硅片研磨液與研磨液的對(duì)比

硅片研磨液與研磨液的對(duì)比

1軍隊(duì)成為世界最大產(chǎn)業(yè)從全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來看，ic技術(shù)已深入各個(gè)領(lǐng)域的國(guó)防基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為世界上最重要的行業(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2研磨固結(jié)2.1研磨對(duì)硅單晶片曲度、平滑度與平行度的影響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蠊鑶尉趻伖膺^程中表面磨除量?jī)H約5μm,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(huì)對(duì)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2.2減少熱應(yīng)力研磨液的制備方法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(rùn)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)力研磨液在加工中的主要作用有以下幾個(gè)方面。(1)懸浮性的影響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(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生沉淀,這會(huì)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(2)高壓能力的提高研磨液能減少磨粒、磨屑與研磨表面之間的摩擦,起到潤(rùn)滑的作用。它具有潤(rùn)滑、耐高溫、耐高壓的能力。在潤(rùn)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(rùn)滑狀態(tài)較好的條件下,用于高溫、高壓的研磨加工,起潤(rùn)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(3)研磨液的冷卻性能好。在研磨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(duì)工件表面潤(rùn)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(rùn)滑性,可獲得比較理想的液體。冷卻性和潤(rùn)滑性并用,相互補(bǔ)充,取得了優(yōu)越的使用效果(4)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(5)研磨液用量增加在研磨加工時(shí),會(huì)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(tái)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(shí)往往可通過增強(qiáng)研磨液的動(dòng)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)防雨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2.3聚羧酸wrt二甲酸酯聚乳酸復(fù)合聚酯纖維/膠質(zhì)復(fù)合材料洛陽軸承廠研制的LZ83-1研磨液在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。此產(chǎn)品是潤(rùn)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(rùn)滑積壓性、冷卻、清洗、防銹性。對(duì)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(guó)內(nèi)主流產(chǎn)品,美國(guó)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(rùn)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(rùn)滑劑1~3份、水70~80份。這種研磨液提供一種對(duì)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(duì)大粒徑(W40-50)磨料具有優(yōu)秀的懸浮分散能力,24h的懸浮率可在80%以上,它提高加工對(duì)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(jiǎn)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(jì)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(duì)部件及研磨機(jī)保護(hù)效果好。使用時(shí)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(dòng)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(shí)使用方法:研磨砂2.5kg、水4800ml、防銹研磨液200ml,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(shí),水與防銹研磨液比例為20∶1。美國(guó)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(jià)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41cm的硅單晶,硅片加工平整度小于0.3μm。進(jìn)口產(chǎn)品HGS518-X的pH值較低,約8.6左右,價(jià)格較高,滲透性和對(duì)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(píng)審的FA/O切削液、倒角液、磨削液達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平,在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。該產(chǎn)品是由潤(rùn)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(rùn)滑積壓性、冷卻、清洗、防銹性,對(duì)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原則和改進(jìn)方向3.1表面活性物質(zhì)的作用表面活性劑是在表面具有表面活性的物質(zhì)當(dāng)顆粒以物理吸附的形式吸附于硅片表面時(shí),向溶液中加入表面活性劑,活性劑分子會(huì)借助潤(rùn)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(huì)與硅片表面形成多點(diǎn)吸附,顆粒在硅片表面移動(dòng)時(shí),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(shí)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(gè)顆粒從硅片表面分離開。活性劑分子在硅片和顆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當(dāng)固體顆粒團(tuán)塊受到機(jī)械力作用時(shí),會(huì)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(shí),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(dòng)吸附在顆粒的表面上,而且還可自動(dòng)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(shí),液體中的顆粒會(huì)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(shí)受力均勻。3.2離子型表面活性劑的增效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(zhǎng)增加時(shí),效率提高,但當(dāng)鏈長(zhǎng)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí),再增加鏈長(zhǎng)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(shí),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(dòng)時(shí),效率降低,有效值卻增加。總之,長(zhǎng)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(zhǎng)的增加而增加,但長(zhǎng)鏈的有效值比短鏈的同系物低。表面活性劑的種類繁多,對(duì)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(gè)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