简介概要

硅单晶片研磨液的研究

来源期刊：稀有金属2001年第6期

论文作者：檀柏梅孙光英刘玉岭蒋建国

关键词：研磨液; 悬浮; 金属离子; 颗粒吸附; 表面活性剂;

摘要：论述了研磨液在硅单晶片加工中所起的重要作用以及当今国内外研磨液的发展状况,通过实验研究有效地解决了目前研磨液存在的悬浮、金属离子的去除及表面颗粒吸附问题,并对研磨液的污染及其净化处理进行了分析.

稀有金属 2001,(06),431-433 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.06.008

硅单晶片研磨液的研究

檀柏梅孙光英蒋建国

河北工业大学微电子研究所,河北工业大学微电子研究所,河北工业大学微电子研究所,河北工业大学微电子研究所天津300130 ,天津300130 ,天津300130 ,天津300130

摘要：

论述了研磨液在硅单晶片加工中所起的重要作用以及当今国内外研磨液的发展状况 , 通过实验研究有效地解决了目前研磨液存在的悬浮、金属离子的去除及表面颗粒吸附问题 , 并对研磨液的污染及其净化处理进行了分析。

关键词：

研磨液;悬浮;金属离子;颗粒吸附;表面活性剂;

中图分类号： TN305.2

收稿日期：2000-12-18

Study on Grinding Fluid for Silicon Wafer

Abstract：

The act on grinding fluid in the silicon wafer pro duction and the development of grinding fluid at home and abroad was expounded. Many experiments were accomplished to solve the problems effectively wh ich includes suspending, eliminating the metal ion, the absorbing of particles o n the surface. The pollution and purify was analyzed.

Keyword：

Grinding fluid; Suspension; Metallic ion; Abso rbed particle; Surfacant;

Received： 2000-12-18

随着电子工业的迅猛发展, 以单晶硅片为衬底的IC集成度越来越高, 其特征几何尺寸预计在 2010年将达到 0.05μm。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。

根据国内有关资料报道, 在国内处于领先地位的研磨液是由润滑剂、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制而成, 具有一定的润滑积压性、冷却、清洗、防锈性;但具有悬浮能力差、浓缩度低 (一般稀释 3.3 倍水) 和金属离子含量高等缺点。

在国际上, 美国发明的多氨 19-C 是世界上先进的悬浮状研磨液。其特征为:具有非常高的稀释能力, 大约可掺入 12~14 倍的水;在很高的稀释情况下有着超强的悬浮特性且完全水溶;而且 19-C 具有生物降解能力。19-C 是一种白色略带刺激性气味的奶状液体, 显弱碱性;但其价格昂贵、粘度大、表面吸附比较严重, 难以清洗, 这直接影响磨片的一次成品率, 且对下道工序及高质量器件制备带来危害。所以如何提高研磨液性能, 提高研磨效率, 减小硅粉粒子、磨料、金属离子在表面的吸附, 便于清洗是当前硅片研磨工艺中急待解决的课题。本文通过大量的对比实验研究, 对研磨液成分的选择及配比进行了分析优化, 提高了研磨液的悬浮性, 并便于清洗。

1 理论分析

由于国内外的磨削液都存在一定的缺陷, 这会影响器件的生产、加工质量与效率的进一步提高。如果悬浮性不好, 分散不均匀, 则会使表面平整度大大下降且容易产生划伤。如果金属离子含量过高, 它们将在位于硅晶体的禁带中央附近起着电子和空穴的复合中心的作用, 使晶体中少子寿命降低, 漏电流增加, 从而使超大规模集成电路的性能劣化。而且金属杂质在硅中有很大的扩散系数, 将进入硅片内部, 使器件漏电流增加, p-n 结软击穿, 特别对双极型器件 E-C 来说, 材料电阻率也会发生变化 ^[1] 。如果颗粒吸附比较严重, 则难以清洗。大功率整流器件、二极管等均用磨片直接作衬底, 另外高质量磨片是保证高质量抛光的基础。而往往磨片清洗不干净不能进入下道工序, 返修率很高。又由于该关键问题涉及的技术性强、文献报道少, 也增大了解决问题的难度。

基于以上所说的当今国内外生产的磨削液所存在的缺点, 提出以下几点解决方案:首先, 为解决悬浮性差的问题, 研究选择加入适当的分散剂来增强其悬浮性;其次, 对于金属离子含量高的缺陷, 通过加入不含金属离子的高效螯合剂加以去除;最后, 关于颗粒吸附严重、难以清洗的问题, 通过在磨削加工的磨削液中选择适宜的表面活性剂 (如:渗透剂 JFA/O) 予以改善。

2 实验研究

通过大量试验, 选择研磨液成分 (具有聚氧乙烯结构) 包括:渗透剂 JFA/O、润滑剂、分散剂、胺碱溶液、蒸馏水等 ^[2] 。实验设备有超声波清洗机 TCQ′250 等。改变研磨液的主要成分 (分散剂、润滑剂) 的浓度比例来测试悬浮和分散效果, 得出适宜的浓度配比;通过研磨和超声实验测试, 优化减小颗粒吸附的解决方法。

(1) 不同润滑剂的同浓度比较 (实验中加入总溶液体积4%的金刚砂) , 结果如表1所示。

表1 不同润滑剂的实验结果Table 1 Results with different lubricant

润滑剂	渗透剂 JFA/O /%	蒸馏水 /%	胺碱 /%	30min后实验现象
4^#	1	50	45	沉淀完全
7^#	1	50	45	没有沉淀完全, 但透明性差
10^#	1	50	45	沉淀不明显, 且溶液颜色均一

由实验可知:由于同系物中亲水基的分子量是 10^#>7^#>4^#, 所以10^# 的分散性能最好, 固-液混合比较完全, 溶液的颜色呈现均一;悬浮作用强, 使得相同时间内金刚砂在大分子量物质中更不容易产生沉淀。

(2) 同一润滑剂不同浓度的比较 (以 10^#为例, 加入总溶液体积4%的金刚砂) , 结果如表2所示。

表2 润滑剂不同浓度的实验结果Table 2 Results with different concentration of same lubricant

渗透剂 JFA/O /%	胺碱 /%	润滑剂 /%	蒸馏水 /%	一定时间后的实验现象
1	30	1	68.9	沉淀完全
1	30	3	66	几乎完全沉淀, 摇动时有泡沫
1	30	7	62	沉淀不完全, 但溶液颜色不均一
1	30	30	39	没有泡沫, 粘稠性好, 沉淀不多

由此看出, 对于同一类表面活性剂来说, 选择不同的浓度将对沉淀产生不同的影响, 浓度大的溶液的分散、悬浮效果更加优良且溶液特性好。

(3) 对比实验 (加入总溶液体积 4% 的金刚砂) , 实验结果如表3所示。

实验表明:对于都具有聚氧乙烯结构的非离子表面活性剂来说, 聚氧乙烯链越长 (即亲水基分子量越大) , 其悬浮性越好;且对于同一类表面活性剂, 浓度越高的研磨液性能和分散性能越优良。

表3 不同浓度的对比结果Table 3 Phenomena of grinding slurry with different content

渗透剂 JFA/O /%	10^# 润滑剂 /%			分散剂 /%		胺碱 /%		蒸馏水 /%		1h 后的实验现象
2		4	4		30		60		溶液分层 (分散剂悬浮在溶液上层) , 比较容易沉淀
2		无	8		30		60		溶液也分层, 沉淀比上面的少, 但悬浮性不好
2		无	28		30		40		溶液不分层, 颜色均一, 悬浮性最好, 没有沉淀
2		8	无		30		60		沉淀速度最快, 几乎完全沉淀, 但溶液颜色均一

(4) 颗粒吸附解决方案

目前, 磨片清洗工艺有两种: (a) 单片擦洗; (b) 首先单片超声清洗, 然后放入 pH=12~13 的强碱清洗液中超声清洗2次, 最后在纯水中超声清洗2次。清洗工艺如此复杂, 用脱脂棉擦试后, 硅片表面仍呈黄黑色, 这一直是 19-C 没有解决的问题。

本实验在研磨液 19-C 中稀释 13倍水后分成2份:一份作参比, 另一份加入1% (体积分数) 的特选 JFA/O 渗透剂。每次将6片硅片分为2组在以上2份溶液中进行研磨。研磨后放到50℃的纯水中进行超声清洗。每组超声清洗的时间相同, 一般超声清洗2次。实验完毕后, 将硅片取出, 用酒精棉球擦试并观察, 结果如表4所示。

表4 JFA/O 渗透剂对研磨的影响Table 4 Influence of lubricant JFA/O on grinding effect

渗透剂 JFA/O	超声清洗时间/min
渗透剂 JFA/O	1	5	10	20
无	很黑	黑	较黑	黄色
1%	较黑	较黑	不太黑	干净

超声时间比较短时 (20 min 内) , 用含有 JFA/O 的研磨液研磨的硅片表面清洁度远远好于用未加 JFA/O 的研磨液研磨的硅片。当清洗时间延长至 10 min 时, 经含 JFA/O 研磨液研磨的硅片表面已达到了平整、光滑、干净的要求, 而只用 19-C 研磨的硅片, 擦试表面后棉球仍然呈现黄色, 这证明清洗不干净, 仍有颗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纯水超声清洗 20 min 以上即可达到理想效果, 这不仅降低了工序的复杂性, 提高了工作效率, 而且由于不使用强碱研磨清洗液而节约了资金, 提高了经济效益。

3 结果分析

由实验1、2、3可以看出, 表面活性剂分子量的大小和浓度的高低都对其悬浮性质有比较显著的影响。同系物中亲水基碳氢链的增加 (即分子量增加) 对性质影响的一般规律是:表面活性剂亲水基分子量较小时, 其润湿性、渗透作用比较好;分子量较大时, 其分散作用性能较为优良 ^[3] 。聚氧乙烯链长的化合物比短的化合物具有更大的空间斥力位垒, 可以进一步减少颗粒之间的范德华吸力位能, 具有更好的悬浮性能 ^[4] 。而且一般情况下溶液浓度稠时有较高的吸附量, 吸附越多, 磨料被包围的越紧密, 彼此之间越不易产生亲和力而形成胶团, 这样就不容易形成沉淀, 即分散悬浮性能越好 ^[5] 。

由实验4可以看出, 只在研磨加工工序中加入少量的渗透剂 JFA/O, 就可以给研磨之后的清洗工序带来很大的便利, 且能有效地去除吸附在器件表面的杂质颗粒, 达到清洁、光滑的满意效果。这是由于渗透剂 JFA/O 可以渗入硅片表面及吸附物之间, 并向深处扩散, 如同向界面打入了一个“楔子”, 起到劈开的作用, 将颗粒托起;活性剂分子取而代之吸附在硅片表面上, 同时颗粒的周围也吸附了一层活性剂分子, 防止颗粒化学吸附在新生表面上。由于活性剂分子粒径很大, 没有剩余的键, 不易形成像金刚砂颗粒之间那样的化学键合, 只是形成范德华力很小的物理键合, 由于吸附状态不同, 所以活性剂分子较杂质颗粒更容易清洗 ^[6,7,8] 。