專利名稱：一種硅片化學(xué)機械拋光漿料配方的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拋光漿料的配方，特別適用于硅片化學(xué)機械拋光。
背景技術(shù)：
化學(xué)機械拋光(CMP)是目前最重要的全局平坦化技術(shù)，也是超大規(guī)模集成電路制造(ULSI)工藝中的全局平坦化的唯一技術(shù)。硅片是集成電路及發(fā)光二極管的主要襯底材料，其表面粗糙度是影響集成電路刻蝕線寬和薄膜生長的重要因素之一。隨著集成電路集成度的不斷提高，特征尺寸的不斷減小，對硅片的加工精度和表面質(zhì)量的要求越來越高。因此，高質(zhì)、高效拋光漿料的配制就是全局平坦化技術(shù)的重點和關(guān)鍵。化學(xué)機械拋光工藝是利用拋光(漿料)液的化學(xué)作用和外加壓力的機械作用，在拋光墊上對硅片進行拋光。在化學(xué)和機械的協(xié)同作用下，獲得高的切削速度和高質(zhì)量的拋光硅片，因此拋光液在化學(xué)機械拋光中起著重要作用。拋光漿料的組成主要包括拋光磨料、水和添加劑。一般認(rèn)為，拋光粉(或稱磨料)是制備拋光漿料液的關(guān)鍵材料。性能優(yōu)良、分散性好、硬度適中的磨料粒子是配制高效拋光液的基礎(chǔ)。目前.國際上硅拋光技術(shù)廣泛采用的磨料為SiO2,其次為氧化鈰。由于SiO2磨料的硬度與硅晶片的硬度相當(dāng)，容易使硅晶片表面產(chǎn)生劃痕，影響硅片質(zhì)量。采用CeO2磨料可以取得更高拋光效率和選擇性，但隨著國家對稀土資源的調(diào)控，CeO2磨料的價格翻了幾番， 拋光成本大幅度增加，使相關(guān)企業(yè)面臨前所未有的壓力。本發(fā)明旨在開發(fā)一類以二氧化鈦為磨料的拋光漿料，通過添加劑來提高其拋光速率，以彌補上述存在的問題和不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種拋光速度快，拋光質(zhì)量高和后清洗方便且成本低的拋光(漿料)液配方。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是以二氧化鈦為磨料，并添加合適的添加劑來提高其對硅片的拋光速度，提高拋光硅片的表面質(zhì)量。本發(fā)明所述的拋光漿料由二氧化鈦磨料、添加劑、分散劑、PH調(diào)節(jié)劑及純水組成； 各種組分的質(zhì)量百分比為二氧化鈦磨料(最好為銳鈦礦型二氧化鈦)為0. 1% 5%，最佳值在0. 5% 4%，其粒徑控制在3000nm以下，最好在100 1500nm之間；添加劑為單乙醇胺和二乙醇胺中的一種或其混合物，其質(zhì)量百分含量為0. 005% 0. 3%，最佳值為0. 02 0. 055%之間；分散劑為偏磷酸鈉、聚乙二醇和聚乙烯醇一種或多種，其質(zhì)量百分含量為 0% 1. 0%，其中0%含量意味著也可以不加除單乙醇胺和二乙醇胺外的任何其他分散劑；用于調(diào)節(jié)漿料PH值的調(diào)節(jié)劑是NaOH、單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一種及其組合，其質(zhì)量百分比含量為0% 1. 5% ；其余為純水；漿料pH值為10. 0 12. 5，最佳值為11. 5 12. 0 之間。本發(fā)明所述的拋光磨料為市售二氧化鈦，最好為銳鈦礦型。雖然粒徑有點大，但銳鈦礦型二氧化鈦磨料粒子的硬度比( 磨料粒子的硬度還要小，所以對硅片不會造成劃傷；另外，TW2磨料無毒，來源廣，價格不高，作業(yè)條件好，安全可靠。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過一些添加劑的使用，大大改善了二氧化鈦顆粒表面性質(zhì)，提高了磨料在水溶液中的懸浮穩(wěn)定性，進而明顯提高拋光速率、對單晶硅片不產(chǎn)生表面缺陷、并降低表面粗糙度，從而實現(xiàn)對硅片的高效超高精度化學(xué)機械拋光，保證硅片表面的質(zhì)量。本發(fā)明的拋光液為堿性，拋光后清洗方便，磨料粒子為非常便宜的銳鈦礦型二氧化鈦，使成本大大降低。


圖1 所用二氧化鈦磨料的掃描電鏡圖。其粒徑大部分小于1000納米，顆粒分散性良好。圖2 所用二氧化鈦磨料的XRD衍射圖，表明其晶相為銳鈦礦型。圖3 采用銳鈦礦型二氧化鈦磨料拋光單晶硅片材料的去除速率(MRR)與漿料pH 值之間的關(guān)系，證明硅片拋光的最佳PH值范圍在11 12之間的堿性區(qū)域。圖4:在最佳起始pH值(11. 5)和二氧化鈦固含量(0.5%)的條件下，漿料中添加不同量的單乙醇胺對拋光單晶硅片的切削速度(MRR值)的影響。表明單乙醇胺的加入可以大大提高二氧化鈦拋光單晶硅片的切削速度，其添加量在0. 02 0. 055%范圍內(nèi)處于最佳效果范圍。圖5:在二氧化鈦固含量0. 5%，pH為11. 5的條件下，不同的添加劑對拋光切削速度(MRR值)的影響。證明單乙醇胺的效果最好，二乙醇胺次之，三乙醇胺不能提高MRR值。圖6 在二氧化鈦固含量0. 5%，單乙醇胺0. 035%條件下，不同pH值對拋光切削速度(MRR值)的影響。證明單乙醇胺的加入，最佳的pH值擴展到12。而且，在較寬的pH值范圍都有較高的MRR值。圖7 在添加0.035%單乙醇胺的條件下，漿料中二氧化鈦固含量對拋光切削速度 (MRR值)的影響。證明單乙醇胺的加入，可以使拋光速度大大提高，而且在0. 5 2. 0%范圍內(nèi)均保持有高的拋光切削速度，其適合濃度范圍更寬。圖8 實施例6拋光后單晶硅片表面的SEM圖，未觀察到明顯的劃痕。圖9 實施例6的單晶硅片拋光后表面AFM圖。其表面粗糙度為0. 00028nm,證明其表面非常平整。
具體實施例方式實施例1 采用從市場上購買的二氧化鈦來配制拋光漿料，其電鏡照片和XRD衍射圖分別如圖1、2所示。其顆粒粒度范圍為100 1500nm，晶相為銳鈦礦型二氧化鈦。所配漿料的固含量為0. 1%，采用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)漿料到不同的pH，用電動攪拌器攪拌10 分鐘左右，即得到所需拋光漿料。將所得漿料分別用于單晶硅片的拋光。拋光實驗采用 UNIP0L-802型拋光機，拋光壓力0. 09Kg/cm2,拋光盤轉(zhuǎn)速U8rpm，漿料流速12000ml/min， 采用Sart0riusCP225D精密電子天平(精度0. Olmg)對硅片拋光前后稱重，計算其反映拋光切削速率的材料去除速率(MRR值)。將所得MRR值對漿料pH值作圖，如圖3。證明硅片拋光與漿料PH值關(guān)系密切，從10以后的增加幅度加大，到11. 5時達到最高，隨后又下降。因此，其最佳PH值范圍在10 12之間，最佳值為11.5。
實施例2:按實施例1類似的方法，固定漿料中二氧化鈦固含量為0.5 pH值 11.5，添加不同量的單乙醇胺，分別測定其MRR值。將所測MRR值對單乙醇胺加量作圖，見圖4。證明少量單乙醇胺的加入對于提高切削速度非常有效。但超過一定濃度后又下降，在加量0. 02%到0. 055%之間均有很高的切削速度。實施例3:按實施例1類似的方法，固定漿料中二氧化鈦固含量為0.5 pH值 11.5，分別添加相同物質(zhì)的量的單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺，即nMEA=nDEA=nTEA，質(zhì)量百分比分別為0. 035%,0. 0602%,0. 0855%,分別用于單晶硅片的拋光，測定其MRR值，并對不同添加劑作圖，如圖5。證明單乙醇胺的效果最好，二乙醇胺次之，三乙醇胺不能提高MRR值。實施例4:按實施例1類似的方法，固定二氧化鈦和單乙醇胺含量分別為0. 5%和 0.035%的條件下，調(diào)節(jié)漿料pH值至不同值，分別用于單晶硅片的拋光，測定其MRR值， 并對PH作圖，如圖6。證明在pH值10到12. 5之間均有較高的MRR值，其最佳值在11-12 之間。實施例5:按實施例1類似的方法，分別固定單乙醇胺含量為0%和0. 035%的條件下，改變漿料中二氧化鈦的固含量，分別測定它們對硅晶片的拋光MRR值。對比分析結(jié)果表明單乙醇胺的加入，能夠大大提高MRR值，而且在二氧化鈦含量從0. 5%到2. 0%的實驗范圍內(nèi)都有很好的拋光速率，如圖7。實施例6 根據(jù)上述結(jié)果，采用磨料為銳鈦礦型二氧化鈦顆粒，固體含量為0. 5%, 添加劑單乙醇胺的量為0. 035%, pH調(diào)節(jié)劑為NaOH，pH為11. 5，其余為純水。按實施例1的方法制備拋光液及進行拋光實驗，測定的材料去除速率MRR=I 14nm/ min，表面粗糙度RMS= 0. 00039 nm, Ra = 0. 00028 nm。所得拋光樣品的SEM照片如圖8， 其原子力顯微鏡照片及粗糙度結(jié)果如圖9所示。證明所得單晶硅片具有很高的表面光潔度。實施例7 采用銳鈦礦型二氧化鈦顆粒為磨料，固含量為0. 5% ；添加劑單乙醇胺含量為0. 035% ；pH調(diào)節(jié)劑為三乙醇胺，pH為11. 0，其余為純水。按實施例1的方法制備拋光液及進行拋光實驗，測定的材料去除速率MRR=IOSnm/ min,表面粗糙度 RMS=O. 00046nm, Ra=O. 00035 nm。實施例8 采用銳鈦礦型二氧化鈦顆粒為磨料，固含量為0. 4% ；添加劑單乙醇胺含量為0. 035%, pH調(diào)節(jié)劑為NaOH, pH為11. 5，其余為純水。按實施例1的方法制備拋光液及進行拋光實驗，測定的材料去除速率MRR=IOlnm/ min,表面粗糙度 RMS=O. 009nm, Ra=O. 004nm。實施例9 采用銳鈦礦型二氧化鈦顆粒為磨料，固含量為0. 5% ；添加劑為單乙醇胺0. 035% ；pH調(diào)節(jié)劑為NaOH, pH為10. 5，其余為純水。按實施例1的方法制備拋光液及進行拋光實驗，測定的材料去除速率MRR=106nm/ min,表面粗糙度 RMS=O. 00048nm, Ra=O. 00037 nm。實施例10 采用銳鈦礦型二氧化鈦顆粒為磨料，濃度為0. 3% ；分散劑為六偏磷酸鈉0. 2%,添加劑為單乙醇胺0. 035% ；pH調(diào)節(jié)劑為NaOH, pH為11. 5，其余為純水。按實施例1的方法制備拋光液及進行拋光實驗，測定的材料去除速率MRR=98nm/ min,表面粗糙度 RMS=O. 00042nm, Ra=O. 00032 nm。
權(quán)利要求
1.一種硅片化學(xué)機械拋光漿料配方，其特征是(1)所述拋光漿料由二氧化鈦磨料、添加劑、分散劑、PH調(diào)節(jié)劑及純水組成；(2)各種組分的質(zhì)量百分比為二氧化鈦磨料為0.1% 5%，其粒徑控制在3000nm以下；添加劑為0. 005% 0. 3% ；分散劑為0% 1. 0% ；調(diào)節(jié)漿料pH值的調(diào)節(jié)劑為0% 1. 5% ； 其余為純水；(3)漿料pH 值為 10.0- 12. 5ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅片化學(xué)機械拋光漿料配方，其特征是所述二氧化鈦磨料最好為銳鈦礦型二氧化鈦，其質(zhì)量百分比最佳值在0. 5% 4%，其粒徑最好在100 1500nm 之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅片化學(xué)機械拋光漿料配方，其特征是所述添加劑是單乙醇胺和二乙醇胺中的一種或其混合物，其質(zhì)量百分比最佳含量為0. 02 0. 055%之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅片化學(xué)機械拋光漿料配方，其特征是所述分散劑是六偏磷酸鈉、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅片化學(xué)機械拋光漿料配方，其特征是所述PH調(diào)節(jié)劑是NaOH、單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一種及其組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅片化學(xué)機械拋光漿料配方，其特征是所述拋光漿料 PH最佳值為11. 5 12.0之間。
全文摘要
一種硅片化學(xué)機械拋光漿料配方，由二氧化鈦磨料、添加劑、分散劑、pH調(diào)節(jié)劑及純水組成；各種組分的質(zhì)量百分比為二氧化鈦磨料為0.1%～5%，其粒徑控制在3000nm以下；分散劑為0%～1.0%，添加劑為0.005%～0.3%,調(diào)節(jié)漿料pH值的調(diào)節(jié)劑為0%～1.5%；其余為純水；漿料pH值為10.0～12.5，最佳值為11.5～12.0之間。本發(fā)明的拋光漿料配方及其配制方法簡單方便，價格低廉，對硅片表面拋光的速度快、精度高。
文檔編號C09G1/02GK102559065SQ201110430568
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者劉艷珠, 周新木, 周雪珍, 李東平, 李永繡, 李靜, 項神佑 申請人:南昌大學(xué)