摘要：在硅片研磨過程中，由于應(yīng)力的積累和劇烈的機(jī)械作用，硅片表面損傷嚴(yán)重，碎片率增加。介紹了一種改進(jìn)的研磨液，不但把劇烈的機(jī)械作用轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^緩和的化學(xué)-機(jī)械作用，還能起到其他較好的輔助作用并對其各成分作用，進(jìn)行了理論分析。硅片表面狀態(tài)得到了一定程度的改善，提高了生產(chǎn)效率。
1引言
在微電子工藝中，從半導(dǎo)體單晶硅的拉制、加工、到器件的制備，都會產(chǎn)生大量的應(yīng)力；從硅棒的拉制、切片、磨片到后來的拋光，都伴隨著大量的機(jī)械加工過程及大量的熱量產(chǎn)生，從而在硅片中產(chǎn)生大量的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力5。磨片在硅片的制備過程中占有重要地位，它是切片后硅片表面的*次機(jī)械加工，為硅片的下一步加工打下了基礎(chǔ)。由于脆性材料的表面張力大和前面工序應(yīng)力的積累，再加上劇烈的研磨機(jī)械作用，使硅片表面極易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致崩邊、碎片，對后續(xù)工藝造成惡劣的影響。由于現(xiàn)今國內(nèi)許多半導(dǎo)體企業(yè)在這道工序中只是使用簡單的自來水冷卻、清洗，缺乏*的技術(shù)指導(dǎo)，因此出現(xiàn)的問題更加嚴(yán)重6。硅片表面狀態(tài)直接影響器件的線寬容量、工藝范圍、產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。特征尺寸的連續(xù)縮小對硅片表面質(zhì)量的要求不斷提高7。所以如何解決這道工序中的問題有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
2原理分析和試驗
2.1研磨液的應(yīng)用
研磨液的引入使解決上述問題成為可能。傳統(tǒng)的減小應(yīng)力方法多采用增加切削、研磨漿液的潤滑性，提高漿液的散熱能力，以迅速擴(kuò)散加工產(chǎn)生的大量熱量，減少熱應(yīng)力8。我校將cmp技術(shù)的某些機(jī)理引入到硅片切削和磨削工藝中，根據(jù)硅的化學(xué)作用，采用堿性漿液，加入多種活性劑，改進(jìn)漿液的物理化學(xué)特性，增加加工工程中的化學(xué)作用，極大地改進(jìn)了加工工藝，緩和了劇烈的機(jī)械作用。研磨液由多種成分組成，主要包括：有機(jī)堿、表面活性劑和鰲合劑。使用有機(jī)堿是為了防止引入雜質(zhì)金屬離子給以后器件造成的致命傷害。原理如下
si+2oh-＋h2o→sio3-＋2h2↑
在加工過程中，硅片可以與研磨液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高了研磨速率且緩和了單純、劇烈的機(jī)械作用。此實(shí)驗就是為了分析采用不同漿液測得的應(yīng)力大小和硅晶片的機(jī)械損傷，比較哪一種研磨液效果比較好。
2.2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(zhì)9。具有在兩種物質(zhì)間的界面上易于聚集，能顯著改變這兩種物質(zhì)間的界面性質(zhì)，尤其是顯著降低溶劑表面張力和物質(zhì)界面張力，并具有一定結(jié)構(gòu)、親水親油特性和特殊吸附性能的物質(zhì)10。根據(jù)親水基的不同結(jié)構(gòu)，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11。單個活性劑分子在水溶液中總是不停轉(zhuǎn)動，當(dāng)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(shù)是以半膠束或膠束狀態(tài)存在12。如果將硅片置于活性劑水溶液中，活性劑分子會被硅片表面吸附，極性的親水基與硅片會形成多點(diǎn)吸附?；钚詣┓肿釉诠杵砻娴奈绞且杂H水基向著硅片的，隨著活性劑分子在水溶液中濃度的增加，會在硅片表面形成單分子層結(jié)構(gòu)、雙分子層結(jié)構(gòu)甚至半膠束結(jié)構(gòu)吸附13141516。
當(dāng)雜質(zhì)顆粒以物理吸附的形式吸附于硅片表面時，向溶液中加入表面活性劑，活性劑分子會借助潤濕作用迅速在硅片和顆粒的表面鋪展開，形成一層致密的保護(hù)層?；钚詣┓肿佑H水基會與硅片表面形成多點(diǎn)吸附，顆粒在硅片表面移動時，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，積極地向硅片與顆粒的接觸縫隙間伸入，隨時與硅片和顆粒上出現(xiàn)的剩余自由鍵相吸引、結(jié)合，促使硅片與顆粒間作用的鍵力越來越小，顆粒與硅片的吸附力不斷減弱，zui終將整個顆粒從硅片表面分離開?；钚詣┓肿釉诠杵皖w粒表面形成致密的質(zhì)點(diǎn)保護(hù)層，防止顆粒與硅片形成二次吸附，至此完成了顆粒從硅片表面的解吸17181920。
2.3鰲合劑原理
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面，前幾道工序中（例如：滾圓、切割、導(dǎo)角）還會帶入銅、鎂、鈣等金屬離子。金屬離子能級處于硅晶體的禁帶中央附近，稱之為深能級雜質(zhì)，起著電子和空穴的復(fù)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*。鰲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(jī)結(jié)構(gòu)中的主要成分是鰲合環(huán)，它的兩端有n-o共用電子對，它和金屬離子作用，將其拉向鰲合環(huán)，把金屬離子包裹進(jìn)去，即鰲合作用。
2.4實(shí)驗過程及分析
2.4.1試驗條件和器材
條件：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，24℃
器材：jzhy-180界面張力儀、mettlertoledo320ph計、φ1.5毛細(xì)管黏度計、電子稱、秒表、卓倫微納米200原子力顯微鏡、金相顯微鏡、粒徑104.3μm的sic金剛砂。
2.4.2研磨液的配比試驗
因為研磨液在降低表面微細(xì)裂紋，制止應(yīng)力累積等方面起著重要作用，所以首先做的是研磨液的配比實(shí)驗。我校研磨液存在的主要問題是磨料在研磨液中懸浮性、分散性不好，造成研磨液的使用不便。因此如何很好地提高研磨液懸浮性和穩(wěn)定性是要解決的主要問題。主要考慮添加合適的表面活性劑并合理調(diào)整各種成分的配比來解決以上問題。實(shí)驗采用分散劑溶液1和2進(jìn)行比較，見表1。固體分散劑和去離子水以1:0.7的比例溶解成分散劑溶液1，固體分散劑和去離子水以1:l的比例溶解成分散劑溶液2。
表1溶液1和溶液2的比較
在配制過程中，分散劑溶液1的效果不是很好，黏度太大，在溶解之后溶液中有部分白色固體，考慮主要是由于溶液中分散劑的比例過高造成溶液飽和而析出的晶體，因此在之后的實(shí)驗中主要使用分散劑溶液2。
研磨液的ph值在使用中應(yīng)為堿性12~13之間*，之后要添加堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)研磨母液的ph值。原有研磨液中使用有機(jī)堿，調(diào)整ph值時發(fā)現(xiàn)溶液的ph值增加效果不明顯，其溶液容易發(fā)生凝固，因此實(shí)驗考慮使用堿性更大的無機(jī)堿溶液，將固體無機(jī)堿使用1:1的去離子水溶解配成無機(jī)堿溶液。調(diào)節(jié)添加無機(jī)堿溶液ph值的實(shí)驗結(jié)果，見表2（比例均為體積比）。
表2調(diào)節(jié)添加無機(jī)堿溶液ph值的實(shí)驗
分散劑溶液2加無機(jī)堿溶液的研磨母液在10:1~50:1范圍內(nèi)ph值比較穩(wěn)定，其他參數(shù)均沒有大的變化。取16:1的濃度作為母液，加入兩種活性劑和少量潤滑劑。兩種活性劑的參數(shù)比較如圖l,2,3所示。
研究發(fā)現(xiàn)添加活性劑1的研磨漿液更加澄清，說明添加活性劑1的研磨漿液中的金剛砂沉淀的更*，溶液中懸浮的金剛砂微粉更少，但是從磨片生產(chǎn)的實(shí)際要求來看，我們還需要考慮研磨漿液再沉淀之后溶液還能搖晃起金剛砂微粉的能力——再分散性。再分散性好，會使硅片與金剛砂充分接觸，受力均勻使碎片機(jī)率一下降，表面質(zhì)量提高；另外，可以提高金剛砂利用率，大幅度提高研磨速率。再添加不同比例活性劑沉淀兩天后的研磨液進(jìn)行搖動發(fā)現(xiàn)，雖然添加不同比例的活性劑1研磨漿液上層較為澄清，但是它能搖晃起金剛砂的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于添加不同比例的活性劑2研磨漿液。在搖動研磨漿液的過程中還發(fā)現(xiàn)，添加不同比例的活性劑2研磨漿液特別容易發(fā)泡，而且泡沫的量很大，所以添加不同比例的活性劑1研磨漿液的懸浮性能相比之下更好。
2.4.3不同研磨液的磨片效果
使用天津環(huán)歐半導(dǎo)體材料技術(shù)有限公司磨片車間加工的樂山研磨液和我校研磨液研磨的硅晶片，在我校超凈實(shí)驗室使用卓倫微納米200原子力顯微鏡進(jìn)行觀察。
對比分析可知：我校的磨片表面狀況比較好。圖4的紋路多而密集，平坦度較差；圖5的硅片表面劃道少，損傷小，比較平坦。再將我校研磨液研磨的硅片和樂山研磨液研磨的硅片和潔潔靈研磨的硅片用金相檢測表面狀態(tài)、損傷層，對比圖為圖6~11（下圖均是放大500倍）。
對比發(fā)現(xiàn)，我校研磨液研磨的硅片表面狀態(tài)要比用樂山的研磨液和潔潔靈的好，表面劃傷小，裂紋比較細(xì)微，而另一個裂紋粗而深，說明應(yīng)力積累比較嚴(yán)重。
結(jié)論
在實(shí)驗中使用無機(jī)堿溶液代替了原有研磨液中的有機(jī)堿，發(fā)現(xiàn)無機(jī)堿溶液對研磨液ph值控制得更加穩(wěn)定。當(dāng)分散劑溶液2：無機(jī)堿溶液2=16:1（該比例是折中選擇）時，研磨母液ph值、表面張力、黏度都比較穩(wěn)定。改變研磨液的主要成分（分散劑、潤滑劑）的濃度和表面活性劑的比例可以用來改變懸浮和分散效果。選擇研磨母液：表面活性劑l：潤滑劑=94:6:1時溶液效果。通過對硅片表面狀態(tài)的對比分析，發(fā)現(xiàn)我校研磨液研磨的硅片表面損傷小，劃道少，裂紋細(xì)小。通過以上實(shí)驗分析，得出在研磨液中加入化學(xué)成分，變單一的機(jī)械作用為機(jī)械-化學(xué)作用，減小了硅片的損傷。以上的實(shí)驗數(shù)據(jù)與構(gòu)想的理論數(shù)據(jù)值相吻合，由于測試條件和時間限制，不能分別對以上配比的研磨液進(jìn)行應(yīng)力測試分析，只能通過金相檢測表面狀態(tài)、損傷層，對表面應(yīng)力狀態(tài)做出定性結(jié)論，但在實(shí)際生產(chǎn)中河南鄉(xiāng)丹半導(dǎo)體材料有限公司已經(jīng)將此應(yīng)用到了生產(chǎn)實(shí)踐中，表面狀態(tài)明顯提高，粗糙度下降。由于加入了化學(xué)作用，生產(chǎn)效率提高了15％-20%，因此論證了引入研磨液的正確性。
（文章來源：深圳市萊納克科技有限公司）