表面活性剂在半导体硅材料加工技术中的应用.pdf
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1、2004 年 4 月河北工业大学学报April 2004 第 33 卷第 2 期JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.33 No.2 文章编号:1007-2373 (2004) 02-0072-05 表面活性剂在半导体硅材料加工技术中的应用 刘玉岭,檀柏梅,赵之雯,郝子宇 ( 河北工业大学 信息工程学院,天津 300130 ) 摘要:表面活性剂以其特有的降低表面张力特性、分散悬浮及润湿渗透作用在微电子工业中应 用越来越广泛,尤其是在硅材料的切片、磨片、抛光及清洗工艺中的应用已成为减少损伤、缺 陷和污染的必不可少的辅助材料本文主要对表面活性剂的
2、作用机理及对硅表面性能的影响进 行分析讨论 关键词:硅片;表面活性剂;渗透;分散;清洗 中图分类号:TN304文献标识码:A 引言 随着集成电路向高频、超高频、超大规模集成等方面的发展,对硅片质量精度的要求越来越高要 想达到较高的精度就必须对硅单晶的每一道加工工序严格把关切片、磨片、抛光虽属于硅的前道加工 工序,但仍是不可忽略的一个环节,加工过程中浆料的研制与使用已成为一个亟待解决的问题,但浆料 的研究需涉及到机械、半导体材料、表面物理、表面化学、精细化工等多方面的知识,从技术上实现新 突破有很大难度浆料的质量会直接影响硅片表面缺陷,损伤,洁净,应力,以及对设备的磨损、腐蚀 等由于应力的存在还
3、会产生位错,位错的存在又会产生如下危害:1)造成金属杂质的沉淀,而使器 件的特性变软,或漏电流增加;2)杂质在位错处扩散较快,而造成 P-N 结不平坦,出现局部的突 起区域,使器件击穿电压下降;3)位错可以起复合中心的作用,使载流子寿命降低,因而造成器件的 放大系数减小;4)位错区域晶格发生畸变,存在应力场,因此在器件工艺过程的热应力又会造成位错 倍增,或造成外延生长层的位错倍增 1 国际上先进的切片、磨片、抛光浆料中所选用的化学成份虽有很大区别,但都使用了一定量的表面 活性剂,表面活性剂在不同的工序中所起的作用也不尽一致本文对切片、磨片、抛光及清洗工艺中应 用的表面活性剂的种类及作用进行讨论
4、分析,并对其发展趋势进行了展望 表面活性剂的特性 表面活性物质具有吸附、润湿、渗透、分散、增溶等特性,表面活性剂降低液体表面张力的根本原 因是通过吸附作用使水表面形成定向吸附层,以分子间吸引力较弱的疏水基(碳氢基)代替分子间作用 力较强的水分子使空气和水的接触面积减少,从而使水的表面张力急剧下降 2表面活性剂的润湿渗透 作用的强弱是由亲水基和憎水基种类不同、 分子量大小和结构的差异引起的 通常分为离子型与非离子 型,在微电子行业考虑到金属离子的危害,多用非离子型表面活性剂非离子表面活性剂有如下优点: a)它在水溶液中以分子状态存在,稳定性好,不受强电解质存在的影响,也不受酸碱的影响;b)在固
5、体表面难以发生强烈吸附(便于以后清洗) ;c)有较好的相容性,可以和其他类型的表面活性剂很好地 混合使用,且在降低水的表面张力和 CMC 3(临界胶束浓度)这两个基本性质上非离子表面活性剂优 收稿日期:2004-04-02 作者简介:刘玉岭(1942- ) ,男(汉族) ,教授,博士生导师 73表面活性剂在半导体硅材料加工技术中的应用 于离子型表面活性剂,因为它的分子不带电,容易靠拢,易形成胶团及致密的表面吸附层所以,CMC 值较小,而降低表面张力较大,即有较高的表面活性;d) 随着石油工业的发展,原料成本降低,非离 子表面活性剂可得到较广泛的应用目前常用的非离子表面活性剂种类,从亲水基上看,
6、分为多元醇型 和聚醚醇型多元醇型表面活性剂具有优良的乳化、增溶、润湿、扩散、渗透和抗静电能力河北工业 大学刘玉岭教授发明的 FA/O 多元胺醇型活性剂 (1999 年获国家发明奖) 具有渗透性好,润湿力强,生 物降解性高 表面活性剂在切片工艺中的作用 切片是硅单晶由晶棒变成硅片的一个重要步骤,硅单晶的切片工艺主要有两种:内圆切割和线切 割对于内圆切割,国内大多采用水作为切削冷却液,由于硅的硬度较高,在切割过程中会产生大量的 摩削热,硅片表面会出现毛刺、崩缺、刀痕等不良现象,致使切速无法提高,耗时较长,工序生产效率 低下,随着晶体直径的增大,这种限制尤为明显切片过程中硅片因机械作用造成的刀痕、损
7、伤、破损 会导致产生包括机械应力和热应力在内的应力, 进而产生滑移位错, 当机械应力与热应力在高温处理过 程中的作用超过晶体滑移临界应力时会产生硅片的破碎,而且重金属杂质在缺陷中更易扩散, 因此必须 减少刀痕线切割工艺中同样存在上述问题,目前大多线切割液为国外进口,多注意了悬浮金刚砂,要 求有极好的悬浮性和合适的粘度 切割过程中如何提高化学作用以降低强机械作用造成的损伤及降低应 力与减少断线是线切割新技术的研究突破点 在切片过程中使用切削液最关键的参数为降低摩擦力,降低磨损层,减小应力和微裂,提高效率与 刀具寿命,降低修刀率,防止设备生锈,使切片清洁易清洗本课题组 5 在仔细研究和分析切片工艺
8、 的基础上,研制出 FA/O 型切削液,具有对金属离子螯合、冷却、化学腐蚀、强渗透、防锈、润滑等作 用;在切削液中加入表面活性剂可起到降低切片机械摩擦力、减少磨损、润滑作用 6,保护了刀具,减 少了修刀次数,提高了切片效率、成品率和硅片质量 减小摩擦 在刀具与被切入的硅片之间形成润滑膜,将摩擦表面隔开,使硅片表面与刀具间的摩擦转化为具有 较低抗剪切强度的润滑膜分子间的内摩擦,从而降低摩擦阻力和能源消耗,减小了损伤、应力与微裂, 降低切点温度,使摩擦副运动平稳,提高切削速率,延长刀具寿命表面活性剂起润滑作用的为憎水基 烃链,且在烃链中含有苯环时润滑效果较好,但同时还应考虑到它的其他性能,即是否溶
9、于水,对其他 表面活性剂的影响如何,一般润滑剂选择的依据,为了有良好的润滑性选择憎水基烃链中含有苯环较 佳、能溶于水,并有较好的渗透性从而使其综合性能提高 减少磨损 在硅的切削中,主要是在强机械作用下,由于应力和原子间力而产生磨损,应力产生磨料磨损与扩 散磨损,原子间力产生粘结磨损,刀面与硅表面接触时或相对运动时,实际上只在若干个微凸端(解理 面)产生接触,这些接触点应力很大,产生塑性变形,接触点由于粘着和焊合而形成结点,剪切发生在 强度较低的材料一方,而强度较高材料表面上将粘附较软的材料而产生磨损,则会造成硅表面出现刀 痕、微裂、损伤层加大,刀具寿命减少又由于切割点的温度极高达数百度,出现温
10、度梯度,产生热应 力和机械应力,产生位错和扩散磨损,即金属杂质随应力的加大和温度的升高而逐渐扩散到硅片中去, 而表面活性剂在刀具与硅片之间可形成一层润滑膜,使结合点的强度低于摩擦中任一材料的剪切强度, 即在二者原来的接触面处剪断,便可降低磨损,又降低温度,同时形成一层润滑膜,使刀具与硅片的接 触面积增大,从而降低了各个孤立点的温度与应力,也减少了位错与扩散磨损,同时又增加了刀具的寿 命,减少微裂与损伤,降低了修刀率 74河北工业大学学报2004 年第 2 期 表面活性剂在磨片工艺中的作用 切片之后一般有刀痕,硅单晶片由上至下是破碎层、损伤层、畸变层,最后一个是在畸变层下面由 应力引起的应力延伸
11、在表面有损伤的地方,P N 结的二极管噪声将增加,这对于器件来说是极其不 利的;并且在应力大的地方会增强 PN 结的扩散,形成 P N 结低击穿,金属离子比较密集,造成漏电 流增加,形成软击穿为了提高器件或集成电路的性能,必须使磨削液具有在除去破损层的时候能降低 损伤层和应力层的能力 在磨削液中加入表面活性剂,可使其产生良好的渗透作用和分散悬浮作用,渗透到磨料微粒之下, 在磨粒的大强度摩擦后轻易去除破损层,又不至于伤害工件表面,提高工作的效率和速率,提高经济效 益减少磨料之间的摩擦,减少不必要的缺陷和破坏,使电子器件精度和优越性大大提高 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
12、通过自身分子力的作用而愈合当 分散介质有表面活性剂存在时,表面活性剂分子会进入裂缝中吸附在固体界面上,产生一种“劈楔作 用” 微裂缝不但无法愈合,而且越来越深和扩大,最后使它分裂成碎块,使得在相同机理下会提高研 磨效率 由于分散体系具有巨大的表面积,表面能很大,是热力学不稳定体系表面活性剂吸附在固液界 面上,大大降低了表面自由能,减少了它们相互聚结的趋势另外,由于表面活性剂吸附,使固体表面 吸附层增厚,形成空间位垒,会使其稳定性增加 7阻碍颗粒相互靠拢,使新的表面裸露出来与磨料接 触,并提高质量传输速率,进一步研磨使研磨效率大大提高 表面活性剂在抛光工艺中的作用 IC 特征尺寸的纳米化使得光刻
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- 表面活性剂 半导体 材料 加工 技术 中的 应用
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