研磨液對矽片加工的發展前景

樊樹斌中國電子科技集團公司第四十六研究所

在微電子工藝中，從半導體單晶硅的拉制、加工到器件的製備，都會產生大量的應力；從硅棒的拉制、切片、磨片到後來的拋光，都伴隨著大量的機械加工過程及大量的熱量產生，從而在矽片中產生大量的機械應力和熱應力。磨片在矽片的製備過程中佔有重要地位，它是切片後矽片表面的第一次機械加工，為矽片的下一步加工打下了基礎。由於脆性材料的表面張力大和前面工序應力的積累，再加上劇烈的研磨機械作用，使矽片表面極易產生裂紋，嚴重的還會導致崩邊、碎片，對後續工藝造成惡劣的影響。由於現今國內許多半導體企業在這道工序中只是使用簡單的自來水冷卻、清洗，缺乏先進的技術指導，因此出現的問題更加嚴重。矽片表面狀態直接影響器件的線寬容量、工藝範圍、產量和生產能力。特徵尺寸的連續縮小對矽片表面質量的要求不斷提高，所以如何解決這道工序中的問題有很大的現實意義。

1　原理分析

1.1　研磨液的應用

研磨液的引入使解決上述問題成為可能。傳統的減小應力方法多採用增加切削、研磨漿液的潤滑性，提高漿液的散熱能力，以迅速擴散加工產生的大量熱量，減少熱應力。我們將CMP技術的某些機理引入到矽片切削和磨削工藝中，根據硅的化學作用，採用鹼性漿液，加入多種活性劑改進漿液的物理化學特性，增加加工工程中的化學作用，極大地改進了加工工藝，緩和了劇烈的機械作用。研磨液由多種成分組成主要包括：有機鹼、表面活性劑和螯合劑。使用有機鹼是為了防止引入雜質金屬離子給以後器件造成的致命傷害。

1.2　螯合劑應用

在研磨加工過程中不可避免要引入大量的金屬離子，例如磨盤上的鐵離子在研磨過程中可能會被吸附在加工材料的表廄，前幾道工序中 (例如：滾圓、切割、導角)還會帶入銅、鎂、鈣等金屬離子。金屬離子能級處於硅晶體的禁帶中央附近，稱之為深能級雜質，起著電子和空穴的複合中心作用，使晶體中少子壽命大大下降，漏電流增加。因此螯合劑的使用成為必不可少。螯合劑的主要作用便是去除金屬離子，因為這種表面活性劑的有機結構中的主要成分是螯合環，它的兩端有N-O共用電子對，它和金屬離子作用，將其拉向螯合環，把金屬離子包裹進去，即螯合作用。

1.3　表面活性劑作用及原理

表面活性劑就是使表面具有活性性質。具有在兩種物質間的界面上易於聚集，能顯著改變這兩種物質間的界面性質，尤其是顯著降低溶劑表面張力和物質界面張力，並具有一定結構、親水親油特性和特殊吸附性能的物質。根據親水基的不同結構，可將表面活性劑分為離子型表面活性劑、非離子表面活性劑和特殊表面活性劑。單個活性劑分子在水溶液中總是不停轉動，當兩個活性劑分子的憎水基相遇時，總是相互吸引以求降低所受斥力。因此，除極稀溶液外，活性劑分子在水溶液中多數是以半膠束或膠束狀態存在。如果將矽片置於活性劑水溶液中，活性劑分子會被矽片表面吸附，極性的親水基與矽片會形成多點吸附。活性劑分子在矽片表面的吸附是以親水基向著矽片的，隨著活性劑分子在水溶液中濃度的增加，會在矽片表面形成單分子層結構、雙分子層結構甚至半膠束結構吸附。當雜質顆粒以物理吸附的形式吸附於矽片表面時，向溶液中加入表面活性劑，活性劑分子會藉助潤濕作用迅速在矽片和顆粒的表面鋪展開，形成一層緻密的保護層。活性劑分子親水基會與矽片表面形成多點吸附，顆粒在矽片表面移動時，滲透壓使溶液中自由的活性劑分子及已吸附的活性劑分子的親水基上未吸附的自由部分，積極地向矽片與顆粒的接觸縫隙間伸入，隨時與矽片和顆粒上出現的剩餘自由鍵相吸引、結合，促使矽片與顆粒間作用的鍵力越來越小，顆粒與矽片的吸附力不斷減弱，最終將整個顆粒從矽片表面分離開。活性劑分子在矽片和顆粒表面形成緻密的質點保護層，防止顆粒與矽片形成二次吸附，至此完成了顆粒從矽片表面的解吸。

2　各?種研磨液的特點

洛陽軸承廠研製的IZ83-1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製而成，具有一定的潤滑積壓性。對提高生產效率、加工工件表面光潔度、沙粒消耗降低、增加壽命等方面均有一定的效果。但該產品具有懸浮能力差、濃縮度低和金屬離子含量高等缺點。

陝西省石油化工設計院生產的WE-1防鏽研磨液，外觀為微黃色透明液體，無異味，易溶於水，pH值呈微鹼性，防鏽能力很強，對部件及研磨機保護效果好。使用時與水、研磨砂配合，適用於人造水晶、藍寶石、單晶硅、光學玻璃等的片面研磨與拋光。產品含有特殊的流動控制成分，使研磨砂在晶片表面均勻分布，晶片研磨後一致性好、平行度高。本產品稀釋倍數高，可降低成本，比日本101防鏽水性能更優越。研磨時使用方法：研磨砂2.5 kg、水4 800 mL、防鏽研磨液200 mL，各廠家可根據自己的設備、物料進行配比。做高檔產品時，水與防鏽研磨液比例為20∶1。

美國發明的多氨19-C具有非常高的稀釋能力，大約為1∶12～1∶14的比例摻入水。19-C在很高的稀釋情況下有著超強的懸浮特性且完全水溶，具有生物降解能力，是一種白色、有微刺激性氣味的奶狀液體，顯弱鹼性。但其價格昂貴，黏度大，表面吸附比較嚴重難以清洗，導致磨片清洗後表面易出花斑，pH值在8左右，鹼性較弱，滲進性較差，不能很好地消除應力積累。隨著器件結深越來越淺，很小的應力造成的缺陷與離子污染也可能造成軟擊穿。以上因素直接影響磨片的一次成品率且給下道工序帶來危害。

河北工業大學微電子技術與材料研究所經專家評審的FA/O切削液、倒角液、磨削液是潤滑劑、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置而成，能大幅度提高研磨速率，具有一定的潤滑積壓性、冷卻、清洗、防鏽性，對提高生產效率、加工工件表面光滑度、沙粒消耗降低、增加壽命等方面均有一定的效果、但是，增加磨料的懸浮能力和降低表面張力，仍然是當前急需解決的問題。

3　原理和改進方向

3.1　活性劑的基本作用

表面活性劑是在表面具有表面活性的物質。根據親水基的不同結構，可將表面活性劑分為：離子型表面活性劑、非離子表面活性劑和特殊表面活性劑。單個活性劑分子在水溶液中總是不停轉動，當兩個活性分子的憎水基相遇時，總是相互吸引以求降低所受斥力。因此，除極稀溶液外，活性劑分子在水溶液中多數是以半膠束或膠束狀態存在。如果將矽片置於活性劑水溶液中，活性劑分子會被矽片表面吸附，極性的親水基與矽片會形成多點吸附。活性劑分子在矽片表面的吸附是以親水基向著矽片的，隨著活性劑分子在水溶液中濃度的增加，會在矽片表面形成單分子層結構、雙分子層結構甚至半膠束結構吸附。

當固體顆粒團塊受到機械力作用時，會產生微裂縫，但它很容易通過自身分子力的作用而癒合。當分散介質中有表面活性劑存在時，它能很快地定向排列在固體顆粒的表面，使固體顆粒的表面上的覆蓋率越大，表面張力降低得越多，則系統的表面吉布斯函數越小。因此表面活性物質不僅可自動吸附在顆粒的表面，而且還可自動地滲入到微細裂縫中並能向深處擴展，產生一種「劈裂作用」。在這種劈裂力的作用下微裂痕不但無法癒合，而且越來越深和擴大，有的最後被分裂成更小的顆粒，分散性提高，懸浮性也隨之提高。表面活性物質的濃度足夠大時，液體中的顆粒會被憎水基向內、親水基向外的活性物質分子包圍著，相互間斥力大於引力，所以相互間分散性好，且沉澱後易搖起；懸浮性好，可以使研磨用的金剛砂均勻地懸浮起來，使矽片在研磨時受力均勻。

當顆粒以物理吸附的形式吸附於矽片表面時，向溶液中加入表面活性劑，活性劑分子會藉助潤濕作用迅速在矽片和顆粒的表面鋪展開，形成一層緻密的保護層。活性劑分子親水基會與矽片表面形成多點吸附，顆粒在矽片表面移動時，滲透壓使溶液中自由的活性劑分子及已吸附的活性劑分子的親水基上未吸附的自由部分積極地向矽片與顆粒的接觸縫隙間伸入，隨時與矽片和顆粒上出現的剩餘自由鍵相吸引、結合，促使矽片與顆粒間作用的鍵力越來越少，顆粒與矽片的吸附力不斷減弱，最終將整個顆粒從矽片表面分離開。活性劑分子在矽片和顆粒表面形成緻密的質點保護層，防止顆粒與矽片形成二次吸附，至此完成了顆粒從矽片表面的解吸。

3.2　分子結構對活性劑的影響

表面活性劑的種類繁多，對於一定系統研究採用哪種表面活性劑比較合適，效率最高，目前還缺乏理論指導。一般認為，比較表面活性劑分子的親水基團的親水性和親油基的親油性是一項最重要指標。由於每一個表面活性劑分子都包含親水基團和憎水基團兩部分。親水基的親水性代表表面活性物質溶於水的能力，憎水基的憎水性代表溶油能力。

表面活性劑的效率是指水的表面張力明顯降低所需要的表面活性劑濃度。表面活性劑的有效值則是指該表面活性劑能夠把水的表面張力可能降低到最小值。當憎水基團鏈長增加時，效率提高，但當鏈長相當長時，再增加鏈長往往使表面活性劑的有效值降低。當憎水基團有支鏈或不飽和度增加時，效率降低，但有效值卻增加。當兩親分子中的親水基團由分子末端向憎水鏈中心位置移動時，效率降低，有效值卻增加。總之，長鏈一端帶有親水基的表面活性劑降低水表面張力的效率很高，但在有效值上比短鏈的同系物或具有支鏈、或親水基團在中央的同系物差得多。離子型表面活性劑由於親水基團在中央的同系物差得多。離子型表面活性劑由於親水基團在水中電離而產生了靜電排斥力，所以效率不高，但其有效值也不高。在低濃度區間，表面張力隨表面活性劑濃度的增加而急劇下降，以後逐漸平穩。此外，還說明了表面活性劑的效率隨鏈長的增加而增加，但長鏈的有效值比短鏈的同系物低。

由於憎水基的憎水性和親水性在大多數情況下不能用同樣的單位來衡量，基於此，格里芬提出用HLB值（親油親水平衡）來表示表面活性劑的親水性。HLB是一個相對值，人們規定親油性強的石蠟的HLB值等於0；親水性強的聚乙二醇的HLB值等於20。以此標準，定出其他表面活性劑的HLB值。HLB值越小，表面活性劑的親油性越強，反之親水性越強。

4　研究方向

綜上所述，為了提高研磨液的性能，提高懸浮性，進一步降低表面張力，我們應該從其憎水基鏈的結構入手，通過大量試驗，找出一個懸浮能力和表面張力都令人滿意的憎水基鏈的結構。

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