半導體矽材料研磨液研究進展

２００９年第８期

廣東化工

第３６卷總第ｌ９６期

半導體矽材料研磨液研究進展

楊杰。，曾旭　，李樹崗　，賀岩峰

（１．長春工業大學，吉林長春１３００１２；２．上海新陽半導體材料****，上海２０１６１６）

［摘要】隨著ｉｃ製造技術的飛速發展，為了增加ｉｃ晶元產量和降低單元製造成本，矽片逐漸趨於大直徑化，然而為了滿足ｉｃ封裝的要求，

晶元的厚度卻在不斷的減小。因此，對矽片加工的表面質量提出了更高的要求。文章詳細說明了矽片研磨機理及工藝條件；重點闡述了在半導

體矽片的研磨過程中研磨液的組成及各個組分的作用；並介紹了國內外研磨液的發展現狀，指出了其優缺點；最後強調了研磨液開發的重要性。

ｆ關鍵詞】研磨液；研磨；矽片；懸浮

［中圖分類號】ｔｑ【文獻標識碼】ａ

【文章編號

目前積體電路（ｉｃ）技術已經得到了迅速發展，並且成為

世界上最高新和最龐大的產業之一ｌｊｊ。ｉｃ的特徵尺寸也正向更小的尺寸挺進，預計在２０１０年達到０．０５　ｐｍ。目前全球９０％以上的ｉｃ都要採用矽片作為襯底材料　ｊ，因此以矽片作為ｌｃ技術襯底材料的精密加工與成型成為制約ｉｃ技術前

進的關鍵因素。

在矽片加工成型過程中研磨是一道重要的工藝。這是由於切片之後的矽片沒有合乎半導體製程所要求的曲度、平坦度、平行度，又因為矽片拋光過程中表面磨除量僅約５ｇｉｎ，所以無法大幅度改善矽片的曲度與平行度。這使得研磨成為矽片拋光製程之前，有效地改善矽片表面質量的前提和基礎　ｊ。

而作為矽片研磨工藝所需要的研磨液，是影響研磨後矽片質量的首要因素ｌ４ｊ，故文章就以研磨液為論述物件，**研磨液的研究現狀，並對研磨液的未來發展進行了展望。

壓力的作用嵌入研磨盤表面，用露出的尖端刻劃工件表面進

行微切削加工。另一部分磨粒則在工件與研磨盤之間發生滾動，產生滾軋效果。

由於矽片的抗拉強度比抗壓強度小，故在給磨粒加壓時，就在矽片加工表面的拉伸應力最大部位產生呈圓錐狀或八字狀等形狀的微裂紋；當壓力解除時，最初產生的裂紋中的殘餘應變復原，結果又新產生拉伸應力大的部分，如此反覆。當縱橫交錯的裂紋擴充套件並互相交叉時，受裂紋包圍的部分就會產生脆性崩碎形成碎片，即形成磨屑，最後脫離工件，從而達到表面平坦化的目的。在矽片的研磨加工中，研磨液是影響研磨質量的最重要因素。

２研磨液的組成與作用

研磨液一般的主要成分為：增稠劑、分散劑、ｐｈ調節劑、表面活性劑與螯合劑等　ｊ，研磨液與磨料、去離子水混合後就構成了研磨漿料ｌｊｊ。一些研究人員可以根據客戶所要達到的研磨產品的具體標準，來向其中新增所需的新增劑。

下面分別介紹一下研磨液的幾個主要成分。

１矽片的研磨加工

矽片研磨是磨料對工件表面的切削、活性物質的化學作

用及工件表面擠壓變形等綜合作用的結果。某一作用的主次程度取決於加工性質及加工過程的進展階段。研磨的實質是用游離的磨粒通過研具對工件表面進行包括物理和化學綜合作用的微量切削，其速度很低，壓力很小，經過研磨的工件獲得０．００１ｍｍ以內的尺寸誤差，表面的粗糙度可以達到０．１ｐｍ，甚至更小，表面幾何形狀精度和一些位置精度也可進一步提高。

晶元研磨過程的控制，是以研磨盤轉速與所施加的荷重

２．１增稠劑

增稠劑又稱膠凝劑，它主要是用來提高研磨液粘度，使磨料保持均勻的穩定的懸浮狀態或乳濁狀態，或形成膠體。增稠劑種類較多，選擇時除要考慮產品的流動性、透明度、稠度、凝膠性、懸浮力與屈服值外，還應注意選用用量少而增稠效果好，與主體成分相容性好而不產生相分離，儲存時不引起霉變和離析的水溶性高分子化合物。一般採用的增稠劑為：

多醣類高分子化合物（澱粉、黃原膠）ｊ、纖維素高分子化合物（羥甲基纖維素、羥乙基纖維素及其鹽類）ｊ、聚丙烯酸乳液類（ａｓｅ一６０）１８１等。

為主。首先研磨壓力須由小慢慢增加，以使研磨漿料能夠均

勻散布，及去除晶元上的高出點（高出點為研磨過程中最初應力集中之處，在高荷重時容易破裂），穩定態的研磨壓力般在１００ｇ／ｃｍ　左右，而研磨時間約為ｌｏ～ｌ５ｍｉｎ，在研磨結束前亦須慢慢將研磨壓力降低。研磨中的磨料的作用是滾軋作用及微切削作用。如圖１所示，磨粒作用在凹凸和微裂紋的表面上，隨著研磨加工的進行，一部分磨粒由於研磨

２．２分散劑

分散劑主要採用一種在分子內同時具有親油性和親水性兩種相反性質的介面活性劑。可均勻分散那些難溶解於液體的無機固體顆粒，同時也能防止固體顆粒凝聚沉降，達到

ｆ收稿日期作者簡介女，吉林人，在讀碩士研究生，主要從事矽材料化學品方面的研究。

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懸浮磨料的效果。分散劑的作用機理：這些介面活性劑吸附

於固體顆粒的表面，使凝聚的固體顆粒表面易於濕潤。高分子型的分散劑，在固體顆粒的表面形成吸附層，使固體顆粒表面的電荷增加，提高形成立體阻礙的顆粒間的反作用力。磨料通常硬度很高，加入分散劑可使研磨液具有良好的分散性，使磨料分布均勻，並且短時間內不會產生沉澱，在很大程度上提高了研磨速率和研磨質量。

如果磨料分散不均勻，則會使表面平整度（ｔｔｖ）大大下降且容易產生劃傷。在研磨液中一般採用三聚磷酸鹽類或聚丙烯酸類分散劑　ｊ。

據文獻報道，重金屬雜質ｆｅ會對矽片造成最嚴重的重

金屬汙染，當ｆｅ濃度達到１０１０／ｃｍ　以上時，就會對器件失效造成極為嚴重的影響。而矽片的研磨工藝是造成器件鐵汙染的主要原因。由於研磨工藝中使用的研磨機基本上都採用球墨鑄鐵材質，在研磨過程中磨料會使鑄鐵磨盤不斷損耗，大量的鐵進入研磨液中，而矽片表面裸露著的新斷的化學鍵，活性很強，極易吸附極性很強的鐵離子，形成準化學鍵，吸附在矽片表面，一般很難清洗下來，因而造成重金屬鐵汙

染㈦。２．３ｐｈ調節劑

在研磨過程中，由於磨料的對矽片磨損，而造成表面產

生一片原子損傷層（矽原子間距０．１１７　ｎｍ，損傷層為幾個微公尺）。這個損傷層表面存在大量的新斷開的化學鍵，活性很

ｉｓｉ＋２。ｈ一＋ｈ，０ｈ一＋ｈ，０一一＋２ｈ，十１一十，下

研磨液中新增鹼性物質，可以與矽片損傷層表面的矽原子發生反應，表面生成半程親水性的矽氧化合物，這樣在研磨的過程中，能增加矽片表面的潤濕性，從而減少矽片表面點劃傷缺點碼的增多。磨料與鹼也起著強烈的化學吸附作用（磨料與鹼發生化學反應），磨料與矽片之間，在與鹼液反應後，新生斷鍵相互作用，如靜置時問較長後，很難將磨料與研磨液從矽片上沖洗下來，所以研磨液的ｐｈ不能過高（目前國外的研磨液產品均呈現弱鹼性，如美國ｐｒｐ公司生產的為８．５～９．５）；研磨工藝完畢後，應該立即用水沖洗矽片與研磨檯面　』「ｊ。

現在通常加入的是有機鹼，如果採用無機鹼，會引入額外的金屬離子，這些金屬離子在研磨過程中，會附著在矽片表面，導致其清洗困難。有機鹼除了有調節ｐｈ的作用以外，還對金屬離子有螯合作用。研磨液一般用去離子水稀釋十幾倍後進行使用，目前所用到的有機鹼通常是有機胺類，它具有一定的緩衝作用，使溶液的ｐｈ在一定範圍內保持穩定狀態　］。

在研磨液中，一般加入乙二胺四乙酸及其鉀鹽，它有五

個螯合環能和幾十種金屬離子形成穩定的螯合物ｌｊ】。也有採用一些高效能的鰲合劑來對研磨工藝中的重金屬離子進行鰲合，如河北工業大學劉玉嶺教授採用的乙二胺四乙酸四（四羥乙基乙二胺）ｆａ／ｏ螯合劑，它具有１３個以上的螯合環，能對普通的重金屬離子產生較強的螯合能力ｌｊ。

２．５表面活性劑

加入表面活性劑的目的主要是潤濕磨料粒子與矽片表面，乳化研磨液內部組分，並在研磨過程中對矽片的研磨起到一定的潤滑作用。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矽片和顆粒的表面鋪展開，形成一層致研運

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，磨料在矽片表面移動時，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，積極地向矽片與磨料的接觸縫隙問伸入，隨時與矽片和磨料上出現的剩餘自由鍵相吸引、結合，促使矽片與磨料問的作用力減小，對矽片的研磨起到潤滑作用　。在研磨加工時，表面活性劑能起到一定的清洗作用，清洗掉研磨過程中產生的磨屑和磨粒粉末，從而提高磨片表面質量，提高研磨精度。

選擇適宜表面活性劑，可大大提高研磨後的清洗效果，使研磨產物不易形成難清洗的表面吸附…　。

在研磨液中一般加入非離子型表面活性劑，這類表面活性劑潤濕性、乳化性比較好。如脂肪醇聚氧乙烯醚（俗稱平平加系列），它具良好濕潤效能＿ｌ；烷基酚聚氧乙烯醚（俗稱ｏｐ系列），化學性質穩定，抗氧化效能強ｊ。

勵旦２．４螯合劑

磨料粒子

研磨液矽片

損傷層圖１研磨加工機理

３國內外研磨液的發展現狀

為了得到高質量的矽片，需要對研磨過程中的研磨液有

嚴格的要求。筆者經過長期對研磨液進行科研開發，得出研磨液應該具有以下特點：

（１）良好的懸浮性，分散性要均勻，在規定的時間內不能產生沉澱、絮凝、分層等問題；

（２）良好的流動性，粘度低，易於操作；（３）稀釋能力強，便於降低成本，提高生產、方便運輸；（４）研磨工藝後，矽片與研磨檯面易清洗，不造成磨盤印；（５）良好的潤滑性，在研磨工藝中降低點劃傷與碎片缺

點碼。近些年來由於半導體行業的飛速發展，國內一些生產廠

家及許多高校的科研院所都對研磨液的研究顯示出極大的

興趣。但普遍存在技術水平較低，不能完全達到以上的五個要求，所以半導體用矽片研磨液並沒有實現國內產業化。如河北工業大學劉玉嶺教授［１３－１５１研製的研磨液，該產品是由潤滑劑、積壓劑、非離子表面活性劑、防霉防腐劑、消泡劑等多種新增劑配製而成，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。

洛陽軸承廠也對研磨液進行了開發研究。＇ｎ：ｔｌ省化學研究所研製了一種高懸浮力的水溶性研磨液，是由高分子凝膠狀懸浮劑、凝聚劑、醯胺

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類防鏽劑、水溶性潤滑劑等組成。總的來說，目前國內開發

的研磨液還存在著一一些問題，主要有：懸浮能力較差，靜置時間較長時，容易出現分水、沉澱現象；稀釋能力較低等。

因此，目前國內還主要是依靠進口的研磨液，雖然國外部分產品自身也存在一些缺點，但其效能還是遠遠好於國產研磨液。如美國ｐｒｐ公司生產的研磨液，它具有非常高的稀釋能力，大約稀釋１２～ｌ４倍水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**昂貴、粘度大，表面吸附比較嚴重，導致磨片清洗後表面易出花斑；ｐｈ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汙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　·』。

鑑於產品效能上的缺陷，美國ｐｒｐ公司又研製出了研磨液，主要用於矽片研磨，其懸浮性良好，稀釋能力接近２０倍；且研磨後，機台與矽片表面易清洗，可用於直徑超過３００ｍｍ的大矽片的研磨；

而且可以減少研磨過程ｌｉ１使用磨料的量，降低成本。克服了磨料不同批次之間的差異，使研磨漿的粘度更加穩定，研磨

過程易於控制。所配成的研磨液，懸浮性穩定，長時間使用也不會發生改變。可以與氧化鋁、ｆｏ粉、碳化矽等磨料研磨。

由於其特性良好，國內有一些生產廠家把它代替原來的但是相比之下**還是昂貴，大大提高了加工成本。目前國外也有對油溶型的研磨液進行研究，這類

研磨液的潤滑效果良好，經過研磨後矽片表面的平整度較好，但**相對較高　。

４結語在半導體矽片加工工藝中，研磨的作用是不可忽視的。

從研磨裝置到研磨工藝引數，再到研磨液的配製等，都對矽片表面的質量有很大影響，尤其研磨液更是當中主要考慮的因素。基於目前國產研磨液的現狀，今後就更需要科研人員加強對研磨液的改進與開發，從研磨液成分及加工機理，特別是研磨液對磨料的懸浮性與分散性、對金屬離子的螯合能力、以及矽片研磨後的清洗等方面著手進行。

因此，必須針對矽片的研磨加工機理和技術發展趨勢，開發擁有自主智財權的矽片研磨液，打破國外的技術壟斷，並最終實現我國矽片製造業的跨越式發展。

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屬２２９．２３２．

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半導體材料研究的新進展

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半導體矽材料複習題

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