研磨液對硅片加工的發(fā)展前景

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)生大量的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。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第一次機械加工，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械作用，使硅片表面極易產(chǎn)生裂紋，嚴重的還會導(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，缺乏先進的技術(shù)指導(dǎo)，因此出現(xiàn)的問題更加嚴重。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，所以如何解決這道工序中的問題有很大的現(xiàn)實意義。

1 原理分析
1.1 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，以迅速擴散加工產(chǎn)生的大量熱量，減少熱應(yīng)力。我們將CMP技術(shù)的某些機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：有機堿、表面活性劑和螯合劑。使用有機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。

1.2 螯合劑應(yīng)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(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(jié)構(gòu)中的主要成分是螯合環(huán)，它的兩端有N-O共用電子對，它和金屬離子作用，將其拉向螯合環(huán)，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(zhì)。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)。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。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。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吸附。活性劑分子在硅片表面的吸附是以親水基向著硅片的，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。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層?；钚詣┓肿佑H水基會與硅片表面形成多點吸附，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，最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)點保護層，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。

2 各種研磨液的特點
洛陽軸承廠研制的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制而成，具有一定的潤滑積壓性。對提高生產(chǎn)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(chǎn)品具有懸浮能力差、濃縮度低和金屬離子含量高等缺點。

陜西省石油化工設(shè)計院生產(chǎn)的WE-1防銹研磨液，外觀為微黃色透明液體，無異味，易溶于水，pH值呈微堿性，防銹能力很強，對部件及研磨機保護效果好。使用時與水、研磨砂配合，適用于人造水晶、藍寶石、單晶硅、光學(xué)玻璃等的片面研磨與拋光。產(chǎn)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，晶片研磨后一致性好、平行度高。本產(chǎn)品稀釋倍數(shù)高，可降低成本，比日本101防銹水性能更優(yōu)越。研磨時使用方法：研磨砂2.5 kg、水4 800 mL、防銹研磨液200 mL，各廠家可根據(jù)自己的設(shè)備、物料進行配比。做高檔產(chǎn)品時，水與防銹研磨液比例為20∶1。

美國發(fā)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，顯弱堿性。但其價格昂貴，黏度大，表面吸附比較嚴重難以清洗，導(dǎo)致磨片清洗后表面易出花斑，pH值在8左右，堿性較弱，滲進性較差，不能很好地消除應(yīng)力積累。隨著器件結(jié)深越來越淺，很小的應(yīng)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(yè)大學(xué)微電子技術(shù)與材料研究所經(jīng)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、防銹性，對提高生產(chǎn)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(dāng)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(zhì)。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。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。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吸附。活性劑分子在硅片表面的吸附是以親水基向著硅片的，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。

當(dāng)固體顆粒團塊受到機械力作用時，會產(chǎn)生微裂縫，但它很容易通過自身分子力的作用而愈合。當(dāng)分散介質(zhì)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(tǒng)的表面吉布斯函數(shù)越小。因此表面活性物質(zhì)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并能向深處擴展，產(chǎn)生一種“劈裂作用”。在這種劈裂力的作用下微裂痕不但無法愈合，而且越來越深和擴大，有的最后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(zhì)的濃度足夠大時，液體中的顆粒會被憎水基向內(nèi)、親水基向外的活性物質(zhì)分子包圍著，相互間斥力大于引力，所以相互間分散性好，且沉淀后易搖起；懸浮性好，可以使研磨用的金剛砂均勻地懸浮起來，使硅片在研磨時受力均勻。

當(dāng)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層?；钚詣┓肿佑H水基會與硅片表面形成多點吸附，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少，顆粒與硅片的吸附力不斷減弱，最終將整個顆粒從硅片表面分離開。活性劑分子在硅片和顆粒表面形成致密的質(zhì)點保護層，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。

3.2 分子結(jié)構(gòu)對活性劑的影響

表面活性劑的種類繁多，對于一定系統(tǒng)研究采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(dǎo)。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(biāo)。由于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(zhì)溶于水的能力，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(dāng)憎水基團鏈長增加時，效率提高，但當(dāng)鏈長相當(dāng)長時，再增加鏈長往往使表面活性劑的有效值降低。當(dāng)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(dāng)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?？傊L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于親水基團在中央的同系物差得多。離子型表面活性劑由于親水基團在水中電離而產(chǎn)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(qū)間，表面張力隨表面活性劑濃度的增加而急劇下降，以后逐漸平穩(wěn)。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。

由于憎水基的憎水性和親水性在大多數(shù)情況下不能用同樣的單位來衡量，基于此，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(guī)定親油性強的石蠟的HLB值等于0；親水性強的聚乙二醇的HLB值等于20。以此標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)該從其憎水基鏈的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。