CN1766028B - 抛光组合物 - Google Patents
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Abstract
一种抛光组合物，它含有胶态二氧化硅、氢氧化钾、碳酸氢钾、和水，其抛光组合物中胶态二氧化硅的含量为2mass％或更多。抛光组合物中含有的胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸为60nm或更小。该抛光组合物适用于抛光半导体基板。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于抛光如半导体基板等物体的抛光组合物。
背景技术
一种含有胶态二氧化硅的作为用于抛光半导体基板如硅片的抛光组合物已被提出。然而，该类型的抛光剂组合物会由于胶态二氧化硅絮凝造成的负面效果而产生问题。例如，在使用该抛光组合物抛光后的半导体基板上出现了许多表面缺陷，并且由于抛光组合物的循环使用，用于去除抛光后的该抛光组合物中抛光碎片的过滤器容易堵塞。在日本专利申请第4-313224号和第11-302634号中公开的抛光组合物为了防止该负面效果做了改进。但上述专利申请第4-313224号和第11-302634号中的抛光组合物并未充分满足所需性能，因而对于抛光组合物尚有改进的余地。
发明内容
因此，本发明目的在于提供一种适用于抛光如半导体基板的抛光组合物。
为了达到上述目的以及其他目的，提供了一种含有胶态二氧化硅、氢氧化钾、碳酸氢钾和水的抛光组合物。抛光组合物中胶态二氧化硅的含量为2mass％或更多。
本发明还提供了一种包含使用上述抛光组合物抛光半导体基板的方法。
此外，本发明还提供了一种用于制造半导体基板的方法。该方法包括：制备上述抛光组合物；并且使用制备的抛光组合物抛光半导体基板的半成品。
具体实施方式
现在对本发明的一个实施方式进行描述。
根据本实施方式的抛光组合物包含研磨剂、抛光促进剂、以及水。
研磨剂至少含有胶态二氧化硅。胶态二氧化硅的作用在于机械抛光物体。
二次粒子的平均颗粒尺寸小于10nm的胶态二氧化硅，其抛光物体的能力不高。因此，从提高抛光率考虑，胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸优选为10nm或更大。同时，当胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸大于60nm，或特别地进一步大于40nm，或特别地更进一步大于30nm时，过滤器会出现堵塞而需要频繁更换。因此，从防止过滤器堵塞考虑，胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸优选为60nm或更小，并且进一步优选为40nm或更小，并且更进一步优选为30nm或更小。胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸是通过例如激光衍射散射法获得的。
当抛光组合物中的胶态二氧化硅含量小于2mass％时，胶态二氧化硅容易絮凝。结果是被抛光物体出现许多表面缺陷，或过滤器在短时间内出现堵塞。因此，从防止胶态二氧化硅的絮凝考虑，抛光组合物中的胶态二氧化硅含量必须为2mass％或更多。同时，当抛光组合物中的胶态二氧化硅含量大于50mass％时，会有抛光组合物的稳定性下降而造成抛光组合物凝胶化或沉积的危险。因此，从防止抛光组合物的凝胶化和沉积考虑，抛光组合物中胶态二氧化硅的含量优选为50mass％或更少。
胶态二氧化硅的絮凝是由于抛光时抛光部件如抛光垫与被抛光物体之间作用的压力(抛光压力)使胶态二氧化硅二次粒子互相紧压造成的。因此，在抛光组合物中含有相对较大量的胶态二氧化硅会由于抛光压力的分散使作用于各二次粒子的压力下降而能十分有效地防止胶态二氧化硅的絮凝。
抛光促进剂至少包含氢氧化钾和碳酸氢钾。氢氧化钾和碳酸氢钾均能促进胶态二氧化硅的机械抛光并抑制胶态二氧化硅的絮凝。然后，氢氧化钾在促进胶态二氧化硅的机械抛光方面优于碳酸氢钾，而碳酸氢钾在抑制胶态二氧化硅的絮凝方面优于氢氧化钾。
当抛光组合物中氢氧化钾和碳酸氢钾的总含量小于0.01mass％时，或特别地进一步小于0.1mass％时，会因为没有明显促进胶态二氧化硅的机械抛光而出现抛光组合物无法具有较高抛光能力的危险。因此，从提高抛光率考虑，抛光组合物中氢氧化钾和碳酸氢钾的总含量优选为0.01mass％或更多，并且进一步优选为0.1mass％或更多。同时，当抛光组合物中氢氧化钾和碳酸氢钾的总含量大于10mass％时，或特别地进一步大于5mass％时，会有成本效果下降以及抛光组合物浪费的危险。因此，从避免经济效果下降考虑，抛光组合物中氢氧化钾和碳酸氢钾的总含量优选为10mass％或更少，并且进一步优选为5mass％或更少。
当抛光组合物中氢氧化钾的含量(质量百分比)小于抛光组合物中碳酸氢钾的含量(质量百分比)时，会由于抛光组合物中氢氧化钾的含量较小而使胶态二氧化硅的机械抛光作用得不到明显促进。结果导致抛光组合物无法具有较高的抛光能力。因此，从提高抛光率考虑，氢氧化钾的含量优选为大于或等于碳酸氢钾的含量。同时，当抛光组合物中氢氧化钾的含量超过抛光组合物中碳酸氢钾的含量的5倍时，会由于抛光组合物中碳酸氢钾的含量较小而出现胶态二氧化硅的絮凝无法被显著抑制的危险。因此，从显著抑制胶态二氧化硅的絮凝考虑，氢氧化钾的含量优选为小于或等于碳酸氢钾含量的5倍。
水起到了作为分散或溶解抛光组合物中除水以外的其他组分的介质的作用。优选含有尽可能少杂质的水。
根据本实施方式的抛光组合物是用于例如抛光半导体基板如硅片。也就是说，该抛光组合物是用于例如抛光半成品以获得半导体基板作为抛光产物。例如通过将抛光部件如抛光垫置于与物体表面相接触，并且在向接触部分进给抛光组合物的同时，使物体或抛光部件互相滑动，从而使用抛光组合物抛光物体的表面。
本优选的实施方式具有以下优点。
根据本实施方式的抛光组合物含有氢氧化钾和碳酸氢钾以抑制胶态二氧化硅的絮凝，并且抛光组合物中胶态二氧化硅的含量设为2mass％或更多。这样，根据本实施方式的抛光组合物，可以很好地抑制抛光组合物中胶态二氧化硅的絮凝。这就很好地抑制了由胶态二氧化硅絮凝造成的被抛光物体出现许多表面缺陷，以及过滤器在短时间内出现堵塞。
当胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸设定为60nm或更小时，可防止由胶态二氧化硅二次粒子所固有的大尺寸造成的过滤器堵塞。
本优选的实施方式可以修改如下。
根据本实施方式的抛光组合物可以进一步包含螯合剂。螯合剂能够与金属杂质形成络离子从而捕获金属杂质。因此，当抛光组合物中加入螯合剂时，能够抑制物体被抛光组合物中的金属杂质污染。所加入的螯合剂优选能够有效地捕获铁、镍、铜、钙、铬和锌。螯合剂可以是例如氨基羧酸类螯合剂例如乙二胺四乙酸、二亚乙基三胺五乙酸、三亚乙基四胺六乙酸、丙二胺四乙酸、以及次氮基三乙酸。
当抛光组合物中螯合剂的含量小于0.001mass％，或特别地进一步小于0.01mass％时，物体的金属污染没有受到很大抑制。因此，从显著抑制物体的金属污染考虑，抛光组合物中螯合剂的含量优选为0.001mass％或更多，并且进一步优选为0.01mass％或更多。同时，当抛光组合物中螯合剂的含量大于0.2mass％，或特别地进一步大于0.1mass％时，会有成本效果下降以及抛光组合物浪费的危险。因此，从避免经济效果下降考虑，抛光组合物中螯合剂的含量优选为0.2mass％或更少，并且进一步优选为0.1mass％或更少。
本实施方式的抛光组合物可以进一步包含水溶性聚合物。水溶性聚合物的作用是提高物体的可湿润性。因此，当抛光组合物中加入水溶性聚合物时，即使研磨剂粘附在物体上，也能够通过简单地清洗将粘附上的研磨剂轻易地除去。所加入的水溶性聚合物优选包含选自羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、以及聚乙二醇中的至少一种，并且特别优选包含羟乙基纤维素。羟乙基纤维素的分子量优选为300,000～3,000,000，并且进一步优选为600,000～2,000,000。聚乙烯醇的分子量优选为1,000～1,000,000，并且进一步优选为5,000～500,000。聚环氧乙烷的分子量优选为20,000～50,000,000，并且进一步优选为20,000～30,000,000。聚乙二醇的分子量优选为100～20,000，并且进一步优选为300～20,000。
当抛光组合物中水溶性聚合物的含量小于0.0001mass％，或特别地进一步小于0.001mass％，或特别地更进一步小于0.005mass％时，物体的可湿润性提高不多。因此，从提高物体的可湿润性考虑，抛光组合物中水溶性聚合物的含量优选为0.0001mass％或更多，并且进一步优选为0.001mass％或更多，并且更进一步优选为0.005mass％或更多。同时，当抛光组合物中水溶性聚合物的含量大于0.5mass％，或特别地进一步大于0.3mass％，或特别地更进一步大于0.15mass％时，会有成本效果下降以及抛光组合物浪费的危险。因此，从避免经济效果下降考虑，抛光组合物中水溶性聚合物的含量优选为0.5mass％或更少，并且进一步优选为0.3mass％或更少，并且更进一步优选为0.15mass％或更少。
根据本实施方式的抛光组合物可以通过用水稀释浓缩液制得。
根据本实施方式的抛光组合物可以用于抛光除了半导体基板以外的物体。
接下来，将描述本发明的实施例与对照例。
在实施例1～13和对照例1～12中，将研磨剂、抛光促进剂和水混合，并且必要时向混合物中加入螯合剂，以制备抛光组合物。在实施例1～13和对照例1～12中使用的抛光组合物中的研磨剂、抛光促进剂和螯合剂如表1所示。
使用实施例1～13和对照例1～12的各个抛光组合物在如表2所示的抛光条件下抛光硅片。为了测定每个抛光组合物中是否发生研磨剂的絮凝，以及为了测定絮凝的程度，通过激光衍射散射法测定抛光(20分钟×6批次)前后抛光组合物中胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸。使用Beckman Coulter制造的“N4Plus超微颗粒尺寸测试仪”，通过激光衍射散射法测定二次粒子的平均颗粒尺寸。基于抛光前后抛光组合物中胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸的差异，将抛光组合物根据五个级别进行评估：优秀(1)、良好(2)、可接受(3)、较差(4)和差(5)。即，当被用于抛光后胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸的增大小于30nm时，抛光组合物被定为优秀；当为30nm或更大并且小于40nm时，抛光组合物被定为良好；当为40nm或更大并且小于50nm时，抛光组合物被定为可接受；当为50nm或更大并且小于60nm时，抛光组合物被定为较差；以及当为60nm或更大时，抛光组合物被定为差。评估结果显示在表1中标题为“胶态二氧化硅二次粒子尺寸稳定性”的一栏中。
在硅片持续进行抛光，直到抛光组合物的进给率由于过滤器堵塞而无法保持在2.0升/分钟之后，基于其累积去除的厚度，将抛光组合物根据五个级别进行评估：优秀(1)、良好(2)、可接受(3)、较差(4)和差(5)。即，当累积去除的厚度为140μm或更大时，抛光组合物被定为优秀；当为130μm或更大并且小于140μm时，抛光组合物被定为良好；当为120μm或更大并且小于130μm时，抛光组合物被定为可接受；当为100μm或更大并且小于120μm时，抛光组合物被定为较差；以及当小于100μm时，抛光组合物被定为差。评估结果显示在表1中标题为“过滤器堵塞抑制程度”的一栏中。
表1
| 研磨剂[质量百分比] | 抛光促进剂[质量百分比] | 螯合剂[质量百分比] | 胶态二氧化硅二次粒子尺寸稳定性 | 过滤器堵塞抑制程度 | |
| 实施例1 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>10％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.5％/0.25％ | TTHA0.15％ | 1 | 1 |
| 实施例2 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>5％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.25％/0.125％ | TTHA0.075％ | 1 | 1 |
| 实施例3 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.075％ | TTHA0.045％ | 1 | 1 |
| 实施例4 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>2％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.1％/0.05％ | TTHA0.03％ | 2 | 1 |
| 实施例5 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>2.5％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.25％/0.125％ | TTHA0.45％ | 3 | 2 |
| 实施例6 | 胶态二氧化硅<sup>*2</sup>3％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.075％ | TTHA0.45％ | 1 | 3 |
| 实施例7 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.03％ | TTHA0.45％ | 2 | 1 |
| 实施例8 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.15％ | TTHA0.45％ | 3 | 1 |
| 研磨剂[质量百分比] | 抛光促进剂[质量百分比] | 螯合剂[质量百分比] | 胶态二氧化硅二次粒子尺寸稳定性 | 过滤器堵塞抑制程度 | |
| 实施例9 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.3％ | TTHA0.45％ | 2 | 2 |
| 实施例10 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.075％ | 1 | 1 | |
| 实施例11 | 胶态二氧化硅*13％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.075％ | DTPA0.45％ | 1 | 1 |
| 实施例12 | 胶态二氧化硅<sup>*3</sup>3％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.075％ | TTHA0.45％ | 1 | 4 |
| 实施例13 | 胶态二氧化硅<sup>*4</sup>3％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.075％ | TTHA0.45％ | 1 | 5 |
续表1
| 研磨剂[质量百分比] | 抛光促进剂[质量百分比] | 螯合剂[质量百分比] | 胶态二氧化硅二次粒子尺寸稳定性 | 过滤器堵塞抑制程度 | |
| 对照例1 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>1％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.025％ | TTHA0.15％ | 4 | 4 |
| 对照例2 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>1.5％ | KOH/KHCO<sub>3</sub>0.15％/0.075％ | TTHA0.45％ | 4 | 5 |
| 对照例3 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH0.15％ | TTHA0.45％ | 4 | 2 |
| 对照例4 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | NaOH/NaHCO<sub>3</sub>0.15％/0.06％ | TTHA0.45％ | 4 | 2 |
| 对照例5 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | NaOH0.15％ | TTHA0.45％ | 4 | 2 |
| 对照例6 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH/NH<sub>4</sub>HCO<sub>3</sub>0.15％/0.06％ | TTHA0.45％ | 5 | 2 |
| 对照例7 | 胶态二氧化硅<sup>*2</sup>3％ | KOH/(NH<sub>4</sub>)<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>0.15％/0.075％ | TTHA0.45％ | 5 | 2 |
| 对照例8 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH/K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>0.15％/0.105％ | TTHA0.45％ | 5 | 2 |
| 研磨剂[质量百分比] | 抛光促进剂[质量百分比] | 螯合剂[质量百分比] | 胶态二氧化硅二次粒子尺寸稳定性 | 过滤器堵塞抑制程度 | |
| 对照例9 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH/TMAH0.15％/0.015％ | TTHA0.45％ | 5 | 4 |
| 对照例10 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | TMAH0.15％ | TTHA0.45％ | 5 | 4 |
| 对照例11 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | KOH/哌嗪0.15％/0.015％ | TTHA0.45％ | 5 | 5 |
| 对照例12 | 胶态二氧化硅<sup>*1</sup>3％ | 哌嗪0.15％ | TTHA0.45％ | 5 | 5 |
表2
| 待抛光物体：每批次中每个硅片为直径6英寸(大约150mm)的16p++-型硅片抛光机：单侧抛光机“SPM-15”，Fujikoshi Machinery公司制造抛光负载：31.5kPa表面板转速：60rpm顶部的转速：120rpm抛光时间：20分钟×12批次抛光垫：“Suba800”，Rodel公司制造抛光组合物的进给率：2.0升/分钟(循环)抛光组合物用量：40升过滤器：孔径为10μm的过滤器，Pall公司制造抛光组合物温度：30℃抛光时抛光组合物的pH值：用KOH(对照例4和5用NaOH，对照例11用TMAH，对照例12为哌嗪)调至pH10.5 |
在表1中的标题为“研磨剂”的一栏中，“胶态二氧化硅*1”指的是二次粒子的平均颗粒尺寸为25nm的胶态二氧化硅，“胶态二氧化硅*2”指的是二次粒子的平均颗粒尺寸为50nm的胶态二氧化硅，“胶态二氧化硅*3”指的是二次粒子的平均颗粒尺寸为70nm的胶态二氧化硅，并且“胶态二氧化硅*4”指的是二次粒子的平均颗粒尺寸为100nm的胶态二氧化硅。在表1中标题为“抛光促进剂”的一栏中，“KOH”指的是氢氧化钾，“KHCO3”指的是碳酸氢钾，“NaOH”指的是氢氧化钠，“NaHCO3”指的是碳酸氢钠，“NH4HCO3”指的是碳酸氢铵，“(NH4)2CO3”指的是碳酸铵，并且“TMAH”指的是氢氧化四甲基铵。在表1中标题为“螯合剂”的一栏中，“TTHA”指的是三亚乙基四胺六乙酸，“DTPA”指的是二亚乙基三胺五乙酸。
如表1所示，实施例1～13中的胶态二氧化硅二次粒子尺寸稳定性的所有评估值都为可接受、良好、或优秀。相反，对照例1～12中的胶态二氧化硅二次粒子尺寸稳定性的评估值都为差或较差。这一结果表明本发明的抛光组合物很好地抑制了胶态二氧化硅的絮凝。在实施例1～11中，过滤器堵塞抑制程度的所有评估值都为可接受、良好、或优秀。这一结果表明通过将胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸设定为60nm或更小，可以抑制过滤器的堵塞。
尽管未显示数据，实施例1～13和对照例1～12中任何的抛光组合物都具有足够高的抛光率。这是因为，例如在抛光组合物加入氢氧化钾，从而将抛光组合物在抛光时的pH值保持在10.5。例如，如果将实施例3中的抛光组合物中的氢氧化钾从组合物中除去，抛光组合物在抛光时的pH值将会下降。这样，抛光率将达不到实际应用的水准。
Claims (9)
1.一种抛光组合物，其特征在于，它含有胶态二氧化硅、氢氧化钾、碳酸氢钾和水，所述抛光组合物中胶态二氧化硅的含量为2-10mass％，所述抛光组合物中氢氧化钾的含量大于或等于抛光组合物中碳酸氢钾的含量，并且小于抛光组合物中碳酸氢钾含量的5倍，以及，所述抛光组合物中氢氧化钾和碳酸氢钾的总含量为0.15～0.75mass％。
2.如权利要求1所述的抛光组合物，其特征在于，所述胶态二氧化硅二次粒子的平均颗粒尺寸为60nm或更小。
3.如权利要求1所述的抛光组合物，其特征在于，所述抛光组合物进一步包含螯合剂。
4.如权利要求1所述的抛光组合物，其特征在于，所述抛光组合物进一步包含水溶性聚合物。
5.如权利要求4所述的抛光组合物，其特征在于，所述水溶性聚合物包含选自羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚环氧乙烷以及聚乙二醇中的至少一种。
6.如权利要求1～5中任一项所述的抛光组合物，其特征在于，所述抛光组合物用于抛光半导体基板。
7.一种抛光半导体基板的方法，其特征在于，使用如权利要求1～5中任一项所述的抛光组合物抛光半导体基板。
8.一种制造半导体基板的方法，其特征在于，
制备如权利要求1～5中任一项所述的抛光组合物；以及
使用所制得的抛光组合物抛光半导体基板。
9.一种用于抛光组合物的浓缩液，其特征在于，如权利要求1～5中任一项所述的抛光组合物通过用水稀释浓缩液制得。
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