研磨液对硅片加工的发展前景

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。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。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，所以如何解决这道工序中的问题有很大的现实意义。

1 原理分析
1.1 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。我们将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、表面活性剂和螯合剂。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。

1.2 螯合剂应用

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厩，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。螯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螯合环，它的两端有N-O共用电子对，它和金属离子作用，将其拉向螯合环，把金属离子包裹进去，即螯合作用。

1.3 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。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。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。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。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。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。

2 各种研磨液的特点
洛阳轴承厂研制的IZ83-1研磨液是由润滑剂、积压剂、非离子表面活性剂、防霉防腐剂、消泡剂等多种添加剂配制而成，具有一定的润滑积压性。对提高生产效率、加工工件表面光洁度、沙粒消耗降低、增加寿命等方面均有一定的效果。但该产品具有悬浮能力差、浓缩度低和金属离子含量高等缺点。

陕西省石油化工设计院生产的WE-1防锈研磨液，外观为微黄色透明液体，无异味，易溶于水，pH值呈微碱性，防锈能力很强，对部件及研磨机保护效果好。使用时与水、研磨砂配合，适用于人造水晶、蓝宝石、单晶硅、光学玻璃等的片面研磨与抛光。产品含有特殊的流动控制成分，使研磨砂在晶片表面均匀分布，晶片研磨后一致性好、平行度高。本产品稀释倍数高，可降低成本，比日本101防锈水性能更优越。研磨时使用方法：研磨砂2.5 kg、水4 800 mL、防锈研磨液200 mL，各厂家可根据自己的设备、物料进行配比。做高档产品时，水与防锈研磨液比例为20∶1。

美国发明的多氨19-C具有非常高的稀释能力，大约为1∶12～1∶14的比例掺入水。19-C在很高的稀释情况下有着超强的悬浮特性且完全水溶，具有生物降解能力，是一种白色、有微刺激性气味的奶状液体，显弱碱性。但其价格昂贵，黏度大，表面吸附比较严重难以清洗，导致磨片清洗后表面易出花斑，pH值在8左右，碱性较弱，渗进性较差，不能很好地消除应力积累。随着器件结深越来越浅，很小的应力造成的缺陷与离子污染也可能造成软击穿。以上因素直接影响磨片的一次成品率且给下道工序带来危害。

河北工业大学微电子技术与材料研究所经专家评审的FA/O切削液、倒角液、磨削液是润滑剂、积压剂、非离子表面活性剂、防霉防腐剂、消泡剂等多种添加剂配置而成，能大幅度提高研磨速率，具有一定的润滑积压性、冷却、清洗、防锈性，对提高生产效率、加工工件表面光滑度、沙粒消耗降低、增加寿命等方面均有一定的效果、但是，增加磨料的悬浮能力和降低表面张力，仍然是当前急需解决的问题。

3 原理和改进方向
3.1 活性剂的基本作用

表面活性剂是在表面具有表面活性的物质。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。单个活性剂分子在水溶液中总是不停转动，当两个活性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。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。

当固体颗粒团块受到机械力作用时，会产生微裂缝，但它很容易通过自身分子力的作用而愈合。当分散介质中有表面活性剂存在时，它能很快地定向排列在固体颗粒的表面，使固体颗粒的表面上的覆盖率越大，表面张力降低得越多，则系统的表面吉布斯函数越小。因此表面活性物质不仅可自动吸附在颗粒的表面，而且还可自动地渗入到微细裂缝中并能向深处扩展，产生一种“劈裂作用”。在这种劈裂力的作用下微裂痕不但无法愈合，而且越来越深和扩大，有的最后被分裂成更小的颗粒，分散性提高，悬浮性也随之提高。表面活性物质的浓度足够大时，液体中的颗粒会被憎水基向内、亲水基向外的活性物质分子包围着，相互间斥力大于引力，所以相互间分散性好，且沉淀后易摇起；悬浮性好，可以使研磨用的金刚砂均匀地悬浮起来，使硅片在研磨时受力均匀。

当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少，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。

3.2 分子结构对活性剂的影响

表面活性剂的种类繁多，对于一定系统研究采用哪种表面活性剂比较合适，效率最高，目前还缺乏理论指导。一般认为，比较表面活性剂分子的亲水基团的亲水性和亲油基的亲油性是一项最重要指标。由于每一个表面活性剂分子都包含亲水基团和憎水基团两部分。亲水基的亲水性代表表面活性物质溶于水的能力，憎水基的憎水性代表溶油能力。

表面活性剂的效率是指水的表面张力明显降低所需要的表面活性剂浓度。表面活性剂的有效值则是指该表面活性剂能够把水的表面张力可能降低到最小值。当憎水基团链长增加时，效率提高，但当链长相当长时，再增加链长往往使表面活性剂的有效值降低。当憎水基团有支链或不饱和度增加时，效率降低，但有效值却增加。当两亲分子中的亲水基团由分子末端向憎水链中心位置移动时，效率降低，有效值却增加。总之，长链一端带有亲水基的表面活性剂降低水表面张力的效率很高，但在有效值上比短链的同系物或具有支链、或亲水基团在中央的同系物差得多。离子型表面活性剂由于亲水基团在中央的同系物差得多。离子型表面活性剂由于亲水基团在水中电离而产生了静电排斥力，所以效率不高，但其有效值也不高。在低浓度区间，表面张力随表面活性剂浓度的增加而急剧下降，以后逐渐平稳。此外，还说明了表面活性剂的效率随链长的增加而增加，但长链的有效值比短链的同系物低。

由于憎水基的憎水性和亲水性在大多数情况下不能用同样的单位来衡量，基于此，格里芬提出用HLB值（亲油亲水平衡）来表示表面活性剂的亲水性。HLB是一个相对值，人们规定亲油性强的石蜡的HLB值等于0；亲水性强的聚乙二醇的HLB值等于20。以此标准，定出其他表面活性剂的HLB值。HLB值越小，表面活性剂的亲油性越强，反之亲水性越强。

4 研究方向
综上所述，为了提高研磨液的性能，提高悬浮性，进一步降低表面张力，我们应该从其憎水基链的结构入手，通过大量试验，找出一个悬浮能力和表面张力都令人满意的憎水基链的结构。