稀有金属 2000,(01),30-32 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2000.01.007

硅片抛光剂SiO₂溶胶的制备和性能研究

温劲波

北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心!北京100088

摘 要：

以ＮａＯＨ和有机碱为介质， 制成两种乳白色碱性ＳｉＯ２ 溶胶， 溶胶粒径在５０ ～７０ｎｍ 范围， 性能稳定。当ＳｉＯ２ 浓度低于５０％ （ 质量分数）、ｐＨ＝８ ．５ ～１１ 时， 溶胶可以长时间存放而不沉淀分层。超微ＳｉＯ２ 颗粒细制成的两种ＳｉＯ２ 溶胶粘度低， 能通过中速滤纸。

关键词：

SiO溶胶;硅片抛光剂;超微细;稳定性;

中图分类号： TG739

作者简介：温劲波, 男, 高级工程师; 联系地址: 新街口外大街2 号。;

收稿日期：1998-12-08

Preparation and Properties of Silica Sol Polishing Reagent for Semiconductor Silicon Wafers

Abstract：

Abstract: Two milkwrite silica sols are prepared. They contain an organic base and NaOH, respectively. Their particle sizes are 50～70 nm. When the concentration of silica collosols are lower than 50% (weight), pH=8.5～11, the silica collosols are stable without precipitation for a long time.

Keyword：

Polishing reagent for silicon wafers, Silica sol, Particle size, Stability;

Received： 1998-12-08

半导体硅片抛光工艺是衔接材料与器件制备的边沿工艺,它极大地影响着材料和器件的成品率,并肩负消除前加工表面损伤沾污以及控制诱生二次缺陷和杂质的双重任务。在特定的抛光设备条件下,硅片抛光效果取决于抛光剂及其抛光工艺技术 ^[1] 。

自60年代中期以氢氧化钠为介质的碱性二氧化硅抛光技术研究成功以来,国内外以二氧化硅溶胶为基础研究开发了品种繁多的抛光材料 ^[2] 。大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(ULSI)要求进一步提高硅片表面质量,减少表面缺陷 ^[3] 。本文以自制非烘型超微细SiO₂为原料,采用特殊工艺制备了含NaOH和有机碱两种碱性硅溶胶,并对其有关性能进行了测定和研究。期待开发出性能优异的半导体硅片抛光剂。

1试验部分

1.1主要设备、仪器和试剂

JEM-200CX透射电子显微镜、搅拌机、比重瓶、毛细管乌氏粘度计以及pHSW-3D酸度计等。

氢氧化钠、有机碱和盐酸(均为分析纯),分散剂(自制)、非烘型SiO₂(自制)。

1.2 SiO2溶胶制备方法

称取一定量的去离子水放入烧杯中,开动搅拌机其转速为加入经过计量的分散剂,待其全部溶解后继续搅拌10 min,再将经过计量的自制SiO₂加入上述溶液中,再搅拌30 min。用NaOH、有机碱或盐酸调pH值至8.5,补加去离子水达到预定的刻度,停止搅拌,放置12 h。最后将SiO₂溶胶搅拌30 min,用中速滤纸过滤,滤液为乳白色SiO₂溶胶。

2试验结果与讨论

2.1 SiO2溶胶团粒形状和粒径

采用JEM-200CX透射电镜对经不同处理的SiO₂溶胶样品进行观测,以确定SiO₂溶胶的粒形、粒貌和粒径大小。图1是以NaOH为碱性物质的SiO₂溶胶中胶粒的透射电镜照片。可以看出,溶胶的胶粒为十分整齐的球形,粒径范围在50～70nm,与文献 [ 4] 值一致。经胶体化学验证,这两种胶体均属于溶胶。胶团粒径与美国LUDOX和QUSO以及日本Glanzox等系列抛光材料的粒径相近或相同 ^[1] 。

图1 SiO2溶胶胶粒的透射电镜照片(×90000)

2.2 SiO2溶胶的稳定性

2.2.1 SiO₂浓度对溶胶稳定性的影响

试验分别以NaOH和有机碱为碱性物质,配制成SiO₂浓度为10%、20%、30%、40%和50%(质量分数)5种溶胶。在无蒸发条件下,放置60天,未观测到溶胶产生凝聚和沉淀的现象;在有蒸发的情况下,由于水份蒸发导致SiO₂固体含量增加,溶胶变粘稠,但仍无凝聚和沉淀层现象产生。此时加入一定量的去离子水并搅拌,仍能恢复SiO₂溶胶的初始状态。上述现象说明,不论是NaOH还是有机碱作为溶胶的碱性物质以及溶胶浓度变化都对SiO₂溶胶的稳定性影响不大。

2.2.2 pH值对SiO₂溶胶稳定性的影响

用分散剂和NaOH配制成不同pH值的水溶液,分别加入相同重量的非烘型SiO₂,搅拌均匀,分别测定其pH值并记录溶液的胶凝时间,绘出其关系曲线示于图2。由图2看出,在本试验条件下,SiO₂溶胶的稳定性随pH值增大而增大,当pH值>8.5时,溶胶可达到非常稳定的状态。

图2 pH值对溶液凝聚的影响

2.2.3温度对SiO₂溶胶稳定性的影响

图3示出了温度对含NaOH的SiO₂溶胶稳定性的影响。从图可以看出,在低于50℃的温度范围内,温度对SiO₂溶胶稳定性无明显影响。室温下该溶胶放置两个月,未见凝聚和沉淀现象产生。但当温度升至55～90℃范围时,则温度影响较大。当温度≥90℃时,由于溶胶颗粒变化而产生部分沉淀。

图3 温度对含SiO2溶胶稳定性的影响

2.3 SiO2溶胶的可过滤性

SiO₂溶胶在放置过程中,让其水份自然蒸发,最终变成粘稠状,再用去离子水将其稀释成含SiO₂低于50%(质量分数)的胶体,用相应的NaOH和有机碱或盐酸将pH值调整至大于8.5,两种SiO₂胶体都恢复到乳白色的溶胶状态。用中速滤纸过滤,几乎100%的溶胶都可通过滤纸,用肉眼难以观察到滤上物。过滤的目的是避免粗颗粒物质进入SiO₂溶胶,以确保硅片抛光质量,同时也使抛光液再生处理成为可能。

2.4 SiO2溶胶的物理化学性能

表1列出SiO₂溶胶的物化性能及与文献值 ^[1] 的比较。可以看出,本溶胶的主要性能,如胶粒直径、pH值、粘度及Na⁺含量等均与文献值接近。

3结语

1.本研究以自制非烘型SiO₂、NaOH以及有机碱为原料,制成两种乳白色的能通过中速滤纸的碱性SiO₂溶胶。溶胶平均粒径在50～70 nm范围,且该溶胶几乎100%能通过中速滤纸,从而确保溶胶中SiO₂粒度细微均匀,有利于提高硅片表面抛光质量。

2.两种SiO₂溶胶性能稳定。当SiO₂浓度低于50%(质量分数)、pH=8.5～11时,溶胶可以长时间存放,而不会凝聚和沉淀分层。

3.在非密封条件下存放,由于水份蒸发而SiO₂含量增加导致溶胶粘稠只要用去离子水相应NaOH、有机碱和盐酸等调配成含SiO₂小于5%(质量分数)、pH=8.5～11,溶胶即可恢复初始状态,仍能通过中速滤纸。表明该溶胶在大气中物化性能稳定,同时为抛光液再生提供可能。

表1 SiO₂溶胶的物化性能及与文献值的比较  下载原图

4.分别使用NaOH或有机碱为介质,硅溶胶性能无明显差异

参考文献

[1] 　刘凤伟, 曹国琛- 电子与自动化- 1996,(2) :10

[2] 　刘凤伟, 汪光裕, 赵国安等- 稀有金属-1984,(2):101

[3] 　刘凤伟, 孙木根, 金胜祖等- 半导体杂志- 1987,(6) :1

[4] 　刘凤伟, 章纪定, 侯连武等- 电子与自动化- 1983,(1) :9