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一文訴說化學機械拋光液的現狀和前景

一文訴說化學機械拋光液的現狀和前景

2022-01-11 16:07:09 0


21世紀國力的競爭歸根到底為先進制造能力的競爭,在信息時代的今天,主要表現為對電子產業先進制造能力的競爭。目前,電子產品的先進制造業的快速發展方向為高精度、高性能、高集成度以及可靠性,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),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,而化學機械拋光不但集中了化學拋光和機械拋光的綜合優點,也是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。 

一、超精密化學機械拋光技術的發展 

1985年之前,CMP技術主要應用于精密光學系統的生產和半導體制造中硅片加工,在商業中CMP技術高度壟斷,并秘密保存。80年代后期,CMP技術被SEMATECH(半導體制造工藝研究合作組織)描述為是一個對多層金屬薄膜加工的強有力的技術,并且為了推動CMP裝置設備和消耗品的研發和提高性能,SEMATECH發起了巨大的聯合研發計劃。1991年,CMP技術首次被IBM公司成功應用到“動態隨機存儲器“(Mb DRAM)的生產上來,之后CMP技術以不同的發展規模應用到各種存儲器和邏輯電路上。


目前,國外對于超精密化學機械拋光加工技術保密嚴格,我們CMP技術主要依賴于進口。拋光過程中的拋光機、拋光墊、拋光液這三大要素均產于國外,這每年不僅消耗了我國大量外匯,更嚴重制約了我國對超精密加工水平的發展,限制了電子產業往先進水平的長遠發展。由于我們的產學研脫節嚴重,雖然我國科研學者已經開始了對化學機械拋光技術的研究,但在國際上取得的先進成果很少,在實際應用中也很少。 

二、化學機械拋光液的應用現狀 

化學機械拋光集中了化學拋光和機械拋光的綜合優點,純粹化學拋光腐蝕性大,拋光速率大,損傷低,表面光潔度高,但是拋光后的表面平整度差和表面一致性差;純粹的機械拋光表面平整度和表面一致性較高,但是表面損傷大,光潔度低。而化學機械拋光在不影響拋光速率的前提下,既可以獲得光潔度較高的表面,又可以提高表面平整度,是迄今唯一可以提供整體平面化的表面精加工技術。目前國內外常用的拋光液有Si O2膠體拋光液、二氧化鈰拋光液、氧化鋁拋光液、納米金剛石拋光液等。 


(一) Si O2膠體拋光液。二氧化硅膠體拋光液是以高純度的硅粉為原料,經過特殊工藝生產的一種高純度金屬離子型拋光產品。廣泛用于多種納米材料的高平坦化拋光,如硅片、化合物晶體、精密光學器件、寶石等的拋光加工。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。二氧化硅是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。因此二氧化硅膠體的制備也是拋光液中不可缺少的工藝。 


(二) 氧化鈰拋光液。二氧化鈰是玻璃拋光的通用磨削材料。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。而針對STI的拋光,選擇合適的拋光液是關鍵,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,能拋光液中二氧化鈰的粒度是影響拋光效果的關鍵參數之一。目前制備出的二氧化鈰的粒徑多為微米級或亞微米級,粒度分布不均,粒徑大的溶液產生劃痕,嚴重影響到被拋光工件的拋光質量。因此,納米級二氧化鈰的制備及應用是目前研究的熱點之一。夠十分有效解決第一代STI工藝缺點,是目前重點發展的產品類型之一。


(三) 氧化鋁拋光液。α-氧化鋁(剛玉)硬度高,穩定性好,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,是一種廣泛使用的無機磨料?,F在以高亮度Ga N基藍光LED為核心的半導體照明技術對照明領域帶來了很大的沖擊,并成為目前全球半導體領域研究的熱點。但由于Ga N很難制備,必須在其他襯底材料上外延生長薄膜,作為Ga N的襯底材料有多種,目前,藍光和白光LED 芯片均采用藍寶石晶片或碳化硅晶片為襯底晶片,因此,晶片的拋光也成為關注的焦點。近年來,國際上采用了一種新的工藝,即用Al2O3拋光液一次完成藍寶石晶片研磨和拋光,大大提高藍寶石和Si C晶片的拋光效率。 

三、化學機械拋光液的研究前景 

隨著經濟的發展,為了徹底擺脫對進口拋光液的依賴,拋光液行業在國內的關注度逐漸上升,但在拋光液的制備及其使用過程中仍有許多問題需要解決: 


(一)拋光液對環境的影響?;瘜W機械拋光液中的化學成分,如氨、酸等有毒成分對環境和人體的傷害很大,為此,在進一步研究拋光液制備工藝的同時,拋光液的循環利用也要進一步完善,做到經濟發展與環境保護相協調。例如,水性體系的拋光液綠色環保,散熱快。 


(二)化學機械拋光液磨料粒子的分散問題。拋光液中使用的多為納米粒子,納米粒子的比表面積較大,表面能較高,極易發生團聚,目前國內外常用超聲波、機械攪拌、表面處理等機械化學方法對納米磨料粒子進行分散,但是往往達不到效果,因此,納米磨料粒子的分散穩定性需要進一步的研究。 


(三)拋光液的適用性。目前所用的拋光液沒有表明針對某一工件適用,因此,針對不同材料開發專門使用的化學機械拋光液需要進一步的研究。例如,目前富士康對iphone、ipad 等外殼進行光學鏡面模拋光,以及對半導體晶片的拋光,都需要使用專門特定的拋光液。 

四、結語 

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、高集成度以及可靠性,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?;瘜W機械拋光技術有很深的應用背景,我國若想對亞納米級超精加工的技術體系建立自主知識產權,CMP技術的研發尤為重要,這對打破國外技術封鎖,實現我國電子制造產業技術飛速發展有著深遠的戰略意義。 


免責聲明:本文整理自付國鑫的《淺談化學機械拋光液的應用現狀和前景》

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