IC 技術(shù)的重要地位及發(fā)展情況

　　從全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展來看, IC 技術(shù)已經(jīng)滲透到國 防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個領(lǐng)域, 成為世界第 一大產(chǎn)業(yè)。IC 所用的材料主要是硅和砷化鎵等, 全球 90%以上 IC 都采用硅片 [1] 。隨著半導(dǎo)體工業(yè) 的飛速發(fā)展, 一方面, 為了增大芯片產(chǎn)量, 降低 單元制造成本, 要求硅片的直徑不斷增大; 另一 方面, 為了提高 IC 的集成度, 要求硅片的刻線寬 度越來越細(xì) [ 2] 。

　　目前, 美、日、德等國家加工 Φ200 mm 硅 片 的 技 術(shù) 已 非 常 成 熟 , 開 始 普 及 Φ300 mm 硅片、0.13 μm 芯片的工藝技術(shù), 并著 手研究 Φ400mm 甚至 Φ450 mm 超大規(guī)格硅片的加工技術(shù) [ 3] 。2002 年 1 月日本開發(fā)成功線寬為 50 nm 的半導(dǎo)體蝕刻技術(shù), 英特爾目前已經(jīng)采用 65 nm 芯片制造工藝生產(chǎn)存儲芯片。隨著電子工業(yè) 的迅猛發(fā)展, 以單晶硅片為襯底的 IC 集成度越 來越高, 其特征幾何尺寸預(yù)計在 2010 年將達(dá)到 50 nm。硅襯底片的研磨是保證襯底片的平行度、 平整度、表面完美性的基礎(chǔ), 在研磨中研磨液的 性能是保證磨片質(zhì)量與效率的基礎(chǔ), 所以國內(nèi)外 對研 磨 液 性 能 的 研 究 越 來 越 受 到 廣 泛 關(guān) 注 。我 國啟動了一系列重大項(xiàng)目來推動 IC 技術(shù)的發(fā)展, 但加工主要依靠進(jìn)口成套裝備, 采用的也是國外 早期的研磨拋光工藝, 目前已能生產(chǎn) Φ300 mm 的 硅片 [4] 。

　　2 研磨介紹

　　2.1 研磨及其過程中的問題

　　硅材料的制備包括定向切割、磨片、拋光等, 其中切片之后要進(jìn)行研磨, 研磨機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖 1。由于切片之后的硅單晶片還不具有合乎半導(dǎo)體制造 過程中所需要的曲度、平坦度與平行度, 又因?yàn)橐?求硅單晶片在拋光過程中表面磨除量僅約 5 μm, 所以拋光無法大幅度改善硅單晶片的曲度與平行 度。這使得研磨成為在硅單晶片拋光之前, 能夠 有效地改善硅片的曲度、平坦度與平行度的關(guān)鍵工 藝 [ 5] 。硅片經(jīng)切割研磨后表面產(chǎn)生大量的機(jī)械損 傷, 這些機(jī)械損傷可分為上下兩層。上層的損傷層 較薄, 約占厚度的 1 /10, 包含細(xì)微裂紋和網(wǎng)絡(luò)位 錯; 下層為彈性形變層。這些機(jī)械損傷若殘留在硅 片表面會在后來的工藝 ( 如氧化過程) 中將產(chǎn)生氧 化誘導(dǎo)層錯等缺陷 [6]

　　磨片在硅片制備過程中占有重要地位。在這道 工序中由于機(jī)械加工強(qiáng)度大、機(jī)械損傷、應(yīng)力、離 子沾污等問題嚴(yán)重, 廢品率很高, 會對后續(xù)工藝造 成很壞的影響。因而必須改善研磨機(jī)理, 把單一的 機(jī)械作用變?yōu)榫鶆蚍€(wěn)定的化學(xué)機(jī)械作用, 以達(dá)到淺 損傷、低應(yīng)力的目的, 有效地減少破損層和應(yīng)力的 累積, 提高產(chǎn)品質(zhì)量和加工的效率 [ 7] , 從而提高 了整個硅片工藝的成品率。由于現(xiàn)今國內(nèi)許多半導(dǎo)體企業(yè)在磨片工序中只是使用簡單的自來水冷卻、 清洗, 缺乏先進(jìn)的技術(shù)指導(dǎo), 使出現(xiàn)的問題更加嚴(yán) 重。所以, 如何解決磨片工序中的問題有很大的現(xiàn) 實(shí)意義。

　　2.2 研磨液的引入 研磨液的引入可以合理地解決上述問題。

　　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 熱量, 減少熱應(yīng)力 [ 4] 。以河北工業(yè)大學(xué)為代表的 科研成果, 率先將 CMP 技術(shù)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 工過程中的化學(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、螯合劑。使用有機(jī) 堿是為了防止引入雜質(zhì)金屬離子, 以免給以后器件 造成致命傷害。

　　化學(xué)作用原理為

　　研磨液在加工中的主要作用有以下幾個方面。

　　懸浮作用 研磨液中一般要加入磨料, 磨料力度很大且硬 度很高。而研磨液具有良好的懸浮性, 磨料分布均 勻并在很短的時間內(nèi)不產(chǎn)生沉淀, 這會大大提高研 磨加工的質(zhì)量和效率。加入的研磨液能吸附在固體 顆粒表面上產(chǎn)生足夠高的位壘, 使顆粒分散開來, 以達(dá)到分散、懸浮的特性 [6] 。

　　(2) 潤滑作用 研磨液能減少磨粒、磨屑與研磨表面之間的摩 擦, 起到潤滑的作用。它具有潤滑、耐高溫、耐高 壓的能力。在潤滑劑中加入含有活性元素硫、氯等 的耐壓添加劑, 來提高耐高壓能力。這些化合物在 邊界條件潤滑狀態(tài)較好的條件下, 用于高溫、高壓 的研磨加工, 起潤滑作用, 防止工件的表面, 特別 是已加工表面的粗糙度的惡化, 從而得到降低損傷 層的目的 [6] 。

　　冷卻作用 為防止工件表面燒傷和產(chǎn)生裂紋, 研磨液應(yīng)能 滲入高溫研磨區(qū)域內(nèi), 接近熱源, 進(jìn)而降低研磨區(qū) 溫度, 使之化學(xué)反應(yīng)一致性好, 并且研磨液本身還 應(yīng)具備良好的散熱能力。研磨液的冷卻性能取決于它的導(dǎo)熱性能和對工件表面潤濕性和供液方式。一 般要求研磨液導(dǎo)熱性能好, 表面張力小, 故在研磨 加工過程中, 常用稀釋劑等表面活性劑作為輔助添 加劑。這樣可降低研磨液表面張力, 提高滲透性和 潤滑性, 可獲得比較理想的液體。冷卻性和潤滑性 并用, 相互補(bǔ)充, 取得了優(yōu)越的使用效果 [6] 。

　　去損作用 一般情況下, 研磨液為堿性。在研磨過程中堿 可以和硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 尤其損傷層中懸空鍵密度 大, 反應(yīng)較快, 致使磨片剩余損傷層小, 這也就使 后步工序加工量變小, 使磨片損傷度降低, 增加出 片量, 降低成本 [6] 。

　　清洗作用 在研磨加工時, 會產(chǎn)生大量細(xì)碎的磨屑和磨粒 粉末 ( 見圖 2) , 容易粘附在磨片和磨床工件臺表 面上, 從而影響磨片表面質(zhì)量, 降低機(jī)床精度。但 是, 使用時往往可通過增強(qiáng)研磨液的動能、加大存 量和增加壓力, 來提高研磨液效率。而清洗能力的 大小與研磨液的滲透性有關(guān), 選擇適宜表面活性劑 和采用大的稀釋比水溶液, 可大大提高清洗效果, 使研磨產(chǎn)物不易形成難清洗的表面吸附 [6]

　　防銹功能

　　研磨液的另一重要特性是使設(shè)備不銹蝕, 而 防銹 作 用 的 好 壞 , 主 要 還 取 決 于 研 磨 液 本 身 的 性能 [6] 。

　　2.3 各種研磨液的特點(diǎn)

　　洛陽軸承廠研制的 LZ83-1 研磨液在國內(nèi)處于 領(lǐng)先地位。

　　此產(chǎn)品是潤滑劑、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制而 成, 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 ( 一般稀釋 3.3 倍 水) 和金屬離子含量高等缺點(diǎn)。

　　遼寧奧克磨削液也是國內(nèi)主流產(chǎn)品, 美國的多 氨 19-C 具有非常高的稀釋能力, 在很高的稀釋情 況下有著超強(qiáng)的懸浮特性且完全水溶, 但昂貴, 且 黏度大, 表面吸附比較嚴(yán)重, 難以清洗, 導(dǎo)致磨片 清洗后表面易出花斑。另經(jīng)查閱相關(guān)專利, 湖北省化學(xué)研究所研制的 一種具有高懸浮力的水溶性防銹研磨液, 其特征在 于它是一種有優(yōu)秀觸變性能的凝膠狀液體, 主要由 高分子凝膠狀懸浮劑、酰胺類防銹劑、水溶性潤滑 劑組成, 其重量組成為: 懸浮劑 4～8 份、凝聚劑 4～10 份、防銹劑 4～8 份、潤滑劑 1～3 份、水 70～ 80 份。這種研磨液提供一種對各種不同組成及不 同粒徑的磨料具有高懸浮、高分散能力的新型凝膠 狀 水 性 防 銹 研 磨 液, 其 突 出 特 點(diǎn) 就 是 對 大 粒 徑 ( W40-50) 磨料具有優(yōu)秀的懸浮分散能力, 24 h 的 懸浮率可在 80%以上, 它提高加工對象的質(zhì)量, 降低研磨加工成本, 徹底解決 “PC”油造成的環(huán) 境污染, 簡化加工程序和降低成本, 并可進(jìn)一步提 高加工產(chǎn)品合格率。

　　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, 防銹性能很強(qiáng), 對部件及研磨機(jī) 保護(hù)效果好。使用時與水、研磨砂配合, 適用于人 造水晶、藍(lán)寶石、單晶硅、光學(xué)玻璃等的平面研磨 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 4800 ml、防銹研磨液 200 ml, 各廠家可 根據(jù)自己的設(shè)備、物料進(jìn)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 是世界上銷售量最大的 懸浮狀研磨液。它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(qiáng)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(yán)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(jìn)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。日本的技術(shù)也很強(qiáng), 拉出直徑為 41 cm 的硅單 晶 , 硅 片 加 工 平 整 度 小 于 0.3 μm。進(jìn) 口 產(chǎn) 品 HGS518-X 的 pH 值較低, 約 8.6 左右, 價格較高, 滲透性和對金屬離子的去除仍有欠缺。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、磨削液達(dá)國際先 進(jìn)水平, 在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。該產(chǎn)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(jìn)方向

　　3.1 活性劑作用的基本原理 表面活性劑是在表面具有表面活性的物質(zhì) [7] 。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 [ 8] 。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 [ 9] 。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?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 [9- 11] 。

　　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(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?；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 [12- 14] 。

　　當(dāng)固體顆粒團(tuán)塊受到機(jī)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上, 使固體顆粒 的表面或界面張力有明顯的降低。表面活性物質(zhì) 在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上, 而且 還可自動地滲入到微細(xì)裂縫中去并能向深處擴(kuò)展, 產(chǎn)生一種 “劈裂作用”, 見圖 3。

　　在這種劈裂力的 作用下微裂縫不但無法愈合, 而且越來越深和擴(kuò) 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。

　　3.2 分子結(jié)構(gòu)對活性劑的影響

　　表面活性劑的效率是指使水的表面張力明顯 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 能降到的最小值。當(dāng)憎水基團(tuán)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(tuán)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(tuán)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? 長鏈而一端 帶有親水基團(tuán)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(tuán)在中央的同系物差得多。離子型表面活 性劑由于親水基團(tuán)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。圖 4 說明 了在低濃度區(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。

　　表面活性劑的種類繁多, 對于一定體系究竟采 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(rèn)為, 比較表面活性劑分子的親 水基團(tuán)的親水性和親油基團(tuán)的親油性是一項(xiàng)重要指 標(biāo)。由于每一個表面活性劑分子都包含親水基團(tuán)和 憎水基團(tuán)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。

　　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 ( Griffin) 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(qiáng)的石蠟的 HLB 值等于 0; 親水性強(qiáng) 的聚乙二醇的 HLB 值等于 20。以此為標(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(qiáng), 反之親水性越強(qiáng)

　　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(jìn)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