jīng)含JFA/O研磨液研磨的硅片表面已達(dá)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(dá)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(qiáng)堿研磨清洗液而節(jié)約了資金,提高了經(jīng)濟(jì)效益。3滲透劑分子量的影響由實(shí)驗(yàn)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(duì)其懸浮性質(zhì)有比較顯著的影響。同系物中親水基碳?xì)滏湹脑黾?即分子量增加)對(duì)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(shí),其潤(rùn)濕性、滲透作用比較好;分子量較大時(shí),其分散作用性能較為優(yōu)良由實(shí)驗(yàn)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(lái)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(dá)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(kuò)散,如同向界面打入了一個(gè)“楔子”,起到劈開(kāi)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(shí)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(méi)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,