半導體研磨液的研究及應用

李哲(華爍科技股份有限公司，湖北 武漢 430074)

半導體研磨液的研究及應用

李哲(華爍科技股份有限公司，湖北 武漢 430074)

研磨是半導體加工過程中的一項重要工藝，它主要是應用化學研磨液混配磨料的方式精密而高效的對半導體表面進行加工，研磨液是影響半導體表面質(zhì)量的重要因素。本文著重對研磨液的機理、研究開發(fā)現(xiàn)狀、應用展望進行探討。

晶體研磨液；研磨；防銹；環(huán)保

中國是半導體加工和消費大國[1]，研磨是半導體加工過程中的一項重要工藝，它主要是應用化學研磨液混配磨料的方式對半導體表面進行精密加工，這種化學研磨工藝幾乎涉及到半導體制程中的各個環(huán)節(jié)，研磨液是影響半導體表面質(zhì)量的重要因素。本文著重對研磨液的機理、研究開發(fā)現(xiàn)狀、應用進行探討，希望能為讀者提供一些有價值的信息和啟示。

1 研磨液作用原理

1.1 研磨液的化學作用機理

研磨液通常由表面活性劑、PH調(diào)節(jié)劑、分散劑、螯合劑[2]等組分組成，各組發(fā)揮不同的作用，主要化學作用機理是：Si+ OH-+H2O SiO32-+2H2[3]而SiO32極易水解，機理是：

SiO32-+2H2OH2SiO3+2OH-水解產(chǎn)物H2SiO3能部分聚臺成多硅酸，同時另一部分H2SiO3電離生成SiO32-離子，結(jié)果形成如下結(jié)構(gòu)的一般硅酸膠體，覆蓋在硅片表面上：其化學式為：{[SiO32]m·n SiO32-·2(n-x)H+｝2x-·2XH+[4]。

1.2 研磨加工機理

研磨液以上述原理實現(xiàn)對工件表面的化學腐蝕，然后在研磨液中高速運動的磨料對工件表面的磨削及擠壓等綜合作用下，實現(xiàn)對工件表面的加工，工作機理如圖所示，將旋轉(zhuǎn)的被拋光工件壓在與其同方向旋轉(zhuǎn)的彈性拋光墊上，而研磨液在工件與底板之間連續(xù)流動。上下盤高速反向運轉(zhuǎn)，工件表面的反應產(chǎn)物被不斷地剝離，研磨液補充進來，反應產(chǎn)物隨研磨液帶走。新裸露的工件平面又發(fā)生化學反應，產(chǎn)物再被剝離下來而循環(huán)往復，在襯底、磨粒和化學反應的聯(lián)合作用下，形成超精表面。

研磨加工機理

2 研磨液研究開發(fā)現(xiàn)狀

為了滿足研磨的工藝要求，研磨液應該具有這五個特性：(1)良好的懸浮性，短時間內(nèi)不能產(chǎn)生沉淀、絮凝、分層等問題；(2)良好的流動性，粘度低，易于操作；（3）優(yōu)異的冷卻性能[5]，防止工件表面燒傷或產(chǎn)生裂紋；(3)稀釋能力強，便于降低成本，方便運輸；(4)研磨工藝后，硅片與研磨臺面易清洗，不造成磨盤??；(5)良好的潤滑性，在研磨工藝中降低點劃傷。[6]

達到以上的五點是很不容易的，目前主流半導體加工廠商還是使用日、美企業(yè)生產(chǎn)的研磨液。近年來國內(nèi)一些企業(yè)、高校和科研院所都對研磨液的研究表現(xiàn)出極大的興趣，如河北工業(yè)大學研制的研磨液，由潤滑劑、積壓劑、非離子表面活性劑、防霉防腐劑、消泡劑等配制而成，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；陜西省石油化工設計院生產(chǎn)的WE-1防銹研磨液，防銹性能很強，對部件及研磨機保護效果好；華爍科技股份有限公司（前身是湖北省化學研究院）開發(fā)的EH系列[7]研磨液產(chǎn)品，是通過化學合成的方式制備，主要成分是聚酰胺類化合物經(jīng)酯化后的產(chǎn)物、潤滑劑、分散劑等全水溶性化合物，呈弱堿性，具有優(yōu)秀的防銹性、潤滑性、懸浮分散性、保濕性，可提高晶片的光潔度，減少晶片的裂痕、崩邊，減小晶片散差，提高加工合格率[8]，可用于研磨各種石英晶片、電子芯片、壓電陶瓷、光盤、微晶玻璃等，使用時可加大量水稀釋，且不含有重金屬鹽類及鹵化物等對人體和環(huán)境有害的物質(zhì)[9]，經(jīng)濟環(huán)保。

3 結(jié)語

半導體芯片增大而單個晶體管元件縮小及多層集成電路芯片是發(fā)展的必然趨勢，這對研磨拋光技術提出了更高的要求，在研磨液方面，關鍵是要不斷的開發(fā)適應新要求新工藝的新型研磨液，它既能提供高的研磨速率、好的平整度、高的表面均一性，又利于后續(xù)清洗，使得磨料粒子不會殘留在芯片表面。研磨液拋光技術已成為最為重要的超精細表面平面化技術，它還會在陶瓷、精密閥門、光學玻璃等表面加工領域不斷得到應用和發(fā)展，深入研究和開發(fā)研磨液產(chǎn)品，不僅可以提高國內(nèi)企業(yè)在這些領域內(nèi)的競爭力和話語權，也會促進相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高裝備與其他關鍵材料的國產(chǎn)化水平，這不僅可以帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益，更對我國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。

[1]李進.普華永道：2014年中國半導體消費占全球市場達56.6%[N].和訊網(wǎng)，2015-8-13.

[2]劉玉嶺，檀柏梅，等.硅單晶片研磨液的研究[J].稀有金屬.2001(11):25-6.

[3]劉玉嶺.硅片CMP拋光工藝技術研究[J].電子工藝技術.2010(9):31-5.

[4]曹麗梅，胡岳華，等.半導體工業(yè)中的化學機械拋光（CMP）技術[J].湖北化工.2000(4):7-3.

[5]張偉.硅片研磨和研磨液作用的分析[J].顯微、測量、微細加工技術與設備.2007(4):206-5.

[6]楊杰，曾旭，等.半導體硅材料研磨液研究進展[J].廣東化工.2009(8):36-196.

[7]魏振華，周國英.水溶性防銹晶體研磨液：001147005 [P].2000-07-14.

[8]魏振華，周國英.石英晶體片研磨與清洗的表面物理化學[J].壓電晶體技術.1999(1):5-7.

[9]周國英，魏振華.壓電石英晶體加工過程中的化學問題[J].壓電晶體技術.1998(1):38-2

李哲（1985-），男，漢族，湖北荊門人，工程師，碩士研究生，主要從事電子化學品方面的研究。