CN116023907A - 一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液及其应用,抛光液包括以下组分:0.01~40wt%的磨粒、0~10wt%的氧化剂、0~10wt%的络合剂、0~10wt%的复配缓蚀剂、水及少量pH值调节剂,其中,氧化剂选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵中的至少一种,复配缓蚀剂由唑类杂环化合物和阴离子表面活性剂组成。本发明通过调控氧化剂浓度,实现铜、镍等速去除;通过调控电化学腐蚀,实现铜、镍高表面质量。进一步,将化学机械抛光与机械研磨有机结合,应用于基于电化学沉积的微尺度3D打印中的平坦化步骤,可以有效克服现有磨削、研磨技术表面精度有待提升的问题,实现铜/镍微结构高质高效平坦化,获得良好的平坦度和表面质量,提升微机电系统的制造精度。

Description

一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液及其应用
技术领域
本发明属于微机电系统制造领域,具体涉及一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液。
背景技术
微机电系统具有体积小、成本低、精度高等优点,已被广泛用于交通运输、航空航天和生物医疗等领域的高端装备中。随着微机电系统的不断发展,集成度不断提高,对高精度复杂金属微结构的需求变得愈发迫切。为此,业界针对微机电系统应用需求,研发了多种复杂金属微结构制造方法,如基于电化学沉积的微尺度3D打印技术(ElectrochemicalFABrication,EFAB)。EFAB由美国南加州大学Cohen等人在1998年提出,是一种新颖的复杂金属微结构批量制造技术。从原理上,EFAB可以实现任意形状的三维金属微结构(AdamCohen,Gang Zhang,Fan-Gang Tseng,Florian Mansfeld,Uri Frodis,Peter Will,EFAB:batch production of functional,fully-dense metal parts with micron-scalefeatures,1998International Solid Freeform Fabrication Symposium,TheUniversity of Texas in Austin,August10-12,1998)。
依据参考文献(Adam Cohen,Richard Chen,Uri Frodis,Ming-Ting Wu,ChrisFolk,Microscale metal additive manufacturing of multi-component medicaldevices,Rapid Prototyping Journal,2010,16(3):209-215;明平美,李欣潮,张新民,秦歌,闫亮,张峻中,刘筱笛,电化学三维微沉积技术及其研究进展,中国科学:技术科学,2018,48(04):347-359),EFAB主要包括以下几个步骤:1)选择性电沉积结构金属到由掩模定义的基底区域;2)电沉积牺牲金属,以覆盖结构金属并填充未沉积的基底区域。根据需要,可以调整步骤1)和2)中结构金属和牺牲金属的电沉积顺序;3)平坦化由结构金属和牺牲金属组成的微结构,形成具有精确厚度和平坦度以及良好质量的表面;重复步骤1)-3),直到打印完成所有层;4)选择性刻蚀去除牺牲金属,获得复杂金属微结构。在上述步骤中,平坦化主要用于控制厚度、平坦度和表面质量,这对微机电系统的性能至关重要。具体来讲,一方面,平坦度需要满足即时掩膜的要求。随着微机电系统特征尺寸的减小,平坦度需要不断提高;另一方面,表面完整性需要足够高。如果结构金属存在大量缺陷,如裂纹和划痕,在一些极端服役工况下,缺陷会逐渐演化扩大,造成微机电系统失效(Peter O.Hahn,The 300mm silicon wafer—a cost and technology challenge,MicroelectronicEngineering,2001,56(1):3-13;A.Soma,G.De Pasquale,MEMS Mechanical Fatigue:Experimental Results on Gold Microbeams,Journal of MicroelectromechanicalSystems,2009,18(4):828-835)。为此,需要实现高的平坦度和表面质量。
目前,EFAB主要采用铣削、磨削、研磨等传统机械加工技术进行平坦化。然而,这些技术单纯利用机械刻划作用,平坦度和表面质量有待提升。一方面是客观需求所在,另一方面是现有加工技术制约,因此,需要发展新的平坦化技术,实现金属微结构高平坦度、高表面质量加工。化学机械抛光是目前唯一能够实现局部和全局平坦化的技术,广泛应用于集成电路制造中。化学机械抛光通过化学反应和机械力的协同作用,可以获得纳米级平坦度和亚纳米级粗糙度的晶圆表面。目前,已有将化学机械抛光技术初步应用到EFAB中,也有过氧化氢对铜/镍异质微结构表面化学机械平坦化的影响研究用于铜/镍微结构平坦化,通过改变过氧化氢浓度,可以调控铜、镍材料去除速率选择比,进而实现铜/镍微结构高质高效平坦化。然而,在使用过程中,过氧化氢存在以下问题:1)过氧化氢容易发生分解,抛光液时效性有限;2)过氧化氢属于危险化学品,对于使用者来说,一方面购买流程较为复杂,另一方面保存条件要求较高。同时,如若使用不当,容易造成人身伤害。
目前,EFAB中通常采用铜作为牺牲金属,镍作为结构金属。为此,需要针对铜/镍微结构,开发更为安全、高效的抛光液,实现铜/镍微结构高质高效平坦化,最终获得高精度微机电系统。
发明内容
本发明的目的在于针对铜/镍微结构高质高效平坦化需求,克服现有机械加工技术平坦度和表面质量不高的不足以及现有化学机械抛光技术中过氧化氢容易分解且危险的不足,选择更为安全的过硫酸盐作为氧化剂,提供一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液。
本发明的具体技术方案为:一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,包括以下组分:
0.01~40wt%的磨粒;
0~10wt%的氧化剂;
0~10wt%的络合剂;
0~10wt%的复配缓蚀剂;
水及少量pH值调节剂,
wt%表示质量百分比。
进一步的,所述磨粒选自胶体二氧化硅、煅制二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、金刚石中的至少一种。根据金属化学机械抛光中的腐蚀磨损去除机理,磨粒通过连续不断的机械研磨作用去除金属表面反应层,实现材料去除。
进一步的,所述氧化剂选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵中的至少一种。过硫酸盐是一种强氧化剂,与过氧化氢相比,具有更好的安全性、稳定性。过硫酸盐可以产生硫酸根自由基,促进铜表面氧化,提高材料去除速率;同时,过硫酸盐会与镍表面氧化物反应,降低表面膜完整性,提高材料去除速率。
进一步的,所述络合剂选自乙二胺、乙二胺硫酸盐、乙二胺盐酸盐、乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸盐、乙二胺二琥珀酸、乙二胺四甲叉膦酸钠、N-β-羟基乙基乙二胺三乙酸、环己二胺四乙酸中的至少一种。络合剂可以和氧化生成的铜、镍离子形成可溶性络合物,一方面从表面脱附溶解到抛光液中,另一方面,降低表面膜完整性,提高材料去除速率。
进一步的,所述复配缓蚀剂包括两类组分:一类为唑类杂环化合物,另一类为阴离子表面活性剂。
进一步的,所述唑类杂环化合物选自苯并三氮唑、4-甲基-1H-苯并三氮唑、5-甲基-1H-苯并三氮唑、1-羟基苯并三氮唑、5-氯苯并三氮唑、5,6-二甲基-1,2,3-苯并三氮唑中的至少一种。
进一步的,所述阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磷酸酯钾、十二烷基磷酸酯三乙醇胺中的至少一种。
进一步的,所述两类复配组分通过物理化学协同作用在铜、镍表面形成一层致密的缓蚀膜,抑制腐蚀。
优选地,本发明提出了一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,包括以下组分:
0.01~40wt%的所述胶体二氧化硅;
0~10wt%的所述过硫酸钾;
0~10wt%的所述乙二胺硫酸盐;
0~5wt%的所述苯并三氮唑;
0~5wt%的所述十二烷基苯磺酸钠;
水及少量硫酸和氢氧化钾作为pH值调节剂。
进一步地,基于上述抛光液,本发明还提出了一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液的应用,通过调节氧化剂浓度,实现铜、镍等速去除;通过调节复配缓蚀剂,实现铜、镍高表面质量,在此基础上,将化学机械抛光与机械研磨有机结合,实现铜/镍微结构高质高效平坦化,具体步骤如下:
S1、采用机械研磨,快速平坦化铜/镍微结构,提高效率;
S2、采用化学机械抛光,精密平坦化铜/镍微结构,获得良好的平坦度和表面质量。
与现有的磨削、研磨技术相比,本发明的有益效果具体如下:
1、实现铜/镍微结构高平坦度。通过调节氧化剂浓度,实现铜、镍等速去除,铜/镍微结构台阶高度从微米级降至纳米级。
2、实现铜/镍微结构高表面质量。通过调节复配缓蚀剂,抑制铜、镍表面腐蚀,实现铜、镍高表面质量,铜、镍表面粗糙度小于10纳米。
3、实现铜/镍微结构高效平坦化。将化学机械抛光与机械研磨有机结合,整个平坦化过程小于30分钟。
附图说明
图1为采用本发明实施例3的抛光液对铜片、镍片进行化学机械抛光后的表面形貌图。
其中,图1(a)为铜片的表面形貌图,图1(b)为镍片的表面形貌图;
图2为采用本发明实施例11的抛光液对铜片、镍片进行化学机械抛光后的表面形貌图。
其中,图2(a)为铜片的表面形貌图,图2(b)为镍片的表面形貌图;
图3为采用本发明实施例20的抛光液对铜片、镍片进行化学机械抛光后的表面形貌图。
其中,图3(a)为铜片的表面形貌图,图3(b)为镍片的表面形貌图;
图4为采用本发明实施例20的抛光液对铜薄膜、镍薄膜进行化学机械抛光后的表面形貌图。其中,图4(a)为铜薄膜的表面形貌图,图4(b)为镍薄膜的表面形貌图;
图5为采用本发明实施例3和实施例20对应的电解质溶液进行电化学实验获得的铜、镍的动电位极化曲线图;
图6为采用本发明提出的机械研磨和实施例20的抛光液对铜/镍微结构进行平坦化前后的照片;
图7为采用本发明实施例20的抛光液对铜/镍微结构进行平坦化前后的光学图像;
图8为采用本发明实施例20的抛光液对铜/镍微结构进行平坦化后的表面形貌图。其中,图8(a)为铜的表面形貌图,图8(b)为镍的表面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和详细实施例进一步说明本发明的技术方案。
在本发明实施例的描述中,表面粗糙度通常指表面四个不同位置的表面粗糙度的平均值,但是对于铜/镍微结构样品,镍的表面粗糙度为A、B、C三个位置的表面粗糙度的平均值。
表1给出了本发明实施例1~27。依照表中所列的抛光液组分,准确称取质量,先加入水,然后依次添加氧化剂、络合剂、复配缓蚀剂和磨粒,待所有组分混合均匀后,使用硫酸和氢氧化钾调节pH值至目标值。
表1
Figure BDA0004080750020000041
Figure BDA0004080750020000051
Figure BDA0004080750020000061
Figure BDA0004080750020000071
采用实施例1~25对铜、镍金属片(纯度为99.99%,简称铜片、镍片)进行化学机械抛光,采用实施例20、26、27对铜薄膜、镍薄膜(采用电化学沉积制备)进行化学机械抛光,以验证抛光效果。四种样品直径均为50.8mm。抛光机为台式抛光机UNIPOL-1200S(沈阳科晶自动化设备有限公司生产),工艺参数如下所示:抛光垫为IC1010/Suba IV复合抛光垫(美国Dow Electronic Materials公司生产),下压力为5.0kg(显示面板设定值),抛光头/抛光盘转速为60rpm/60rpm,抛光液流量为100mL/min,单次抛光时间为1min。使用微量天平测量样品抛光前后的质量变化,计算材料去除速率。使用SuperView W1光学3D表面轮廓仪(深圳市中图仪器股份有限公司生产)测量表面形貌和表面粗糙度,测量面积为97.9μm×97.9μm。
采用实施例1~25对铜片、镍片进行化学机械抛光,材料去除速率结果如表2所示,表面粗糙度Sa结果如表3所示。
表2
Figure BDA0004080750020000072
Figure BDA0004080750020000081
表3
Figure BDA0004080750020000082
Figure BDA0004080750020000091
由表2可见,对比实施例1~6,随着过硫酸钾浓度增加,铜片的材料去除速率快速增加,镍片的材料去除速率先增加后减小。如实施例3所示,当过硫酸钾浓度为0.14wt%时,铜片、镍片的材料去除速率基本相等,分别为80nm/min和75nm/min,基本实现铜、镍等速去除。然而,由表3可见,在此条件下,铜、镍的表面粗糙度Sa较高,如附图1所示,铜表面腐蚀严重。分析材料去除机理,对铜来说,随着过硫酸钾浓度增加,腐蚀不断增强,生成铜离子,铜离子与过硫酸根反应,进一步生成氧化性更强的硫酸根自由基,加速腐蚀,生成更多的铜离子,因此,铜的材料去除速率增加。对镍来说,加入少量过硫酸钾,镍表面形成由Ni(OH)2和NiOOH组成的复合膜,表面完整性相对较低,随着过硫酸钾浓度增加,镍表面转换为NiOOH,表面完整性提高,因此,镍的材料去除速率先增加后减小。
由表2可见,对比实施例7~12,添加复配缓蚀剂苯并三氮唑和十二烷基苯磺酸钠后,随着过硫酸钾浓度增加,铜片、镍片的材料去除速率增幅较小。由表3可见,相比于实施例3,采用实施例11,铜片、镍片的表面粗糙度Sa均大幅降低,如附图2所示,铜片的表面质量改善。分析材料去除机理,苯并三氮唑和十二烷基苯磺酸钠通过“空间填充”方式在铜表面生成一层致密的缓蚀膜,抑制腐蚀,其中,十二烷基苯磺酸钠物理吸附在铜表面(Jun-YiSha,Hong-Hua Ge,Chuan Wan,Le-Tian Wang,Si-Yu Xie,Xin-Jing Meng,Yu-Zeng Zhao,Corrosion inhibition behaviour of sodium dodecyl benzene sulphonate for brassin an Al2O3nanofluid and simulated cooling water,Corrosion Science,2019,148:123-133),苯并三氮唑通过化学吸附填充未被覆盖的铜表面(Y.Hong,V.K.Devarapalli,D.Roy,S.V.Babu,Synergistic Roles of Dodecyl Sulfate and Benzotriazole inEnhancing the Efficiency of CMP of Copper,Journal of the ElectrochemicalSociety,2007,154(6):H444)。
由表2可见,对比实施例17~25,添加复配缓蚀剂苯并三氮唑和十二烷基苯磺酸钠及络合剂乙二胺硫酸盐后,随着过硫酸钾浓度增加,铜片的材料去除速率增加,镍片的材料去除速率先增加后减小。采用实施例20和21,当过硫酸钾浓度为0.54wt%~0.81wt%时,铜片、镍片的材料去除速率接近。由表3可见,在此条件下,铜片、镍片的表面粗糙度Sa相比于实施例3大幅降低。如附图3所示,当过硫酸钾浓度为0.54wt%时,铜片的表面质量改善。分析材料去除机理,对铜来说,乙二胺硫酸盐会与氧化生成的铜、镍离子形成可溶性络合物,一方面从表面脱附溶解到抛光液中,另一方面,降低表面膜完整性,提高材料去除速率。
在实际应用中,EFAB采用电化学沉积制备铜薄膜、镍薄膜。考虑到金属薄膜与金属片在化学、机械性能上略有不同,可能会影响化学机械抛光结果。因此,在铜片、镍片实验基础上,进一步地,采用实施例20、26、27对铜薄膜、镍薄膜进行进行化学机械抛光,材料去除速率和表面粗糙度Sa结果如表4所示。
表4
Figure BDA0004080750020000101
由表4可见,采用实施例20,当过硫酸钾浓度为0.54wt%时,铜薄膜、镍薄膜的材料去除速率相等,均为47nm/min,实现铜、镍等速去除。在此条件下,铜薄膜、镍薄膜的表面粗糙度Sa大幅降低,分别为5.6nm和2.2nm,如附图4所示,铜薄膜、镍薄膜的表面质量良好。
采用实施例3和实施例20对应的电解质溶液(即移除化学机械抛光液中的磨粒,添加0.36wt%硫酸钠以增加电导率)进行电化学实验,动电位极化曲线如附图5所示。根据电偶腐蚀电流密度理论公式进行计算,在实施例3对应的电解质溶液中,铜、镍的电偶腐蚀电流密度为1368μA/cm2,在实施例20对应的电解质溶液中,铜、镍的电偶腐蚀电流密度为0.5μA/cm2,由此可见,实施例20有效抑制了铜、镍间的电偶腐蚀,避免腐蚀缺陷。
综上所述,实施例20可以实现铜、镍同步去除,获得纳米级的表面粗糙度,并且有效抑制铜、镍间的电偶腐蚀。
接着,将化学机械抛光和机械研磨有机结合,对铜/镍微结构进行平坦化。
机械研磨:采用P2000碳化硅砂纸贴在抛光盘上,每一分钟更换一次,研磨液为水,快速去除铜/镍微结构表面凸起,直至所有镍柱完全暴露,结束机械研磨。
化学机械抛光:采用IC1010/Suba IV复合抛光垫贴在抛光盘上,抛光液为实施例20,在化学反应和机械力的协同作用下,去除机械研磨产生的损伤,精密平坦化铜/镍微结构,获得良好的平坦度和表面质量。
具体而言,铜/镍微结构样品直径为25.4mm,通过电化学沉积制备。抛光机为台式抛光机UNIPOL-1200S(沈阳科晶自动化设备有限公司生产),工艺参数如下所示:下压力为1.0kg(显示面板设定值),抛光头/抛光盘转速为60rpm/60rpm,抛光液流量为50mL/min。如附图6所示,在铜/镍微结构样品表面选择三个位置,命名为A、B、C。使用SuperView W1光学3D表面轮廓仪(深圳市中图仪器股份有限公司生产)测量样品的表面形貌和表面粗糙度,测量面积为97.9μm×97.9μm。使用Axio Lab A1 metallurgical microscope(德国Zeiss公司生产)测量微观图像。使用SuperView W1光学3D表面轮廓仪测量初始的台阶高度,使用P-7接触式轮廓仪(美国KLA公司生产)测量平坦化后的台阶高度。
表5
Figure BDA0004080750020000111
Figure BDA0004080750020000121
由表5可见,整个平坦化过程持续28min,机械研磨用时7min,化学机械抛光用时21min。A、B、C三个位置的台阶高度由初始的270μm、253μm、230μm分别降低至-40nm、-89nm和-10nm,其中,负号表示铜高于镍。如附图6所示,平坦化后,特别是化学机械抛光后,铜/镍微结构样品表面可以倒映出清晰的“CMP”标志。如附图7所示,机械研磨后,铜/镍微结构样品表面存在大量划痕;化学机械抛光后,划痕去除,表面质量良好。由表5可见,化学机械抛光后,铜、镍的表面粗糙度Sa分别降低至8.7nm、2.9nm。如附图8所示,铜、镍的表面质量良好。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,其特征在于,包括以下组分:
0.01~40wt%的磨粒;
0~10wt%的氧化剂;
0~10wt%的络合剂;
0~10wt%的复配缓蚀剂;
水及少量pH值调节剂,
wt%表示质量百分比。
2.根据权利要求1所述的一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,其特征在于,所述磨粒选自胶体二氧化硅、煅制二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、金刚石中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,其特征在于,所述氧化剂选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,其特征在于,所述络合剂选自乙二胺、乙二胺硫酸盐、乙二胺盐酸盐、乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸盐、乙二胺二琥珀酸、乙二胺四甲叉膦酸钠、N-β-羟基乙基乙二胺三乙酸、环己二胺四乙酸中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,其特征在于,所述复配缓蚀剂包括两类组分:一类为唑类杂环化合物,另一类为阴离子表面活性剂。
6.根据权利要求5所述的一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,其特征在于,所述唑类杂环化合物选自苯并三氮唑、4-甲基-1H-苯并三氮唑、5-甲基-1H-苯并三氮唑、1-羟基苯并三氮唑、5-氯苯并三氮唑、5,6-二甲基-1,2,3-苯并三氮唑中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,其特征在于,所述阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磷酸酯钾、十二烷基磷酸酯三乙醇胺中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,其特征在于,包括以下组分:
0.01~40wt%的所述胶体二氧化硅;
0~10wt%的所述过硫酸钾;
0~10wt%的所述乙二胺硫酸盐;
0~5wt%的所述苯并三氮唑;
0~5wt%的所述十二烷基苯磺酸钠;
水及少量pH值调节剂。
9.一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液的应用,其特征在于,基于权利要求1-8任意一项所述的一种用于铜/镍微结构平坦化的抛光液,通过调节氧化剂浓度,实现铜、镍等速去除;通过调节复配缓蚀剂,实现铜、镍高表面质量;在此基础上,将化学机械抛光与机械研磨有机结合,实现铜/镍微结构高质高效平坦化,获得良好的平坦度和表面质量,具体步骤如下:
S1、采用机械研磨,快速平坦化铜/镍微结构,提高效率;
S2、采用化学机械抛光,精密平坦化铜/镍微结构,获得良好的平坦度和表面质量。
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