硅片研磨表面状态的改善和研磨液的改进

   摘要：在硅片研磨过程中，由于应力的积累和剧烈的机械作用，硅片表面损伤严重，碎片率增加。介绍了一种改进的研磨液，不但把剧烈的机械作用转变为比较缓和的化学-机械作用，还能起到其他较好的辅助作用并对其各成分作用，进行了理论分析。硅片表面状态得到了一定程度的改善，提高了生产效率。
   关键词：硅片；研磨；研磨液；应力；硅片制备；硅片研磨；表面研磨

The Improvement of Wafer Surface Condition and Polishing Slurry in the Process of Wafer Polishing
ZHANG Wei,ZHOU Jian-wei,LIU Yu-ling,LIU Cheng-lin 4

   Abstract:In the process of wafer polishing,the wafer surface could be damaged badly andrate will increase sharply,because of the accumulation of stress and the mechanical action.A kind ofpolishing slurry is introduced to change the fierce mechanical action into the tenderchemical-mechanical action,and some positive effect can also be made by it.The wafer surface condition is improved to some extent,and the production efficiency is increased.
   Key words:silicon wafer；polishing；polishing slurry；stress

1 引言

   在微电子工艺中，从半导体单晶硅的拉制、加工、到器件的制备，都会产生大量的应力；从硅棒的拉制、切片、磨片到后来的抛光，都伴随着大量的机械加工过程及大量的热量产生，从而在硅片中产生大量的机械应力和热应力5。磨片在硅片的制备过程中占有重要地位，它是切片后硅片表面的第一次机械加工，为硅片的下一步加工打下了基础。由于脆性材料的表面张力大和前面工序应力的积累，再加上剧烈的研磨机械作用，使硅片表面极易产生裂纹，严重的还会导致崩边、碎片，对后续工艺造成恶劣的影响。由于现今国内许多半导体企业在这道工序中只是使用简单的自来水冷却、清洗，缺乏先进的技术指导，因此出现的问题更加严重6。硅片表面状态直接影响器件的线宽容量、工艺范围、产量和生产能力。特征尺寸的连续缩小对硅片表面质量的要求不断提高7。所以如何解决这道工序中的问题有很大的现实意义。

2 原理分析和试验

2.1 研磨液的应用
   研磨液的引入使解决上述问题成为可能。传统的减小应力方法多采用增加切削、研磨浆液的润滑性，提高浆液的散热能力，以迅速扩散加工产生的大量热量，减少热应力8。我校将CMP技术的某些机理引入到硅片切削和磨削工艺中，根据硅的化学作用，采用碱性浆液，加入多种活性剂，改进浆液的物理化学特性，增加加工工程中的化学作用，极大地改进了加工工艺，缓和了剧烈的机械作用。研磨液由多种成分组成，主要包括：有机碱、表面活性剂和鳌合剂。使用有机碱是为了防止引入杂质金属离子给以后器件造成的致命伤害。原理如下
   Si + 2OH^{– ＋ H_{2O → SiO3- ＋ 2H2↑
   在加工过程中，硅片可以与研磨液发生化学反应，提高了研磨速率且缓和了单纯、剧烈的机械作用。此实验就是为了分析采用不同浆液测得的应力大小和硅晶片的机械损伤，比较哪一种研磨液效果比较好。}}

2.2 表面活性剂作用及原理
   表面活性剂就是使表面具有活性性质9。具有在两种物质间的界面上易于聚集，能显著改变这两种物质间的界面性质，尤其是显著降低溶剂表面张力和物质界面张力，并具有一定结构、亲水亲油特性和特殊吸附性能的物质10。根据亲水基的不同结构，可将表面活性剂分为离子型表面活性剂、非离子表面活性剂和特殊表面活性剂11。单个活性剂分子在水溶液中总是不停转动，当两个活性剂分子的憎水基相遇时，总是相互吸引以求降低所受斥力。因此，除极稀溶液外，活性剂分子在水溶液中多数是以半胶束或胶束状态存在12。如果将硅片置于活性剂水溶液中，活性剂分子会被硅片表面吸附，极性的亲水基与硅片会形成多点吸附。活性剂分子在硅片表面的吸附是以亲水基向着硅片的，随着活性剂分子在水溶液中浓度的增加，会在硅片表面形成单分子层结构、双分子层结构甚至半胶束结构吸附13 14 15 16。
   当杂质颗粒以物理吸附的形式吸附于硅片表面时，向溶液中加入表面活性剂，活性剂分子会借助润湿作用迅速在硅片和颗粒的表面铺展开，形成一层致密的保护层。活性剂分子亲水基会与硅片表面形成多点吸附，颗粒在硅片表面移动时，渗透压使溶液中自由的活性剂分子及已吸附的活性剂分子的亲水基上未吸附的自由部分，积极地向硅片与颗粒的接触缝隙间伸入，随时与硅片和颗粒上出现的剩余自由键相吸引、结合，促使硅片与颗粒间作用的键力越来越小，颗粒与硅片的吸附力不断减弱，最终将整个颗粒从硅片表面分离开。活性剂分子在硅片和颗粒表面形成致密的质点保护层，防止颗粒与硅片形成二次吸附，至此完成了颗粒从硅片表面的解吸17 18 19 20。

2.3 鳌合剂原理
   在研磨加工过程中不可避免要引入大量的金属离子，例如磨盘上的铁离子在研磨过程中可能会被吸附在加工材料的表面，前几道工序中（例如：滚圆、切割、导角）还会带入铜、镁、钙等金属离子。金属离子能级处于硅晶体的禁带中央附近，称之为深能级杂质，起着电子和空穴的复合中心作用，使晶体中少子寿命大大下降，漏电流增加。因此螯合剂的使用成为必不可少。鳌合剂的主要作用便是去除金属离子，因为这种表面活性剂的有机结构中的主要成分是鳌合环，它的两端有N-O共用电子对，它和金属离子作用，将其拉向鳌合环，把金属离子包裹进去，即鳌合作用。

2.4 实验过程及分析
2.4.1 试验条件和器材
   条件：标准大气压，24℃
   器材：JZHY-180界面张力仪、Mettler Toledo 320 pH计、φ1.5毛细管黏度计、电子称、秒表、卓伦微纳米200原子力显微镜、金相显微镜、粒径104.3 μm的SiC金刚砂。
2.4.2 研磨液的配比试验
   因为研磨液在降低表面微细裂纹，制止应力累积等方面起着重要作用，所以首先做的是研磨液的配比实验。我校研磨液存在的主要问题是磨料在研磨液中悬浮性、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悬浮性和稳定性是要解决的主要问题。主要考虑添加合适的表面活性剂并合理调整各种成分的配比来解决以上问题。实验采用分散剂溶液1和2进行比较，见表1。固体分散剂和去离子水以1:0.7的比例溶解成分散剂溶液1，固体分散剂和去离子水以1:l的比例溶解成分散剂溶液2。

表1 溶液1和溶液2的比较

pH值

表面张力／(mN·N^-1)

黏度／S

分散剂溶液1

3.40

57

533.59

分散剂溶液2

3.45

59

247.19

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   在配制过程中，分散剂溶液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体，考虑主要是由于溶液中分散剂的比例过高造成溶液饱和而析出的晶体，因此在之后的实验中主要使用分散剂溶液2。
   研磨液的pH值在使用中应为碱性12~13之间最佳，之后要添加碱性物质调节研磨母液的pH值。原有研磨液中使用有机碱，调整pH值时发现溶液的pH值增加效果不明显，其溶液容易发生凝固，因此实验考虑使用碱性更大的无机碱溶液，将固体无机碱使用1:1的去离子水溶解配成无机碱溶液。调节添加无机碱溶液pH值的实验结果，见表2（比例均为体积比）。

表2 调节添加无机碱溶液pH值的实验 

分散剂溶液2：无机碱溶液

pH值

外观

2:1

＞14

溶液分层

10:1

13.8

溶液呈黄色

20:1

13.6

溶液呈黄色

50:1

12.2

溶液呈乳白色

100:1

3.84

溶液呈乳白色

   分散剂溶液2加无机碱溶液的研磨母液在10:1~50:1范围内pH值比较稳定，其他参数均没有大的变化。取16:1的浓度作为母液，加入两种活性剂和少量润滑剂。两种活性剂的参数比较如图l,2,3所示。

   研究发现添加活性剂1的研磨浆液更加澄清，说明添加活性剂1的研磨浆液中的金刚砂沉淀的更完全，溶液中悬浮的金刚砂微粉更少，但是从磨片生产的实际要求来看，我们还需要考虑研磨浆液再沉淀之后溶液还能摇晃起金刚砂微粉的能力——再分散性。再分散性好，会使硅片与金刚砂充分接触，受力均匀使碎片机率一下降，表面质量提高；另外，可以提高金刚砂利用率，大幅度提高研磨速率。再添加不同比例活性剂沉淀两天后的研磨液进行摇动发现，虽然添加不同比例的活性剂1研磨浆液上层较为澄清，但是它能摇晃起金刚砂的量远远高于添加不同比例的活性剂2研磨浆液。在摇动研磨浆液的过程中还发现，添加不同比例的活性剂2研磨浆液特别容易发泡，而且泡沫的量很大，所以添加不同比例的活性剂1研磨浆液的悬浮性能相比之下更好。
2.4.3 不同研磨液的磨片效果
   使用天津环欧半导体材料技术有限公司磨片车间加工的乐山研磨液和我校研磨液研磨的硅晶片，在我校超净实验室使用卓伦微纳米200原子力显微镜进行观察。

   对比分析可知：我校的磨片表面状况比较好。图4的纹路多而密集，平坦度较差；图5的硅片表面划道少，损伤小，比较平坦。再将我校研磨液研磨的硅片和乐山研磨液研磨的硅片和洁洁灵研磨的硅片用金相检测表面状态、损伤层，对比图为图6~11（下图均是放大500倍）。nextpage

   对比发现，我校研磨液研磨的硅片表面状态要比用乐山的研磨液和洁洁灵的好，表面划伤小，裂纹比较细微，而另一个裂纹粗而深，说明应力积累比较严重。

结论

   在实验中使用无机碱溶液代替了原有研磨液中的有机碱，发现无机碱溶液对研磨液pH值控制得更加稳定。当分散剂溶液2：无机碱溶液2=16:1（该比例是折中选择）时，研磨母液pH值、表面张力、黏度都比较稳定。改变研磨液的主要成分（分散剂、润滑剂）的浓度和表面活性剂的比例可以用来改变悬浮和分散效果。选择研磨母液：表面活性剂l：润滑剂=94:6:1时溶液效果最好。通过对硅片表面状态的对比分析，发现我校研磨液研磨的硅片表面损伤小，划道少，裂纹细小。通过以上实验分析，得出在研磨液中加入化学成分，变单一的机械作用为机械-化学作用，减小了硅片的损伤。以上的实验数据与构想的理论数据值相吻合，由于测试条件和时间限制，不能分别对以上配比的研磨液进行应力测试分析，只能通过金相检测表面状态、损伤层，对表面应力状态做出定性结论，但在实际生产中河南乡丹半导体材料有限公司已经将此应用到了生产实践中，表面状态明显提高，粗糙度下降。由于加入了化学作用，生产效率提高了15％-20%，因此论证了引入研磨液的正确性。