CN112908834A - 一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体的超精密加工技术领域，具体涉及一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法。一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，包括以下步骤：(1)粗抛光：将硅晶圆衬底用粗抛光液进行化学机械抛光；所述粗抛光液由氧化铈、去离子水、分散剂和pH调配剂制备而成；(2)精抛光：将粗抛光后硅晶圆衬底用精抛光液进行化学机械抛光；所述精抛光液由氧化铈、去离子水和分散剂制备而成。本发明的抛光方法采用两步化学机械抛光方法，通过采用不同粒径的氧化铈抛光液及不同抛光垫和不同pH条件，控制抛光盘的压力大小和中心齿轮转速比，可有效提高硅晶圆衬底片抛光效率，而且抛光后的衬底片平均厚度差小，弯曲翘曲度低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体的超精密加工技术领域，具体涉及一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法。
背景技术
衬底材料在半导体产业中是一种重要的上游产品，其通常的制备方式是经过晶体生长得到晶锭，晶锭进行切割、研磨、机械抛光、化学机械抛光、清洗、封装，得到可以用于外延的开盒即用衬底片。外延工艺对于衬底片的要求包括表面无损伤无划痕，具有较低的厚度差和较小的弯曲翘曲度，具有较好的表面平整度。
在衬底材料的加工过程中，长时间的研磨抛光过程会给衬底片带来加工应力，使得其面型变差，弯曲翘曲度变大。特别是其中的化学机械抛光工序，该工序的作用是除去机械抛光工序带来的表面损伤，获得原子级别的表面粗糙度。但是一般的化学机械抛光工序需要时长4个小时以上，分三步化学机械抛光方法，粗抛、半精抛、精抛，较低的材料去除率使得抛光工艺的时间成本较高，且极大的增加了衬底片中的应力，使其面型很差，难以符合外延工艺要求。抛光过程中还需添加一定强酸、强碱、强氧化物等对操作者、操作环境危险有害的化学试剂，需要专门的废液处理，不符合现代绿色环保加工的发展理念。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，其不仅更符合环保要求，避免对操作者身体的伤害；而且可以减少表面缺陷和损伤，获得表面粗糙度值为0.26-0.33nm的超光滑低损伤表面。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，，包括以下步骤：
(1)粗抛光：将硅晶圆衬底用粗抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10-20min，吹干；所述粗抛光液由氧化铈、去离子水、分散剂和pH调配剂制备而成；
(2)精抛光：将粗抛光后硅晶圆衬底用精抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10-20min，吹干；所述精抛光液由氧化铈、去离子水和分散剂制备而成。
作为优选，步骤(1)中抛光盘为合成纤维、无纺布或聚氨酯类结构的抛光盘；抛光压力为80-130kg，抛光时间为10-30min；抛光盘转速为40-50rpm，中心齿轮转速比为0.1-1.1；所述粗抛光液的pH值为7.5-8.0，流速为50-1000mL/min。
作为优选，骤(1)中所述氧化铈的粒径为100-200nm，氧化铈的重量百分比为3-20％。
作为优选，步骤(1)中所述分散剂选自聚丙烯酰胺、聚乙二醇和聚丙烯酸钠中的一种或多种，分散剂的重量百分比为0.1-2％。
作为优选，步骤(1)中所述pH调配剂选自三乙醇胺、乙醇胺、乙二胺和羟乙基乙二胺中的一种或多种。
作为优选，步骤(2)中抛光盘为阻尼布抛光盘；抛光压力为20-60kg，抛光时间为5-15min；抛光盘转速为20-50rpm；所述粗抛光液流速为50-100mL/min。
作为优选，步骤(2)中所述氧化铈的粒径为30-50nm，氧化铈的重量百分比为0.1-20％。
作为优选，步骤(2)中所述分散剂选自聚丙烯酸、聚乙二醇和聚丙烯酸钠中的一种或多种，分散剂的重量百分比为0.1-2％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的抛光方法采用两步化学机械抛光方法，通过采用不同粒径的氧化铈抛光液及不同抛光垫和不同pH条件，控制抛光盘的压力大小和中心齿轮转速比，可有效提高硅晶圆衬底片抛光效率，降低生产成本，实现对硅晶圆衬底片的快速抛光，获得面型较好的衬底抛光片，而且抛光后的衬底片平均厚度差小，弯曲翘曲度低。
(2)本发明抛光后的硅晶圆衬底表面粗糙度为0.36-0.48nm，总厚度变化≤2μm，弯曲度≤1μm，翘曲度≤1μm，且抛光后表面质量一致，无橘皮、划伤和雾状等缺陷，可应用于半导体的超精密加工技术领域。
(3)本发明的抛光方法可以使硬脆难加工材料硅晶圆衬底表面精度达到0.36nm，且可以大大缩短加工时间。
(4)本发明抛光方法中所使用的抛光液未加入双氧水等腐蚀液及强酸强碱，不仅更符合环保要求，避免对操作者身体的伤害，而且可以使抛光后的清洗更加容易，减少表面缺陷和损伤。
附图说明
图1为30nm氧化铈抛光液粗抛光后硅晶圆衬底表面的AFM扫描结果；
图2为100nm氧化铈抛光液粗抛光后硅晶圆衬底表面的AFM扫描结果；
图3为200nm氧化铈抛光液粗抛光后硅晶圆衬底表面的AFM扫描结果。
具体实施方式
下面结合对本发明专利的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域所属的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，包括以下步骤：
(1)上料：取5片4英寸硅晶圆衬底放于游星轮内；
(2)粗抛光：将硅晶圆衬底用粗抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10min，吹干；所述粗抛光液由氧化铈、去离子水、分散剂和pH调配剂制备而成；
(3)精抛光：将粗抛光后硅晶圆衬底用精抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10min，吹干；所述精抛光液由氧化铈、去离子水和分散剂制备而成。
在本实施例中，步骤(2)中抛光盘为无纺布抛光盘；抛光压力为110kg，抛光时间为25min；抛光盘转速为50rpm，中心齿轮转速比为0.6；所述粗抛光液的pH值为7.5，流速为1000mL/min；步骤(3)中抛光盘为阻尼布抛光盘；抛光压力为20kg，抛光时间为10min；抛光盘转速为25rpm，中心齿轮转速比为0.32；所述粗抛光液流速为100mL/min。
另外，在本实施例中，步骤(2)中所述氧化铈的粒径为100nm，氧化铈的重量百分比为5％；所述分散剂为聚丙烯酸钠，分散剂的重量百分比为0.1％；所述pH调配剂为三乙醇胺。
其次，在本实施例中，步骤(3)中所述氧化铈的粒径为30nm，氧化铈的重量百分比为3％；所述分散剂为聚丙烯酸钠，分散剂的重量百分比为0.1％。
实施例2
一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，包括以下步骤：
(1)上料：取5片4英寸硅晶圆衬底放于游星轮内；
(2)粗抛光：将硅晶圆衬底用粗抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10min，吹干；所述粗抛光液由氧化铈、去离子水、分散剂和pH调配剂制备而成；
(3)精抛光：将粗抛光后硅晶圆衬底用精抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10min，吹干；所述精抛光液由氧化铈、去离子水和分散剂制备而成。
在本实施例中，步骤(2)中抛光盘为无纺布抛光盘；抛光压力为130kg，抛光时间为30min；抛光盘转速为40rpm，中心齿轮转速比为0.3；所述粗抛光液的pH值为7.8，流速为80mL/min；步骤(3)中抛光盘为阻尼布抛光盘；抛光压力为20kg，抛光时间为15min；抛光盘转速为15rpm，中心齿轮转速比为0.28；所述粗抛光液流速为50mL/min。
另外，在本实施例中，步骤(2)中所述氧化铈的粒径为200nm，氧化铈的重量百分比为5％；所述分散剂为聚丙烯胺，分散剂的重量百分比为0.1％；所述pH调配剂为乙醇胺。
其次，在本实施例中，步骤(3)中所述氧化铈的粒径为30nm，氧化铈的重量百分比为3％；所述分散剂为聚丙烯酰胺，分散剂的重量百分比为0.1％。
实施例3
一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，包括以下步骤：
(1)上料：取5片4英寸硅晶圆衬底放于游星轮内；
(2)粗抛光：将硅晶圆衬底用粗抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10min，吹干；所述粗抛光液由氧化铈、去离子水、分散剂和pH调配剂制备而成；
(3)精抛光：将粗抛光后硅晶圆衬底用精抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10min，吹干；所述精抛光液由氧化铈、去离子水和分散剂制备而成。
在本实施例中，步骤(2)中抛光盘为聚氨酯抛光盘；抛光压力为130kg，抛光时间为20min；抛光盘转速为50rpm，中心齿轮转速比为0.8；所述粗抛光液的pH值为8.0，流速为100mL/min；步骤(3)中抛光盘为阻尼布抛光盘；抛光压力为30kg，抛光时间为15min；抛光盘转速为25rpm，中心齿轮转速比为0.5；所述粗抛光液流速为100mL/min。
另外，在本实施例中，步骤(2)中所述氧化铈的粒径为200nm，氧化铈的重量百分比为5％；所述分散剂为乙二醇，分散剂的重量百分比为0.1％；所述pH调配剂为乙二胺。
其次，在本实施例中，步骤(3)中所述氧化铈的粒径为50nm，氧化铈的重量百分比为3％；所述分散剂为聚乙二醇，分散剂的重量百分比为0.1％。
实施例4
对实施例1-3抛光后的硅晶圆衬底片的粗糙度、总厚度变化、弯曲度和翘曲度进行测定，测定结果见下表1。
表1本发明抛光后的硅晶圆衬底片表面测定结果
| 组别 | 粗糙度(nm) | 总厚度变化(μm) | 弯曲度(μm) | 翘曲度(μm) |
| 实施例1 | 0.36 | 1 | 1 | 1 |
| 实施例2 | 0.42 | 1 | 1 | 1 |
| 实施例3 | 0.48 | 2 | 1 | 1 |
从表1可以看出，实施例1-3得到的硅晶圆衬底片表面粗糙度＜1nm，总厚度变化≤2μm，弯曲度≤1μm，翘曲度≤1μm，说明本发明的抛光方法可应用于半导体的超精密加工技术领域。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (8)
1.一种硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)粗抛光：将硅晶圆衬底用粗抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10-20min，吹干；所述粗抛光液由氧化铈、去离子水、分散剂和pH调配剂制备而成；
(2)精抛光：将粗抛光后硅晶圆衬底用精抛光液进行化学机械抛光，抛光后用去离子水和乙醇分别超声清洗10-20min，吹干；所述精抛光液由氧化铈、去离子水和分散剂制备而成。
2.根据权利要求1所述的硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，其特征在于，步骤(1)中抛光盘为合成纤维、无纺布或聚氨酯类结构的抛光盘；抛光压力为80-130kg，抛光时间为10-30min；抛光盘转速为40-50rpm，中心齿轮转速比为0.1-1.1；所述粗抛光液的pH值为7.5-8.0，流速为50-1000mL/min。
3.根据权利要求1所述的硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，其特征在于，步骤(1)中所述氧化铈的粒径为100-200nm，氧化铈的重量百分比为3-20％。
4.根据权利要求1所述的硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，其特征在于，步骤(1)中所述分散剂选自聚丙烯酰胺、聚乙二醇和聚丙烯酸钠中的一种或多种，分散剂的重量百分比为0.1-2％。
5.根据权利要求1所述的硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，其特征在于，步骤(1)中所述pH调配剂选自三乙醇胺、乙醇胺、乙二胺和羟乙基乙二胺中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，其特征在于，步骤(2)中抛光盘为阻尼布抛光盘；抛光压力为20-60kg，抛光时间为5-15min；抛光盘转速为20-50rpm；所述粗抛光液流速为50-100mL/min。
7.根据权利要求1所述的硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，其特征在于，步骤(2)中所述氧化铈的粒径为30-50nm，氧化铈的重量百分比为0.1-20％。
8.根据权利要求1所述的硅晶圆衬底快速绿色环保双面抛光方法，其特征在于，步骤(2)中所述分散剂选自聚丙烯酸、聚乙二醇和聚丙烯酸钠中的一种或多种，分散剂的重量百分比为0.1-2％。
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