硅片研磨和研磨液作用的分析-看.pdf

显微、测量、微细加工技术与设备M i c r o s c o p e，M e a s u r e m e n t，M i c r o f a b r i c a t i o n E q u i p m e n t硅片研磨和研磨液作用的分析张伟(河北工业大学微电子研究所，天津3 0 0 1 3 0)摘要：介绍了硅片的研磨过程和研磨液的作用，对国内主流研磨液进行了简单的介绍，分析了它们的优缺点。对研磨液中活性剂的机理进行了深入研究、解释了活性剂的分子结构对其性质的影响，提出只有从分子结构入手选用活性剂才能起到更好的悬浮和降低表面张力的作用。关键词：研磨液；分子结构；表面张力；活性剂；硅片中图分类号：T N 3 0 5 2 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 1 4 7 7 6(2 0 0 7)0 4 0 2 0 6 0 5S i l i c o nP o l i s h i n ga n dt h eA n a l y s i so fS l u r r yE f f e c tZ H A N GW e i(I n s t i t u t eo fM i c r o e l e c t r o n i c s，H e b e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，T i a n j i n3 0 0 1 3 0，C h i n a)A b s t r a c t：T h ep r o c e s so fp o l i s h i n go ns u r f a c eo fs i l i c o na n dt h ee f f e c to fp o l i s h i n gs l u r r yw e r ei n t r o d u c e d S e v e r a lk i n d so fc o m m o np o l i s h i n gs l u r r ya sw e l la st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw e r er a n k e d T h em e c h a n i s mo ft h e s u r f a c a n ti nt h es l u r r ya n dt h e i n f l u e n c eo fm o l e c u l es t r u c t u r eo ns u r f a c t a n tp r o p e r t i e sw e r ea n a l y s e d I no r d e rt oi m p r o v et h es u s p e n s i o ne f f e c ta n dr e d u c et h es u r f a c et e n s i o n，i ti sn e c e s s a r yt oc h o o s et h e s u r f a c a n ta c c o r d i n gt oi t sm o l e c u l es t r u c t u r e K e yw o r d s：p o l i s h i n gs l u r r y；m o l e c u l es t r u c t u r e；s u r f a c et e n s i o n；s u n C a c t a n t；s i l i c o nw a f e r1I C 技术的重要地位及发展情况从全球经济发展来看，I C 技术已经渗透到国防建设和国民经济发展的各个领域，成为世界第一大产业。I C 所用的材料主要是硅和砷化镓等，全球9 0 以上I C 都采用硅片 1 。随着半导体工业的飞速发展，一方面，为了增大芯片产量，降低单元制造成本，要求硅片的直径不断增大；另一方面，为了提高I C 的集成度，要求硅片的刻线宽度越来越细心。目前，美、日、德等国家加工中2 0 0m m 硅片的技术已非常成熟，开始普及多3 0 0m m 硅片、0 1 3I L m 芯片的工艺技术，并着手研究q D 4 0 0 m m 甚至西4 5 0m m 超大规格硅片的收稿日期：2 0 0 6 1 0 2 3加工技术。2 0 0 2 年1 月H 本开发成功线宽为5 0n m 的半导体蚀刻技术，英特尔目前已经采用6 5n m 芯片制造工艺生产存储芯片。随着电子工业的迅猛发展，以单晶硅片为衬底的I C 集成度越来越高，其特征几何尺寸预计在2 0 1 0 年将达到5 0n m。硅衬底片的研磨是保证衬底片的平行度、平整度、表面完美性的基础，在研磨中研磨液的性能是保证磨片质量与效率的基础，所以国内外对研磨液性能的研究越来越受到广泛关注。我国启动了一系列重大项目来推动I C 技术的发展，但加工主要依靠进口成套装备，采用的也是国外早期的研磨抛光工艺，目前已能生产q)3 0 0m m 的硅片4|。微纳电子技术2 0 0 7 年第4 期囝 万方数据显微、测量、微细加工技术与设备M i c r o s c o p e，M e a s u r e m e n t，M i c r o f a b r i c a t i o n E q u i p m e n t2研磨介绍2 1研磨及其过程中的问题硅材料的制备包括定向切割、磨片、抛光等，其中切片之后要进行研磨，研磨机的结构见图1。由于切片之后的硅单晶片还不具有合乎半导体制造过程中所需要的曲度、平坦度与平行度，又因为要求硅单晶片在抛光过程中表面磨除量仅约5 m，所以抛光无法大幅度改善硅单晶片的曲度与平行度。这使得研磨成为在硅单晶片抛光之前，能够有效地改善硅片的曲度、平坦度与平行度的关键工艺 53。硅片经切割研磨后表面产生大量的机械损伤，这些机械损伤可分为上下两层。上层的损伤层较薄，约占厚度的1 1 0，包含细微裂纹和网络位错；下层为弹性形变层。这些机械损伤若残留在硅片表面会在后来的工艺(如氧化过程)中将产生氧化诱导层错等缺陷。(a)旋转工作台磨削(b)硅片自旋转磨削图1 研磨机的结构磨片在硅片制备过程中占有重要地位。在这道工序中由于机械加工强度大、机械损伤、应力、离子沾污等问题严重，废品率很高，会对后续工艺造成很坏的影响。因而必须改善研磨机理，把单一的机械作用变为均匀稳定的化学机械作用，以达到浅损伤、低应力的目的，有效地减少破损层和应力的累积，提高产品质量和加工的效率阿，从而提高了整个硅片工艺的成品率。由于现今国内许多半导体企业在磨片工序中只是使用简单的自来水冷却、清洗，缺乏先进的技术指导，使出现的问题更加严重。所以，如何解决磨片工序中的问题有很大的现实意义。2 _ 2 研磨液的引入研磨液的引入可以合理地解决上述问题。传统的减小应力方法多采用增加切削、研磨浆液的润滑性，提高浆液的散热能力，以迅速扩散加工产生的热量，减少热应力。以河北工业大学为代表的科研成果，率先将C M P 技术引入到硅片切削和磨削工艺中，根据硅的化学作用，采用碱性浆液，加入多种活性剂，改进浆液的物理化学特性，增加加工过程中的化学作用，极大地改进了加工工艺，缓和了剧烈的机械作用。研磨液由多种成分组成，主要包括：有机碱、表面活性剂、螯合剂。使用有机碱是为了防止引入杂质金属离子，以免给以后器件造成致命伤害。化学作用原理为S i+2 0 H-+H 2 0 _ S i 0 3 2-+2 H 2T研磨液在加工中的主要作用有以下几个方面。(1)悬浮作用研磨液中一般要加入磨料，磨料力度很大且硬度很高。而研磨液具有良好的悬浮性，磨料分布均匀并在很短的时间内不产生沉淀，这会大大提高研磨加工的质量和效率。加入的研磨液能吸附在固体颗粒表面上产生足够高的位垒，使颗粒分散开来，以达到分散、悬浮的特性两。(2)润滑作用研磨液能减少磨粒、磨屑与研磨表面之间的摩擦，起到润滑的作用。它具有润滑、耐高温、耐高压的能力。在润滑剂中加入含有活性元素硫、氯等的耐压添加剂，来提高耐高压能力。这些化合物在边界条件润滑状态较好的条件下，用于高温、高压的研磨加工，起润滑作用，防止工件的表面，特别是已加工表面的粗糙度的恶化，从而得到降低损伤层的目的 6 。(3)冷却作用为防止工件表面烧伤和产生裂纹，研磨液应能渗入高温研磨区域内，接近热源，进而降低研磨区温度，使之化学反应一致性好，并且研磨液本身还应具备良好的散热能力。研磨液的冷却性能取决于微纳电子技术2 0 0 7 年第4 期 万方数据显微、测量、微细加工技术与设备M i c r o s c o p e，M e a s u r e m e n t，M i c r o f a b r i c a t i o n E q u i p m e n t它的导热性能和对工件表面润湿性和供液方式。一般要求研磨液导热性能好，表面张力小，故在研磨加工过程中，常用稀释剂等表面活性剂作为辅助添加剂。这样可降低研磨液表面张力，提高渗透性和润滑性，可获得比较理想的液体。冷却性和润滑性并用，相互补充，取得了优越的使用效果陋。(4)去损作用一般情况下，研磨液为碱性。在研磨过程中碱可以和硅发生化学反应，尤其损伤层中悬空键密度大，反应较快，致使磨片剩余损伤层小，这也就使后步工序加工量变小，使磨片损伤度降低，增加出片量，降低成本 6 。(5)清洗作用在研磨加工时，会产生大量细碎的磨屑和磨粒粉末(见图2)，容易粘附在磨片和磨床工件台表面上，从而影响磨片表面质量，降低机床精度。但是，使用时往往可通过增强研磨液的动能、加大存量和增加压力，来提高研磨液效率。而清洗能力的大小与研磨液的渗透性有关，选择适宜表面活性剂和采用大的稀释比水溶液，可大大提高清洗效果，使研磨产物不易形成难清洗的表面吸附 6 。图2 硅片研磨加工模型(6)防锈功能研磨液的另一重要特性是使设备不锈蚀，而防锈作用的好坏，主要还取决于研磨液本身的性能。2 3 各种研磨液的特点洛阳轴承厂研制的L Z 8 3-1 研磨液在国内处于领先地位。此产品是润滑剂、积压剂、非离子表面活性剂、防霉防腐剂、消泡剂等多种添加剂配制而成，具有一定的润滑积压性、冷却、清洗、防锈性。对提高生产效率、加工工件表面光洁度、沙粒消耗降低、增加寿命等方面均有一定的效果。但该产品具有悬浮能力差、浓缩度低(一般稀释3 3 倍水)和金属离子含量高等缺点。辽宁奥克磨削液也是国内主流产品，美国的多氨1 9 一C 具有非常高的稀释能力，在很高的稀释情况下有着超强的悬浮特性且完全水溶，但昂贵，且黏度大，表面吸附比较严重，难以清洗，导致磨片清洗后表面易出花斑。另经查阅相关专利，湖北省化学研究所研制的一种具有高悬浮力的水溶性防锈研磨液，其特征在于它是一种有优秀触变性能的凝胶状液体，主要由高分子凝胶状悬浮剂、酰胺类防锈剂、水溶性润滑剂组成，其重量组成为：悬浮剂4-8 份、凝聚剂4 1 0 份、防锈剂4 8 份、润滑剂1-3 份、水7 0-8 0 份。这种研磨液提供一种对各种不同组成及不同粒径的磨料具有高悬浮、高分散能力的新型凝胶状水性防锈研磨液，其突出特点就是对大粒径(W 4 0，5 0)磨料具有优秀的悬浮分散能力，2 4h 的悬浮率可在8 0 以上，它提高加工对象的质量，降低研磨加工成本，彻底解决“P C”油造成的环境污染，简化加工程序和降低成本，并可进一步提高加工产品合格率。陕西省石油化工设计院生产的W E 一1 防锈研磨液，外观为微黄色透明液体，无异味，易溶于水，p H 值呈微碱性，防锈性能很强，对部件及研磨机保护效果好。使用时与水、研磨砂配合，适用于人造水晶、蓝宝石、单晶硅、光学玻璃等的平面研磨与抛光。产品含有特殊的流动控制成分，使研磨砂在晶片表面均匀分布，晶片研磨后一致性好、平行度高。本产品稀释倍数高，可降低成本，比日本1 0 1 防锈水性能更优越。研磨时使用方法：研磨砂2 5k g、水4 8 0 0m 1、防锈研磨液2 0 0m l，各厂家可根据自己的设备、物料进行配比。做高档产品时，水与防锈研磨液比例为2 0：1。美国发明的多氨1 9 一C 是世界上销售量最大的悬浮状研磨液。它具有非常高的稀释能力，大约为1：1 2 I：1 4 的比例掺入水。1 9 一C 在很高的稀释情况下有着超强的悬浮特性且完全水溶，具有生物降解能力，是一种白色、有微刺激性气味的奶状液体，显弱碱性。但其价格昂贵、黏度大，表面吸附比较微纳电子技术2 0 0 7 年第4 期囝 万方数据显微、测量、微细加工技术与设备M i c r o s c o p e，M e a s u r e m e n t，M i c r o f a b r i c a t i o n E q u i p m e n t严重难以清洗，导致磨片清洗后表面易出花斑，p H 值在8 左右，碱性较弱，渗进性较差，不能很好地消除应力积累。随着器件结深越来越浅，很小的应力造成的缺陷与离子污染也可能造成软击穿。以上因素直接影响磨片的一次成品率且给下道工序带来危害。日本的技术也很强，拉出直径为4 1c m 的硅单晶，硅片加工平整度小于0 3 m。进口产品H G S 5 1 8 x 的p H 值较低，约8 6 左右，价格较高，渗透性和对金属离子的去除仍有欠缺。河北工业大学微电子技术与材料研究所经专家评审的F A O 切削液、倒角液、磨削液达国际先进水平，在国内处于领先地位。该产品是由润滑剂、积压剂、非离子表面活性剂、防霉防腐剂、消泡剂等多种添加剂配置而成，能大幅度提高研磨速率，具有一定的润滑积压性、冷却、清洗、防锈性，对提高生产效率、加工工件表面光滑度、沙粒消耗降低、增加寿命等方面均有一定的效果。但是，增加磨料的悬浮能力和降低表面张力，仍然是当前急需解决的问题。3原理和改进方向3 1活性剂作用的基本原理表面活性剂是在表面具有表面活性的物质口。根据亲水基的不同结构，可将表面活性剂分为：离子型表面活性剂、非离子表面活性剂和特殊表面活性剂隋。单个活性剂分子在水溶液中总是不停转动，当两个活性剂分子的憎水基相遇时，总是相互吸引以求降低所受斥力。因此，除极稀溶液外，活性剂分子在水溶液中多数是以半胶束或胶束状态存在一。如果将硅片置于活性剂水溶液中，活性剂分子会被硅片表面吸附，极性的亲水基与硅片会形成多点吸附。活性剂分子在硅片表面的吸附是以亲水基向着硅片的，随着活性剂分子在水溶液中浓度的增加，会在硅片表面形成单分子层结构、双分子层结构甚至半胶束结构吸附弘1 川。当颗粒以物理吸附的形式吸附于硅片表面时，向溶液中加入表面活性剂，活性剂分子会借助润湿作用迅速在硅片和颗粒的表面铺展开，形成一层致密的保护层。活性剂分子亲水基会与硅片表面形成多点吸附，颗粒在硅片表面移动时，渗透压使溶液中自由的活性剂分子及已吸附的活性剂分子的亲水基上未吸附的自由部分积极地向硅片与颗粒的接触缝隙间伸入，随时与硅片和颗粒上出现的剩余自由键相吸引、结合，促使硅片与颗粒问作用的键力越来越少，颗粒与硅片的吸附力不断减弱，最终将整个颗粒从硅片表面分离开。活性剂分子在硅片和颗粒表面形成致密的质点保护层，防止颗粒与硅片形成二次吸附，至此完成了颗粒从硅片表面的解吸 1 2-1 4 。当固体颗粒团块受到机械力作用时，会产生微裂缝，但它很容易通过自身分子力的作用而愈合。当分散介质中有表面活性剂存在时，它能很快地定向排列在固体颗粒的表面上，使固体颗粒的表面或界面张力有明显的降低。表面活性物质在颗粒的表面上的覆盖率越大，表面张力降低得越多，则系统的表面吉布斯函数越小。因此表面活性物质不仅可自动吸附在颗粒的表面上，而且还可自动地渗入到微细裂缝中去并能向深处扩展，产生一种“劈裂作用”，见图3。在这种劈裂力的作用下微裂缝不但无法愈合，而且越来越深和扩大，有的最后被分裂成更小的颗粒，分散性提高，悬浮性也随之提高。表面活性物质的浓度足够大时，液体中的颗粒会被憎水基向内、亲水基向外的活性物质分子包围着，相互间斥力大于引力，所以相互间分散性好，且沉淀后易摇起；悬浮性好，可以使研磨用的金刚砂均匀地悬浮起来，使硅片在研磨时受力均匀。图3 劈裂作用3 _ 2 分子结构对活性剂的影响表面活性剂的效率是指使水的表面张力明显降低所需要的表面活性剂浓度。表面活性剂的有效值则是指该表面活性剂能够把水的表面张力可能降到的最小值。当憎水基团链长增加时，效率微纳电子技术2 0 0 7 年第4 期 万方数据显微、测量、微细加工技术与设备M i c r o s c o p e，M e a s u r e m e n t，M i c r o f a b r i c a t i o n E q u i p m e n t提高，但当链长相当长时，再增加链长往往使表面活性剂的有效值降低。当憎水基团有支链或不饱和度增加时，效率降低，但有效值却增加。当两亲分子中的亲水基团由分子末端向憎水链中心位置移动时，效率降低，有效值却增加。总之，长链而一端带有亲水基团的表面活性剂降低水表面张力的效率很高，但在有效值上比短链的同系物或具有支链、或亲水基团在中央的同系物差得多。离子型表面活性剂由于亲水基团在水中电离而产生了静电排斥力，所以效率不高，但其有效值也不高。图4 说明了在低浓度区间，表面张力随表面活性剂浓度的增加而急剧下降，以后逐渐平稳。此外，还说明了表面活性剂的效率随链长的增加而增加，但长链的有效值比短链的同系物低。图4 不同碳原子数时，表面张力与表面活性剂浓度的关系表面活性剂的种类繁多，对于一定体系究竟采用哪种表面活性剂比较合适，效率最高，目前还缺乏理论指导。一般认为，比较表面活性剂分子的亲水基团的亲水性和亲油基团的亲油性是一项重要指标。由于每一个表面活性剂分子都包含亲水基团和憎水基团两部分。亲水基的亲水性代表表面活性物质溶于水的能力，憎水基的憎水性代表溶油能力。由于憎水基的憎水性和亲水性在大多数情况下不能用同样的单位来衡量，基于此，格里芬(G r i 侬n)提出用H L B 值(亲油亲水平衡)来表示表面活性剂的亲水性。舭B 是一个相对值，人们规定亲油性强的石蜡的H L B 值等于0；亲水性强的聚乙二醇的H L B 值等于2 0。以此为标准，定出其他表面活性剂的H L B 值。H L B 值越小，表面活性剂的亲油性越强，反之亲水性越强 1 4-1 5 。4研究方向综上所述，为了提高研磨液的性能，提高悬浮性，进一步降低表面张力，我们应该从其憎水基链的结构人手，通过大量试验，找出一个悬浮能力和表面张力都令人满意的憎水基链的结构。参考文献：1 C H I D A M B A R A MP E IZJ，K A S S I RS F i n eg n n d i n go f s i l i c o nw a f e r s：am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rg n n d i n gm a r k s J I n t e r-n a t i o n a lJ o u m a lo fM a c h i n eT o o l s M a n u f a c t u r e，2 0 0 3(4 3)：1 5 9 5 1 6 0 2 2 吴明明单晶硅片的超精密加工技术研究 M 浙江：浙江工业大学出版社，2 0 0 5：8 7 3 曹来发，朱正堂中国集成电路现状 J 科技情报开发与经济，2 0 0 4，1 4(2)：1 0 0 一1 0 1 4 张胜利超精密磨削硅片表面损伤检测的试验研究 M 辽宁：大连理工大学出版社，2 0 0 5：9 6 5 刘玉岭，李薇薇，周建伟微电子化学基础技术 M 北京：化学工业出版社，2 0 0 5：8 5 6 刘玉岭，檀柏梅，张楷亮超大规模集成电路衬底材料性能及加工测试技术工程 M 北京：冶金工业出版社，2 0 0 2：4 7 6 0 7 霍姆伯格K，琼森B，科隆伯格B，等水溶液中的表面活性剂和聚合物 M 韩丙勇，张学军，译北京：化学工业出版社，2 0 0 5：1-2 8 藤本武彦新表面活性剂入门 M 高仲江，顾德荣，译北京：化学工业出版社，1 9 8 9：1-1 0 9 赵国玺表面活性剂物理化学 M 北京：北京大学出版社，1 9 9 1：3 5 3 6 1 0 肖进新，赵振国表面活性剂应用原理 M 北京：化学工业出版社，2 0 0 3：9 0 1 1 沈钟，赵振国，王果庭胶体与表面化学 M 北京：化学工业出版社，2 0 0 4：4 2 8 4 3 1 1 2 庄同曾集成电路制造技术 M 北京：电子工业出版社，1 9 9 2：6 5 9 0 1 3 谭刚，吴嘉丽硅衬底的化学机械抛光工艺研究 J 仪器仪表学报，2 0 0 5，2 6(8)：1 5 1 4 天津大学物理化学教研室物理化学 M 北京：高等教育出版社，1 9 9 3 1 5 骆伟明，叶青妍，肖信，等表面活性剂及其作用 E B O L h t t p：w w w a q t c e d u c n j x w z w u h u o w l h x f u d a o H U A N A N w e b 1 w m 作者简介：张伟(1 9 8 1-)，男，天津人，硕士研究生，研究方向为微电子与固体电子学。微纳电子技术2 0 0 7 年第4 期 万方数据硅片研磨和研磨液作用的分析硅片研磨和研磨液作用的分析作者：张伟，ZHANG Wei作者单位：河北工业大学,微电子研究所,天津,300130刊名：微纳电子技术英文刊名：MICRONANOELECTRONIC TECHNOLOGY年，卷(期)：2007,44(4)被引用次数：1次 参考文献(15条)参考文献(15条)1.刘玉岭;李薇薇;周建伟 微电子化学基础技术 20052.张胜利 超精密磨削硅片表面损伤检测的试验研究 20053.曹来发;朱正堂 中国集成电路现状期刊论文-科技情报开发与经济 2004(02)4.吴明明 单晶硅片的超精密加工技术研究 20055.骆伟明;叶青妍;肖信 表面活性剂及其作用6.天津大学物理化学教研室;朱世谟;王正烈;李文斌 物理化学 19937.谭刚;吴嘉丽 硅衬底的化学机械抛光工艺研究期刊论文-仪器仪表学报 2005(08)8.庄同曾 集成电路制造技术 19929.沈钟;赵振国;王果庭 胶体与表面化学 200410.肖进新;赵振国 表面活性剂应用原理 200311.赵国玺 表面活性剂物理化学 199112.藤本武彦;高仲江;顾德荣 新表面活性剂入门 198913.霍姆伯格 K;琼森 B;科隆伯格 B;等.韩丙勇,张学军 水溶液中的表面活性剂和聚合物 200514.刘玉岭;檀柏梅;张楷亮 超大规模集成电路衬底材料性能及加工测试技术工程 200215.CHIDAMBARAM PEI Z J;KASSIR S Fine grinding of silicon wafers:a mathematical model for grindingmarks外文期刊 2003(43)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.张伟.周建伟.刘玉岭.刘承霖.ZHANG Wei.ZHOU Jian-wei.LIU Yu-ling.LIU Cheng-lin 硅片研磨表面状态的改善和研磨液的改进期刊论文-半导体技术2006,31(10)2.刘玉岭.檀柏梅.孙光英.蒋建国 硅单晶片研磨液的研究期刊论文-稀有金属2001,25(6)3.李新和.张祁莉.王龙.LI Xin-he.ZHANG Qi-li.WANG Long 光纤连接器超声研磨及研磨液实验研究期刊论文-机械工程师2006(2)4.姜洪源.金世伟.古乐 研磨液对陶瓷球耐磨性影响的实验研究期刊论文-润滑与密封2001(3)5.王豪.王丽萍 水溶性金刚石研磨/抛光液及其应用会议论文-20106.杨杰.曾旭.李树岗.贺岩峰.Yang Jie.Zeng Xu.Li Shugang.He Yanfeng 半导体硅材料研磨液研究进展期刊论文-广东化工2009,36(8)7.韩伟华.余金中 硅片接触表面的弹性形变范围期刊论文-半导体光电2001,22(6)8.王静.邢福波.范成璋 超声波技术清洗制动阀零件的尝试期刊论文-铁道机车车辆2001(6)9.杨国渝.冯建 硅-硅键合晶片在减薄过程中产生的应力及影响会议论文-200110.周雅 苯甲醇(醛)型脱漆剂使用性能研究期刊论文-材料保护2002,35(5)引证文献(1条)引证文献(1条)1.杨杰.曾旭.李树岗.贺岩峰 半导体硅材料研磨液研究进展期刊论文-广东化工 2009(8)本文链接：http:/