硅溶膠在化學機械拋光(CMP)領域的應用

硅溶膠在化學機械拋光(CMP)領域的應用

2021-07-20 16:22:17 66
前言


目前,電子產品的先進制造業的快速發展方向為高精度(納米級的控制精度,亞納米級的加工精度)、高性能(T級的儲存量和CPU主頻)、高集成度(納米級的線寬)以及可靠性(小于1/109的千小時失效率),因此,對加工工件表面的局部平整度和整體平整度都提出了前所未有的高要求(要求達到亞納米量級的表面粗糙度),同時對超精密加工技術的水平提出了嚴峻的挑戰。

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表面平整化加工的重要手段是拋光,常見的拋光技術如機械拋光、化學拋光、磁研磨拋光、流體拋光、電化學拋光、離子束轟擊拋光、浮法拋光等,均屬于局部平坦化技術,且平坦化能力從幾微米到幾十微米不等,但是國際上普遍認為,加工工件特征尺寸在0.35μm以下時,必須進行全局平坦化,而目前唯一可以提供整體平面化的表面精加工技術就是超精密化學機械拋光技術(CMP)。

例如在硅晶片的加工過程中,晶片通過吸附作用固定在與其同方向旋轉的聚氨酯拋光墊上,拋光漿料通過蠕動泵不斷的流到拋光墊上,使之在晶片和拋光墊之間持續流動,晶片表面與拋光漿料發生反應,通過拋光頭的高速運動使反應物不斷去除,達到使晶片表面平整、光潔度高的作用。

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化學機械拋光原理圖

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國瑞升GRISH?聚氨酯拋光墊

化學機械拋光技術是化學作用和機械作用相結合的技術,實際上其微觀過程相當復雜,影響因素也很多。CMP設備、拋光液、拋光墊、后清洗設備、拋光終點檢測設備等等都對晶片的拋光速率和拋光質量產生重要影響。其中拋光液既影響CMP化學作用過程,又影響CMP機械作用過程,是影響CMP質量的決定性因素之一。

目前國內外常用的拋光液有SiO2膠體(硅溶膠)拋光液、二氧化鈰拋光液、氧化鋁拋光液、納米金剛石拋光液等。

幾種拋光液有不同的應用特點:


01

硅溶膠拋光液

因為拋光漿料的選取要滿足易清洗、拋光速率快以及拋光均勻性好等特點,而硅溶膠作為一種軟質磨料是在SiO2磨粒表面包覆一層無色透明膠體,使其硬度比SiO2磨粒更軟,其粒度約為0.01-0.1um,加工時拋光表面不易造成劃傷,同時其膠體粒子直徑為納米級,具有較大的比表面積,高度的分散性和滲透性,因其粒子表面常吸附OH-而帶負電,具有很好的親水性和憎油性,因此廣泛應用于硅片、二氧化硅、藍寶石等精密光學器件表面的拋光處理。


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硅溶膠CMP拋光液

由于二氧化硅粒度很細,約0.01-0.1μm,因此拋光工件表面的損傷層極微;另外,二氧化硅的硬度和硅片的硬度相近,因此常用于對半導體硅片的拋光。精拋時通常不會采用類似氣相法制備的微米級二氧化硅粒子,而采用納米級的硅溶膠,這是為了減小表面粗糙度和損傷層深度。

二氧化硅是硅溶膠拋光液的重要組成部分,其粒徑大小、致密度、分散度等因素直接影響化學機械拋光的速率和拋光質量。

國瑞升GRISH?CMP拋光液

GRISH

國瑞升GRISH?CMP拋光液產品規格

型號·

粒度

顆粒形貌

pH值

粘度

濃度

SOQ-12D

110nm-130nm

球形

10.5±

0.5

<20cst

20%

SO-100

90nm-120nm

<10cst

20-50%

SO-80

70nm-90nm

SO-60

50nm-70nm

SO-40

30nm-50nm

SO-20

10nm-30nm

<30cst

10-40%

測試方法

激光粒度儀

SEM/

TEM

pH 計

粘度計

比重計

注:除以上規格外,可根據客戶的需求提供定制產品。

國瑞升GRISH?CMP拋光液產品特點

★均勻的球形SiO2 粒子

★去除率高,拋光性能穩定

★精密的拋光質量,Ra<0.2nm、TTV<3μm

★可循環使用多次

★適用于35℃以下的低溫拋光工藝

★可選用中性或弱酸性拋光液對應



02

二氧化鈰拋光液

隨著工件尺寸的縮小,傳統的硅容易在尺寸較大的集成電路STI(淺溝隔離)處形成蝶形缺陷,采用氧化鈰作為研磨顆粒的第二代拋光液,具有高選擇性和拋光終點自動停止的特性,配合粗拋和精拋,能夠十分有效解決第一代STI工藝缺點。


二氧化鈰硬度小、穩定性好、分散均一性好,可以得到較高的表面質量,但由于商品化的二氧化鈰一般采用粉碎工藝制備而成,存在顆粒不均一,影響拋光質量,因此需研究均一性好的納米級二氧化鈰的制備。不過因為鈰屬于稀有金屬,并且二氧化鈰提純難度大,導致二氧化鈰價格昂貴,所制備的拋光液性價比不高。

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二氧化鈰拋光液
國瑞升GRISH?二氧化鈰拋光液產品規格

系列

型號

粒度(D50)

應用

氧化鈰

(CO)

CO-1/3

0.2-0.4μm

光纖連接器、透鏡、硬質合金、寶石、光學玻璃等。

CO-1/2

0.4-0.6μm

CO-1

0.8-1.2μm

包裝規格

250ml/瓶, 500ml/瓶, 1L/瓶, 1加侖/瓶 

注:除以上規格外,可根據客戶的需求提供定制產品。




03

氧化鋁拋光液

納米氧化鋁廣泛適用于光學鏡頭、單芯光纖連接器、微晶玻璃基板、晶體表面等方面的精密拋光,目前藍光和白光LED的芯片中大多采用藍寶石晶片,用Al2O3拋光液一次完成藍寶石晶片研磨和拋光,也在如今應用十分普遍。


由于納米α-氧化鋁(剛玉)的硬度很高,拋光時對工件表面造成嚴重的損傷;又因為納米氧化鋁的表面能比較高,納米粒子易團聚,造成對拋光工件的劃痕、凹坑等表面缺陷,通常在應用中需要對納米氧化鋁表面進行改性。同時由于氧化鋁磨料的硬度大,對軟質工件進行拋光時很容易劃傷工件表面,因此不太適合較軟質的工件的拋光。

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國瑞升GRISH?氧化鋁拋光液

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國瑞升GRISH?氧化鋁拋光液產品規格

系列

型號

粒度(D50)

應用

氧化鋁

(AO)

AO-1/3

0.2-0.4μm

光纖連接器、晶體(Si、Ge、GaAs、InP、SiC)、硬盤基片、陶瓷、硬質合金、不銹鋼及光學玻璃

AO-1/2

0.4-0.6μm

AO-1

0.8-1.2μm

AO-2

1.6-2.4μm

AO-3

2.6-3.6μm

包裝規格

250ml/瓶, 500ml/瓶, 1L/瓶, 1加侖/瓶 

注:除以上規格外,可根據客戶的需求提供定制產品。


補充:

國瑞升GRISH?碳化硅拋光液產品規格


系列

型號

粒度(D50)

應用

碳化硅

(SC)

SC-1/2

0.5-1μm

光纖連接器、硬盤、陶瓷、硬質合金、各種寶石、光學玻璃等

SC-1

0.8-1.2μm


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國瑞升也提供二氧化鈰、氧化鋁、碳化硅等精細拋光粉,具體規格請致電010-51653168或進店咨詢:國瑞升1688官方店鋪

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國瑞升GRISH?1688官方店鋪

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04

納米金剛石拋光液

納米金剛石具有金剛石和納米顆粒的雙重特性,而且碳表面極易受化學改性的影響,能和任何極性介質兼容,除此以外,納米金剛石具有超硬、比表面積大、形狀呈球形以及表面多孔等特點,因此,納米金剛石可以配制成理想的拋光液,廣泛用于硬質材料的超精密拋光過程。

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國瑞升GRISH?單晶金剛石電鏡圖

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國瑞升GRISH?多晶(聚晶)金剛石電鏡圖

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國瑞升GRISH?類多晶金剛石電鏡圖

目前歐美、日本等在納米金剛石拋光液的配制技術方面走在前沿,而國內在拋光液研究方面剛剛起步,還有很大的發展空間。但是納米金剛石很容易團聚,在介質中的分散穩定性很差,這是因為納米金剛石比表面積大,表面能高。因此納米金剛石的分散成為了世界共同的技術難題。

國瑞升GRISH?單晶金剛石研磨液

GRISH

國瑞升GRISH?單晶金剛石研磨液產品規格

型號

粒度

水基

油基

MD-6-W

MD-6-O

6μm

MD-4-W

MD-4-O

4μm

MD-3-W

MD-3-O

3μm

MD-2-W

MD-2-O

2μm

MD-1-W

MD-1-O

1μm

MD-N500-W

MD-N500-O

1/2μm

MD-N250-W

MD-N250-O

1/4μm

MD-N160-W

MD-N160-O

1/6μm

MD-N100-W

MD-N100-O

1/10μm

MD-N50-W

MD-N50-O

1/20μm

注:除以上規格外,可根據客戶的需求提供定制產品


國瑞升GRISH?多晶(聚晶)金剛石研磨液

GRISH

國瑞升GRISH?多晶(聚晶)金剛石研磨液產品規格

型號

粒度

水性

油性

PC-6-W

PC-6-O

6μm

PC-4-W

PC-4-O

4μm

PC-3-W

PC-3-O

3μm

PC-2-W

PC-2-O

2μm

PC-1-W

PC-1-O

1μm

PC-N500-W

PC-N500-O

1/2μm

PC-N250-W

PC-N250-O

1/4μm

PC-N200-W

PC-N200-O

1/5μm

PC-N100-W

PC-N100-O

1/10μm

PC-N50-W

PC-N50-O

1/20μm

注:除以上規格外,可根據客戶的需求提供定制產品。

國瑞升GRISH?多晶(聚晶)金剛石研磨液產品特點

★微粉原料自產,保證選擇優質微粉材料;
★特殊配方,分散性好,去除率高,劃痕少;

★產品研磨速率穩定,拋光表面一致性好。

國瑞升GRISH?多晶(聚晶)金剛石研磨液性能對比

項目

進口品牌

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效果提升

單次加工量

20pcs/round

28pcs/round

產能提升+40%

移除率

2.15μm/min

2.575um/min

速率提升+20%

Ra

8nm-12nm

8nm-12nm

-

消耗

約10ml/片

7ml/片

鉆石液節約-30%



國瑞升GRISH?類多晶金剛石研磨拋光液

GRISH

國瑞升GRISH?類多晶金剛石研磨拋光液產品規格

型號

粒度

水基

油基

RC-18-W

RC-18-O

18μm

RC-10-W

RC-10-O

10μm

RC-6-W

RC-6-O

6μm

RC-5-W

RC-5-O

5μm

RC-4-W

RC-4-O

4μm

RC-3-W

RC-3-O

3μm

注:除以上規格外,可根據客戶的需求提供定制產品。

國瑞升也提供單晶、多晶、類多晶金剛石微粉,具體規格請致電010-51653168或進店咨詢:國瑞升1688官方店鋪

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國瑞升GRISH?1688官方店鋪

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結語

目前應用最成熟的還是氧化鋁拋光液,但二氧化鈰在硅晶片拋光領域也有其優勢作用,而納米金剛石拋光液在應用推廣上還需一定的發展,硅溶膠拋光液在如今的制備技術更為成熟之后,無疑也會有著廣闊的應用空間。


但就目前的應用效果來看,以硅溶膠為磨料的化學機械拋光基本可以達到較低的表面粗糙度,但材料去除速率相比于硬度更大的磨料會偏低,需要進一步改善,通過復合磨料改性來增強單一磨料某些方面的性能也成為一大潮流。

根據拋光工件的特性,通過對硅溶膠的粒徑、軟硬度及PH等性質進行改善,使硅溶膠能夠面向更廣的應用需求,硅溶膠在化學機械拋光領域的應用前景十分廣闊。



參考來源:

1.硅溶膠化學機械拋光液的研究,夏琳,河南工業大學;

2.硅溶膠對單晶SiC化學機械拋光影響研究,徐沛杰,廣東工業大學;

3.改性硅溶膠制備及其對藍寶石拋光性能的研究,張雷,合肥工業大學;


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