硅溶胶在化学机械抛光(CMP)领域的应用

针对碳化硅、氮化铝、氮化硅、磷化铟、砷化镓、氮化镓、铌酸锂、钽酸锂等半导体材料领域的高端研磨抛光,国瑞升专门研发包含线切割的金刚石砂浆和微粉、B₄C悬浮液、单晶多晶类多晶金刚石研磨液和微粉、氧化铝抛光液、CMP抛光液、聚氨酯&阻尼布研磨垫等

前言

目前,电子产品的先进制造业的快速发展方向为高精度(纳米级的控制精度,亚纳米级的加工精度)、高性能(T级的储存量和CPU主频)、高集成度(纳米级的线宽)以及可靠性(小于1/109的千小时失效率),因此,对加工工件表面的局部平整度和整体平整度都提出了前所未有的高要求(要求达到亚纳米量级的表面粗糙度),同时对超精密加工技术的水平提出了严峻的挑战(www.rkLc.net)。

表面平整化加工的重要手段是抛光,常见的抛光技术如机械抛光、化学抛光、磁研磨抛光、流体抛光、电化学抛光、离子束轰击抛光、浮法抛光等,均属于局部平坦化技术,且平坦化能力从几微米到几十微米不等,但是国际上普遍认为,加工工件特征尺寸在0.35μm以下时,必须进行全局平坦化,而目前唯一可以提供整体平面化的表面精加工技术就是超精密化学机械抛光技术(CMP)。

例如在硅晶片的加工过程中,晶片通过吸附作用固定在与其同方向旋转的聚氨酯抛光垫上,抛光浆料通过蠕动泵不断的流到抛光垫上,使之在晶片和抛光垫之间持续流动,晶片表面与抛光浆料发生反应,通过抛光头的高速运动使反应物不断去除,达到使晶片表面平整、光洁度高的作用。

化学机械抛光原理图

国瑞升GRISH®聚氨酯抛光垫

化学机械抛光技术是化学作用和机械作用相结合的技术,实际上其微观过程相当复杂,影响因素也很多。CMP设备、抛光液、抛光垫、后清洗设备、抛光终点检测设备等等都对晶片的抛光速率和抛光质量产生重要影响。其中抛光液既影响CMP化学作用过程,又影响CMP机械作用过程,是影响CMP质量的决定性因素之一。

目前国内外常用的抛光液有SiO2胶体(硅溶胶)抛光液、二氧化铈抛光液、氧化铝抛光液、纳米金刚石抛光液等。

几种抛光液有不同的应用特点:

01

硅溶胶抛光液

因为抛光浆料的选取要满足易清洗、抛光速率快以及抛光均匀性好等特点,而硅溶胶作为一种软质磨料是在SiO2磨粒表面包覆一层无色透明胶体,使其硬度比SiO2磨粒更软,其粒度约为0.01-0.1um,加工时抛光表面不易造成划伤,同时其胶体粒子直径为纳米级,具有较大的比表面积,高度的分散性和渗透性,因其粒子表面常吸附OH-而带负电,具有很好的亲水性和憎油性,因此广泛应用于硅片、二氧化硅、蓝宝石等精密光学器件表面的抛光处理。

硅溶胶CMP抛光液

由于二氧化硅粒度很细,约0.01-0.1μm,因此抛光工件表面的损伤层极微;另外,二氧化硅的硬度和硅片的硬度相近,因此常用于对半导体硅片的抛光。精抛时通常不会采用类似气相法制备的微米级二氧化硅粒子,而采用纳米级的硅溶胶,这是为了减小表面粗糙度和损伤层深度

国瑞升GRISH®CMP抛光液

二氧化硅是硅溶胶抛光液的重要组成部分,其粒径大小、致密度、分散度等因素直接影响化学机械抛光的速率和抛光质量。

国瑞升GRISH®CMP抛光液产品特点

★均匀的球形SiO2 粒子

★去除率高,抛光性能稳定

★精密的抛光质量,Ra<0.2nm、TTV<3μm

★可循环使用多次

★适用于35℃以下的低温抛光工艺

★可选用中性或弱酸性抛光液对应

02

二氧化铈抛光液

随着工件尺寸的缩小,传统的硅容易在尺寸较大的集成电路STI(浅沟隔离)处形成蝶形缺陷,采用氧化铈作为研磨颗粒的第二代抛光液,具有高选择性和抛光终点自动停止的特性,配合粗抛和精抛,能够十分有效解决第一代STI工艺缺点。

二氧化铈硬度小、稳定性好、分散均一性好,可以得到较高的表面质量,但由于商品化的二氧化铈一般采用粉碎工艺制备而成,存在颗粒不均一,影响抛光质量,因此需研究均一性好的纳米级二氧化铈的制备。不过因为铈属于稀有金属,并且二氧化铈提纯难度大,导致二氧化铈价格昂贵,所制备的抛光液性价比不高。

二氧化铈抛光液

03

氧化铝抛光液

纳米氧化铝广泛适用于光学镜头、单芯光纤连接器、微晶玻璃基板、晶体表面等方面的精密抛光,目前蓝光和白光LED的芯片中大多采用蓝宝石晶片,用Al2O3抛光液一次完成蓝宝石晶片研磨和抛光,也在如今应用十分普遍。

由于纳米α-氧化铝(刚玉)的硬度很高,抛光时对工件表面造成严重的损伤;又因为纳米氧化铝的表面能比较高,纳米粒子易团聚,造成对抛光工件的划痕、凹坑等表面缺陷,通常在应用中需要对纳米氧化铝表面进行改性。同时由于氧化铝磨料的硬度大,对软质工件进行抛光时很容易划伤工件表面,因此不太适合较软质的工件的抛光。

国瑞升GRISH®氧化铝抛光液

国瑞升GRISH®氧化铝抛光液 产品规格

国瑞升也提供二氧化铈、氧化铝、碳化硅等精细抛光粉,具体规格请致电 或进店咨询:

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04

纳米金刚石抛光液

纳米金刚石具有金刚石和纳米颗粒的双重特性,而且碳表面极易受化学改性的影响,能和任何极性介质兼容,除此以外,纳米金刚石具有超硬、比表面积大、形状呈球形以及表面多孔等特点,因此,纳米金刚石可以配制成理想的抛光液,广泛用于硬质材料的超精密抛光过程

国瑞升GRISH®单晶金刚石微粉电镜图

国瑞升GRISH®多晶(聚晶)金刚石微粉电镜图

国瑞升GRISH®类多晶金刚石微粉电镜图

目前欧美、日本等在纳米金刚石抛光液的配制技术方面走在前沿,而国内在抛光液研究方面刚刚起步,还有很大的发展空间。但是纳米金刚石很容易团聚,在介质中的分散稳定性很差,这是因为纳米金刚石比表面积大,表面能高。因此纳米金刚石的分散成为了世界共同的技术难题。

国瑞升GRISH®单晶金刚石研磨液

国瑞升GRISH®多晶(聚晶)金刚石研磨液

国瑞升GRISH®多晶(聚晶)金刚石研磨液产品特点

★微粉原料自产,保证选择优质微粉材料;

★特殊配方,分散性好,去除率高,划痕少;

★产品研磨速率稳定,抛光表面一致性好。

国瑞升GRISH®类多晶金刚石研磨液

国瑞升也提供单晶、多晶、类多晶金刚石微粉,具体规格请致电 或进店咨询:

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结语

目前应用最成熟的还是氧化铝抛光液,但二氧化铈在硅晶片抛光领域也有其优势作用,而纳米金刚石抛光液在应用推广上还需一定的发展,硅溶胶抛光液在如今的制备技术更为成熟之后,无疑也会有着广阔的应用空间。

但就目前的应用效果来看,以硅溶胶为磨料的化学机械抛光基本可以达到较低的表面粗糙度,但材料去除速率相比于硬度更大的磨料会偏低,需要进一步改善,通过复合磨料改性来增强单一磨料某些方面的性能也成为一大潮流。

根据抛光工件的特性,通过对硅溶胶的粒径、软硬度及PH等性质进行改善,使硅溶胶能够面向更广的应用需求,硅溶胶在化学机械抛光领域的应用前景十分广阔。

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参考来源:

1.硅溶胶化学机械抛光液的研究,夏琳,河南工业大学;

2.硅溶胶对单晶SiC化学机械抛光影响研究,徐沛杰,广东工业大学;

3.改性硅溶胶制备及其对蓝宝石抛光性能的研究,张雷,合肥工业大学;

公司名称:苏州迪赞工业设计有限公司