CN113621313A - 一种单晶硅化学机械抛光液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶硅化学机械抛光液，所述抛光液由以下重量百分比的原料组成：磨料0.1％wt‑40％wt、电解质0.05％wt‑5％wt、表面活性剂1％wt‑35％wt、余量去离子水；并采用pH调节剂将所述抛光液的pH值调节至8.5‑11.5。本发明还公开了一种单晶硅化学机械抛光液的制备方法，首先将磨料加入到去离子水中，搅拌均匀，再加入电解质和表面活性剂，进一步搅拌均匀，加入pH调节剂，调整混合液的pH值，充分搅拌均匀后，得到抛光液。采用本发明所述的单晶硅化学机械抛光液及其制备方法，能够解决现有的抛光液效率低，易在硅片表面留下损伤的问题，具有制备方法简单、易于操作、生产成本低的优点。

Description

一种单晶硅化学机械抛光液及其制备方法

技术领域

本发明涉及抛光液技术领域，尤其是涉及一种单晶硅化学机械抛光液及其制备方法。

背景技术

集成电路产业是信息技术的核心产业，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，是信息社会建设的重要基石。随着集成电路规模的不断扩大，硅材料已经成为其制造中应用最广的一种半导体材料，而半导体材料是制作半导体元件的核心，是芯片和电子设备制造工业的基础。目前，全球95％以上的半导体器件和99％以上的集成电路采用单晶硅作为衬底材料。从技术成熟度和产业规模来看，以单晶硅为基础的第一代半导体材料仍然占据集成电路领域的统治地位。

化学机械抛光是目前为止唯一能够实现硅片局部和全局平坦化的工艺技术，被广泛应用在半导体制造领域。但是，现有的硅片化学机械抛光液加工效率很低，容易在硅片表面留下损伤。

发明内容

本发明的目的是提供一种单晶硅化学机械抛光液，解决现有的抛光液效率低，易在硅片表面留下损伤的问题。本发明的另一个目的是提供一种单晶硅化学机械抛光液的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种单晶硅化学机械抛光液，所述抛光液由以下重量百分比的原料组成：磨料0.1％wt-40％wt、电解质0.05％wt-5％wt、表面活性剂1％wt-35％wt、余量去离子水；并采用pH调节剂将所述抛光液的pH值调节至8.5-11.5。

优选的，所述磨料为核壳结构的纳米复合颗粒，所述核壳结构的纳米复合颗粒包括内核和外壳，外壳包覆在内核的外部；内核为氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化钛、金刚石中的一种或几种的混合物；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

优选的，所述电解质为有机磷盐和/或有机铵盐。

优选的，所述表面活性剂为阴离子型有机硅表面活性剂、磺酸盐类氟碳表面活性剂、非离子型氟碳表面活性剂的一种或几种的混合物。

优选的，所述表面活性剂为含有F^-、Cl^-、NH⁴⁺中的一种或几种活性离子的表面活性剂。

优选的，所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙二胺，二羟乙基乙二胺、三乙醇胺、乙二醇中的一种或几种的混合物。

上述单晶硅化学机械抛光液的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据设定的配比称取磨料、电解质、表面活性剂和去离子水；

(2)将磨料加入到去离子水中，搅拌均匀，再加入电解质和表面活性剂，进一步搅拌均匀，获得混合液；

(3)在获得的混合液中加入pH调节剂，调整混合液的pH值至8.5-11.5，充分搅拌均匀后，得到抛光液。

本发明所述的单晶硅化学机械抛光液及其制备方法的优点和积极效果是：

(1)本发明所述的单晶硅化学机械抛光液通过表面活性剂的活性原子(离子)在工件表面进行扩散，改变单晶硅材料的表面理化特性，降低硅片表面的硬度，以提高材料去除速率。

(2)本发明所述的单晶硅化学机械抛光液引入机磷盐和/或有机铵盐电解质以平衡化学与机械抛光之间的作用力，改善材料表面的脆性，降低表面粗糙度，并具有亚表面损伤小的特点，实现后道外延工序所需要的无缺陷超精密表面。

(3)本发明所述的单晶硅化学机械抛光液的制备方法简单，易于操作，不需要昂贵设备的投入，生产成本低。

下面通过实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

一种单晶硅化学机械抛光液，抛光液由以下重量百分比的原料组成：磨料0.1％wt-40％wt、电解质0.05％wt-5％wt、表面活性剂1％wt-35％wt、余量去离子水；并采用pH调节剂将所述抛光液的pH值调节至8.5-11.5。

磨料为核壳结构的纳米复合颗粒，核壳结构的纳米复合颗粒包括内核和外壳，外壳包覆在内核的外部；内核为氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化钛、金刚石中的一种或几种的混合物；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

电解质为有机磷盐和/或有机铵盐。

表面活性剂为阴离子型有机硅表面活性剂、磺酸盐类氟碳表面活性剂、非离子型氟碳表面活性剂的一种或几种的混合物。

表面活性剂还可以为含有F^-、Cl^-、NH⁴⁺中的一种或几种活性离子的表面活性剂。

pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙二胺，二羟乙基乙二胺、三乙醇胺、乙二醇中的一种或几种的混合物。

上述单晶硅化学机械抛光液的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据设定的配比称取磨料、电解质、表面活性剂和去离子水；

(2)将磨料加入到去离子水中，搅拌均匀，再加入电解质和表面活性剂，进一步搅拌均匀，获得混合液；

(3)在获得的混合液中加入pH调节剂，调整混合液的pH值至8.5-11.5，充分搅拌均匀后，得到抛光液。

本发明所述的单晶硅化学机械抛光液中的磨料采用具有核壳结构的纳米复合颗粒，其离子化丙烯酸衍生物树脂外壳具有良好的亲水、亲油平衡性，有利于带电量的环境稳定性，易于使磨料粒子表面形成双电层，增加颗粒之间的静电斥力，从而减弱颗粒沉降趋势，提高了磨料在抛光液中的悬浮性和流动性，使磨料易于使用，储存时间长，提高了其循环利用的寿命。磨料与表面活性剂的协同作用，提高抛光液对单晶硅的抛光效率；

本发明所述的单晶硅化学机械抛光液通过引入阴离子型有机硅表面活性剂、磺酸盐类氟碳表面活性剂、非离子型氟碳表面活性剂或含有F^-、Cl^-、NH⁴⁺中的一种或几种活性离子的表面活性剂来改性单晶硅表面，大大提高了抛光效率；同时引入有机磷盐和/或有机铵盐电解质以平衡化学与机械抛光之间的作用力，解决了表面橘皮现象，实现单晶硅后道外延工序所需要的无缺陷超精密表面。抛光液中表面活性剂和电解质在碱性条件下具有较好的稳定性，提高了抛光液的抛光效率和循环利用的寿命。

将本发明的抛光液用于第一代半导体单晶硅的抛光，极大提高了抛光效率，且抛光表面无坑点、无划伤，单晶硅片的表面质量好，完全满足后一道工序的生产要求。

以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

本实施例中单晶硅化学机械抛光液由以下重量百分比的原料组成：磨料26％wt、电解质3％wt、表面活性剂26％wt、余量为去离子水；并采用pH调节剂将抛光液的pH值调节至9。

磨料为核壳结构的纳米复合颗粒，其内核分别为氧化硅、氧化铈和金刚石，外壳均为离子化丙烯酸衍生物树脂。氧化硅、氧化铈和金刚石的质量比为3：2：1。

电解质由质量比为1：1的有机磷盐和有机铵盐组成。

表面活性剂由质量比为3：2：1的阴离子型有机硅表面活性剂、磺酸盐类氟碳和非离子型氟碳表面活性剂组成。

pH调节剂为氨水。

实施例2

本实施例中单晶硅化学机械抛光液由以下质量百分比的原料组成：磨料12％wt、电解质5％wt、表面活性剂18％wt、余量为去离子水；并采用pH调节剂将抛光液的pH值调节至10.5。

磨料为核壳结构的纳米复合颗粒，其内核为氧化钛，外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

电解质为有机铵盐。

表面活性剂为阴离子型有机硅表面活性剂。

pH调节剂由质量比为1：2.9的乙二胺和氢氧化钾组成。

实施例3

本实施例中单晶硅化学机械抛光液由以下重量百分比的原料组成：磨料30％wt、电解质1％wt、表面活性剂30％wt、余量为去离子水；并采用pH调节剂将抛光液的pH值调节至8.5。

磨料为核壳结构的纳米复合颗粒，其内核分别为氧化硅和氧化铝，外壳均为离子化丙烯酸衍生物树脂，氧化硅和氧化铝的质量比为2：1。

电解质由质量比为1：1.2的有机磷盐和有机铵盐组成。

表面活性剂为磺酸盐类氟碳。

pH调节剂由质量比为4.6：1的二羟乙基乙二胺和三乙醇胺组成。

实施例4

本实施例中单晶硅化学机械抛光液由以下重量百分比的原料组成：磨料16％wt、电解质5％wt、表面活性剂28％wt、余量为去离子水；并采用pH调节剂将抛光液的pH值调节至10。

磨料为核壳结构的纳米复合颗粒，其内核分别为氧化硅和金刚石，外壳均为离子化丙烯酸衍生物树脂，氧化硅和金刚石的质量比为1：1。

电解质由质量比为2：1的有机磷盐和有机铵盐组成。

表面活性剂由质量比为3：1的NH₄F和NH₄Cl表面活性剂组成。

pH调节剂由质量比为4.6：2：1.5的二羟乙基乙二胺、三乙醇胺和氢氧化钠组成。

实施例5

本实施例中单晶硅化学机械抛光液由以下重量百分比的原料组成：磨料36％wt、电解质1.5％wt、表面活性剂18％wt、余量为去离子水；并采用pH调节剂将抛光液的pH值调节至11.5。

磨料为核壳结构的纳米复合颗粒，其内核为金刚石，外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

电解质由质量比为2：3的有机磷盐和有机铵盐组成。

表面活性剂为NH₄F表面活性剂。

pH调节剂由质量比为3.1：1的氢氧化钠和三乙醇胺组成。

对比例1

本对比例中单晶硅化学机械抛光液，其配方与实施例1的基本相似，其主要不同之处在于，磨料以常规硅溶胶的方式添加至抛光液中。

对比例2

本对比例中单晶硅化学机械抛光液，其配方与实施例1的基本相似，其主要不同之处在于，抛光液中不含电解质。

对比例3

本对比例中单晶硅化学机械抛光液，其配方与实施例1的基本相似，其主要不同之处在于，表面活性剂仅为阴离子型有机硅表面活性剂。

对比例4

本对比例中单晶硅化学机械抛光液，其配方与实施例1的基本相似，其主要不同之处在于，表面活性剂仅为磺酸盐类氟碳表面活性剂。

对比例5

本对比例中单晶硅化学机械抛光液，其配方与实施例1的基本相似，其主要不同之处在于，表面活性剂仅为非离子型氟碳表面活性剂。

将实施例1-5和对比例1-5采用本发明所述的方法制备得到的抛光液进行性能测试。

抛光效率测试：将所制样品在圣高单面抛光机上抛光，测试条件如下：下压：5psi，下盘以及载盘转速80r/min，抛光液流速：100ml/min，抛光垫材料：黑色阻尼布；抛光时间30分钟。单晶硅片用于抛光测试。以单晶硅材料去除率来判断抛光效率。

外观观察：通过肉眼观察的方式，判断各表面外观的瑕疵情况和是否出现橘皮现象；采用光泽仪测试各工件表面的光泽度。

其结果如下表所示：

因此，采用本发明所述的单晶硅化学机械抛光液及其制备方法，能够解决现有的抛光液效率低，易在硅片表面留下损伤的问题，具有制备方法简单、易于操作、生产成本低的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种单晶硅化学机械抛光液，其特征在于：所述抛光液由以下重量百分比的原料组成：磨料0.1％wt-40％wt、电解质0.05％wt-5％wt、表面活性剂1％wt-35％wt、余量去离子水；并采用pH调节剂将所述抛光液的pH值调节至8.5-11.5。

2.如权利要求1所述的单晶硅化学机械抛光液，其特征在于：所述磨料为核壳结构的纳米复合颗粒，所述核壳结构的纳米复合颗粒包括内核和外壳，外壳包覆在内核的外部；内核为氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化钛、金刚石中的一种或几种的混合物；外壳为离子化丙烯酸衍生物树脂。

3.如权利要求1所述的单晶硅化学机械抛光液，其特征在于：所述电解质为有机磷盐和/或有机铵盐。

4.如权利要求1所述的单晶硅化学机械抛光液，其特征在于：所述表面活性剂为阴离子型有机硅表面活性剂、磺酸盐类氟碳表面活性剂、非离子型氟碳表面活性剂的一种或几种的混合物。

5.如权利要求1所述的单晶硅化学机械抛光液，其特征在于：所述表面活性剂为含有F^-、Cl^-、NH⁴⁺中的一种或几种活性离子的表面活性剂。

6.如权利要求1所述的单晶硅化学机械抛光液，其特征在于：所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙二胺，二羟乙基乙二胺、三乙醇胺、乙二醇中的一种或几种的混合物。

7.如权利要求1-6任一项所述的单晶硅化学机械抛光液的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据设定的配比称取磨料、电解质、表面活性剂和去离子水；

(2)将磨料加入到去离子水中，搅拌均匀，再加入电解质和表面活性剂，进一步搅拌均匀，获得混合液；

(3)在获得的混合液中加入pH调节剂，调整混合液的pH值至8.5-11.5，充分搅拌均匀后，得到抛光液。