半导体材料加工过程的化学方法应用

2020-12-10王新华

中国金属通报 2020年3期

王新华

（池州学院，安徽池州 247100）

半导体材料是光学电子元件，现今很多集成电路及电子产品中都含有半导体材料，而半导体材料的加工过程极其复杂，其加工的步骤均需要各种化学方法的参与，化学半导体在加工后期需要进行磨片、化学缓蚀、机械抛光及清洗等多个化学加工步骤，随着人们对用电量需求的日益壮大，电路系统逐渐形成了大规模的集成系统，这也意味着半导体的加工工艺面临着严峻的挑战，只有古板刀体的加工工艺更加精湛，才能提高半导体的质量水平，满足人们的用电需求。本文简要介绍了半导体材料的加工工艺，分析出了渗透在这些加工工艺中的化学方法。

1 化学缓蚀

半导体材料在组装之前均会经历的一些列步骤即是抛光、侵蚀，抛光就是材料磨片，用硬质磨砂材料将半导体材料表面的杂质磨掉，此法为物理去杂质法，磨出的物质为大颗粒状的、肉眼可见型的物质；再此之后，半导体材料还要经历化学去除杂质法，即是化学侵蚀，化学侵蚀就是将做过磨片处理的半导体材料放在侵蚀剂中浸泡，以去除半导体材料表面的氧化杂质，由于去除的物质为氧化杂质，因此侵蚀剂的性状一般为强碱溶液，例如KOH、NaOH等，使用强碱性物质，能将半导体表面的物质腐蚀的干干净净，以保证半导体材料的纯粹。

缓蚀剂是一种特殊存在的物质，缓蚀剂是一种的复合物质，主要作用是为半导体材料镀上一层防腐剂，以保证半导体材料在空气中不受酸碱物质的腐蚀，以延长半导体材料的使用寿命，这种物质可以长期以正常浓度及形式曝露在日常环境中，并不会由于外界环境的影响导致性质发生改变，这也在一定程度上保证了缓蚀剂的缓蚀效果，其中，验证缓蚀剂缓蚀效果的化学换算方程被称作缓蚀率，缓蚀率越高，就代表缓蚀剂的缓蚀效果越好。

缓蚀剂分为两种，一种为有机缓蚀剂，另一种为无机缓蚀剂。有机缓蚀剂的内容物为各种化学溶液，将半导体材料放在化学溶液中，借助化学反应在半导体表面形成保护膜，发生反应的溶液就被称作是有机缓蚀剂；无机缓蚀剂采用一定的化学反应方法为半导体表面镀金或是镀铝，附着在半导体表面的金属物质不容易被腐蚀，然无机缓蚀剂虽缓蚀效果好，但是应用成本高昂，因此，现今使用的缓蚀剂还是以有机缓蚀剂为主。

半导体材料应用的有机缓蚀剂的内容物一般为异丙醇，此种物质物的化学组成为双亲结构，化学分子一端为亲水基，另一端为亲油剂，正是由于其具有如此特质，因此，这种有机缓蚀剂便有极强的吸附能力，能很好的附着在半导体表面。异丙醇吸附于半导体表面的过程具有极强的画面感，一般过程为：将异丙醇方在腐蚀介质之中，异丙醇结构中的羟基吸水吸附于半导体材料的表面，主要原因是羟基是异丙醇结构中的活性基团，而其另一端的非极性基团疏水性强，其疏水基会远离半导体材料，在其表面形成疏水保护膜，以防止腐蚀介质向半导体表面靠拢，这一保护膜便起到了极好的防腐蚀效果。除此之外，缓释溶液中的一些电负性极强的氧原子会与半导体材料中的空轨道反应形成配位键，这种配位键形成的过程也叫作电子化学吸附法，其与缓蚀剂有相互协同的作用，其能增加缓蚀剂在半导体表面的附着率，从而提高缓蚀剂的缓蚀效果。

2 化学机械抛光

对半导体材料进行化学机械抛光是最为普遍的一种加工工艺，其也被称作表面平整技术，此技术的具体操作方式就是将半导体材料放在抛光器械中，使得半导体材料经过摩擦后表面变得更为平整，进而将其放在化学溶液中，将表层的氧化性杂质还原得更为纯粹，将此两种方法结合起来，最终便能让半导体材料拥有一个较为平整的表面。现阶段使用的化学机械抛光法为二氧化硅胶体抛光法，这是一种渐进性的抛光工艺，其摒弃了铜离子与铬离子抛光法中的弊端，铜离子抛光法会使得导体表面受到污染，而铬离子的尺度限制性较强，然二氧化硅抛光法则有效避免了前两者的工艺缺陷，将强碱与硅放在一起发生反应，生成可溶性硅酸盐，而抛光的整体过程就是将二氧化硅胶体颗粒吸附的化学吸附法与抛光垫与片子相互作用的机械抛光法结合起来，二者协同去除半导体表面的杂质，最后再利用二氧化硅的吸附作用清洗半导体材料，以完成整个化学机械抛光的过程[1]。

2.1 化学机理

进行二氧化硅抛光反应的第一步就是化学腐蚀，将半导体材料放在腐蚀性的抛光液之中，抛光液中的大分子颗粒便与半导体片相互接触，二者想接触之后，连接点就会瞬间加压高温，在这种温度下进行抛光的半导体材料，其表面附着物将会被溶解得干干净净。

据研究表明，二者摩擦所产生的化学反应能要远远低于热化学反应产生的能量，这两种方式产生的热能相差15%左右，由此可得，半导体材料极易在化学机械抛光法的环境中被腐蚀，以半导体材料硅片为例，其在化学机械抛光的一系列反映过程中生成硅酸离子，而部分硅酸离子在游离的过程中发生聚合反应，进而生成多硅酸，这些多硅酸又发生胶化反应生成两种性质不同的硅酸胶团，这两种胶团的电荷存在较大的差异，主要原因是由于生成的胶化团中氢离子的半径要比碱基R的半径小得多，因此，胶核对氢离子的吸引力就极强，从而可以明显看出包含氢离子的胶团要比含碱基R的胶团小的多，且二者电荷也具有极大的差别[2]。

2.2 电化学研究

所谓的CMP—化学机械抛光其实是一种电化学反应，主要的反应过程是将半导体材料放入硅胶体团中，让半导体的导体片与抛光溶液中的大颗粒粒子摩擦磨损，最终将导体表面附着的杂质电子清除。半导体材料会在抛光液的各个区域内发生的反应不同，原因是由于半导体片表面有破损，因此，导体表面的例子分布不均，在与抛光液的离子反应时，就会出现电位差，导体表层则形成了多处微电池，这些电池反应会损伤导体表层，降低导体材料的使用寿命。

中南大学的杨海平教授研究除了旋转圆盘电极法，主要是为了分析此种方法对硅片CMP所产生的影响，此装置将旋转圆盘的压力机转速清晰的呈现了出来，为人们证明了这两大因素对硅片所产生的影响。这种方法能将半导体表面在CMP中的成膜原理完整的展现出来，相比单一的从化学腐蚀理论分析，此模型从电化学角度对化学机械抛光法客观分析，呈现出的原理效果更加全面，可见性及研究性更强。

3 清洗

半导体材料的清洗过程是半导体加工工艺的最后一个步骤，是将半导体材料上的有机及无机杂质溶解下来的过程，有机杂质的溶解方法简单，即是用甲苯、酒精等高清洁性物质洗涤干净，在洗涤过后再将半导体方在兆声声波下进行物理清洗，最终即可得到干净的半导体材料。而清洗半导体表面无机杂质的方式也较简单，无机杂质的内容物为金属离子，在清洗半导体材料时，相关技术人员可以与利用碱化反应或是络合反应将有机杂质去除。