Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon
This article describes a preparation technique of polishing suspensions based on pyrogenic silicon dioxide nanoparticles, determines their basic technical characteristics, and also the guidelines on their usage are given in the mechano-chemical polishing process of semiconductor wafers of single-cry...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2008
|
| Online Access: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/300 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Surface |
| Download file: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291416617746432 |
|---|---|
| author | Gaishun, V. E. Kosenok, Y. A. Tyulenkova, O. I. Turov, V. V. Gun'ko, V. M. |
| author_facet | Gaishun, V. E. Kosenok, Y. A. Tyulenkova, O. I. Turov, V. V. Gun'ko, V. M. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. E. Gaishun",
"institution": "F. Skorina Gomel State University"
},
{
"author": "Y. A. Kosenok",
"institution": "F. Skorina Gomel State University"
},
{
"author": "O. I. Tyulenkova",
"institution": "F. Skorina Gomel State University"
},
{
"author": "V. V. Turov",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. M. Gun'ko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Gaishun, V. E. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:34Z |
| description | This article describes a preparation technique of polishing suspensions based on pyrogenic silicon dioxide nanoparticles, determines their basic technical characteristics, and also the guidelines on their usage are given in the mechano-chemical polishing process of semiconductor wafers of single-crystalline silicon. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:31:54Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2008. Вып. 14. С. 423 – 428
423
УДК 546.28
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ
ПИРОГЕННОГО КРЕМНЕЗЕМА ДЛЯ ХИМИКО-
МЕХАНИЧЕСКОЙ ПОЛИРОВКИ
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
В.Е. Гайшун1, Я.А. Косенок1, О.И. Тюленкова1,
В.В. Туров2, В.М. Гунько2
1Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины
ул. Советская 104, 246019, г. Гомель, Беларусь
2Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова 17, 03164, Киев-164
В статье описывается методика приготовления полирующих суспензий на
основе наноразмерных частиц пирогенного кремнезема, приводятся их основные
технологические характеристики, а также даются рекомендации по их использованию
в химико-механической полировке полупроводниковых пластин монокристаллического
кремния.
Введение
В течение последних 10 лет происходит постоянный рост рынка высокотехноло-
гичных компонентов для химико-механического полирования (ХМП). За этот период
рынок полупроводниковой техники пережил и бурный рост, который происходил с
начала 1999 года по первую половину 2001 года, и тяжелый кризис (с конца 2001 по
текущее время). И только в области ХМП наблюдается стабильный рост, как минимум
30 % в год. С такими темпами роста ХМП входит в тройку самых быстрорастущих
областей микроэлектроники, наряду с технологиями применения плазмы и лазеров при
производстве интегральных схем (ИС).
Необходимость применения ХМП связана прежде всего с увеличением числа
слоев металлизации при производстве современных микросхем. В настоящий момент в
массовом коммерческом производстве используется семи – восьмислойная металлиза-
ция, что приводит естественным образом к использованию ХМП для получения
плоской, гладкой и бездефектной поверхности каждого слоя металла или диэлектрика.
Высокие темпы роста объема рынка оборудования и расходных материалов для
ХМП связан, прежде всего, с его использованием не только при производстве процессо-
ров, но и для производства микросхем памяти, поскольку ХМП способствует увеличе-
нию плотности элементов на подложке, что, в свою очередь, ведет к удешевлению
производства микросхем памяти.
Все это привело к тому, что крупнейшие производители микросхем (INTEL, IBM,
MOTOROLA, SIMENS) начали активно внедрять ХМП в свое производство. Инженеры
этих фирм утверждают, что только с применением ХМП можно получить гигабитные
микросхемы памяти.
В настоящее время при производстве микросхем с топологическими нормами
меньше 150 нм, в 85 % производственных процессов используется ХМП на тех или иных
стадиях создания ИС [1].
Рост рынка оборудования и сопутствующих материалов для ХМП, а также его
применение во всех процессах с топологическими нормами 90 нм и менее, позволяют
424
сделать вывод, что ХМП уже в настоящее время является одной из новейших
технологий, которые получают всеобщее распространение на различных этапах
полупроводникового производства, и ее последующее распространение в производстве
различных ИС является лишь вопросом времени.
Краткий обзор
Разработкой и производством полирующих суспензий для ХМП изделий оптики и
электроники занимаются ведущие зарубежные фирмы, например, NALKO Chemical Co.
(CША), WACKER HDK (Германия), RODEL Inc. (США), FUJIMI Inc. (Япония) и др.
Применение готовых суспензий упрощает процесс приготовления рабочей суспензии, но
в то же самое время существующие суспензии обладают рядом недостатков: во-первых,
имеют низкое значение рН, что приводит к увеличению времени предварительной
полировки; во-вторых, их использование требует дорогостоящих импортных полиро-
вальников и повышенного расхода рабочей суспензии (до 200 – 300 мл/мин), что ведет к
существенному удорожанию процесса полировки; в-третьих, для их стабилизации
используются ионы щелочных металлов (до 0,5 %), которые являются загрязняющим
фактором при последующем использовании полупроводниковых пластин в микроэлект-
ронных устройствах; в-четвертых, все суспензии производят в дальнем зарубежье,
поэтому на их цену существенное влияние оказывают накладные расходы, связанные с
их транспортировкой [2 – 4].
В работе [5] проводилось тестирование трех суспензий с различными окислителя-
ми: иодат калия с абразивными частицами корунда (Al2O3), нитрат железа также с
абразивными частицами корунда, перекись водорода с аморфными частицами SiO2. Для
каждой суспензии выбирался свой полировальник. Показано, что оптимальной является
суспензия на основе аморфного кремнезема и перикиси водорода [2].
Концентрированная суспензия на основе SiO2 должна содержать очень маленькие
частицы (от 0,001 до 0,03 мкм) в диаметре, что даст им возможность в течение длитель-
ного времени находиться во взвешенном состоянии. Частицы диоксида кремния в
коллоидном состоянии должны иметь аморфную структуру и обладать отрицательным
электрическим зарядом. Вследствие электростатического отталкивания частиц друг от
друга устойчивость коллоидного кремнезема увеличивается. К тому же частицы SiO2 не
должны быть пористыми [6].
Таким образом, известные суспензии и порошки для ХМП полупроводниковых
пластин и способы их получения либо имеют высокое содержание загрязняющих приме-
сей, либо их использование приводит к увеличению времени полировки и повышенному
расходу рабочей суспензии, либо требуют использования дорогих импортных полиро-
вальников.
Экспериментальная часть
Для приготовления концентрированных полирующих суспензий предлагается
использовать порошок диоксида кремния, который получают из SiCl4 путем высокотем-
пературного гидролиза в водородно-кислородном пламени. Частицы диоксида кремния,
синтезированные таким образом, имеют форму, близкую к сферической и их размеры
лежат в диапазоне от 0,005 до 0,3 мкм [6].
Нами разработаны новые стабилизированные полирующие суспензии (СПС) на
основе пирогенного диоксида кремния различных марок и исследованы их основные
характеристики.
Методика приготовления суспензий на основе пирогенного диоксида кремния
включает три стадии: смешение исходных компонент, ультразвуковое диспергирование
и очистку полученной смеси от технологических примесей и гритта (рис. 1) [7, 8]. Для
425
стабильности таких систем важно добиться высокой гомогенности, которая достигается
интенсивным диспергированием. Диспергирование кремнезема в золь представляет
определенные трудности и для достижения приемлемого диспергирования в воде
необходимы значительные механические силы. Хорошие результаты получены при
перемешивании дисперсий лопастной мешалкой при непрерывном ультразвуковом
воздействии. Затем полученная дисперсия подвергалась центробежной сепарации на
центрифуге с целью удаления из коллоидной системы более крупных частиц.
Рис. 1. Общая схема получения полирующих суспензий на основе диоксида кремния.
Полученные продукты представляют собой суспензии молочного цвета и имеют
характеристики, представленные в табл. 2.
Испытания на полирующую способность осуществляли на полуавтомате
Ю1МЗ.105.004. Полировке подвергались пластины монокристаллического кремния
марок КДБ 12 и КЭФ 4,5. Расход суспензии составил 100 – 150 капель/мин.
Результаты и их обсуждение
Уникальность ХМП заключается в том, что это единственный процесс, способ-
ный обеспечить не только локальную, но и глобальную планарность. К тому же скорость
съема может достигать высоких значений. В ходе ХМП поверхность подвергается
механическому воздействию в присутствии химически активного компонента (рис. 2).
Частицы удаляют продукты химических реакций с микровыступов на обрабатываемой
поверхности, что ускоряет их стравливание. Давление полировального диска воздейст-
вует в первую очередь на микровыступы, что также ускоряет травление в этих точках.
Этому способствует и подача к микровыступам свежих порций травителя, происходящая
благодаря взаимному движению пластин и полировального круга.
Вода
дистил-
лирован
ная
Аэросил
Стабилизатор
Ультразвуковая обработка
Центрифугирование
Контроль параметров
Поверхност-
но-активные
добавки
426
Таблица 2. Основные характеристики полирующих суспензий на основе пирогенного
диоксида кремния для ХМП изделий оптики и электроники
Тип суспензии Примеси, масс. %
СПС № 50 СПС № 55 СПС № 8 СПС № 81 СПС № 54
Железо 0,0002 0,0002 0,0002 0,00002 0,0003
Натрий 0,4 0,4 0,0005 0,00005 0,0004
Калий 0,00005 0,00005 0,0004 0,00004 0,00004
Стабилизирующее
основание NaOH, KOH Этилендиамин -
Плотность, г/см3 1,20 – 1,25 1,130 – 1,134 1,075 – 1,08 1,10 – 1,12 1,10 – 1,12
рН при 20 °С 10,9 – 11,0 9,5 – 10,9 11,8 – 12,0 12,5 – 12,8 5,5 – 7,0
Размер частиц
SiO2, нм 50 – 100 50 – 100 10 – 40 50 – 100 50 – 100
Содержание
SiO2, масс. % 30,0 20,0 12,5 20,0 16,0
Внешний вид
суспензии Жидкость молочного цвета
Вязкость, МПа×с 1,8 1,25 1,7 1,7
Срок годности не менее 6 месяцев
Рис. 2. Изображение процесса ХМП.
В табл. 3 даются рекомендации по использованию разработанных полирующих
суспензий и их основные технологические характеристики.
Выбор суспензии для планаризации основывается не только на перечисленных
выше технологических характеристиках, но также на таких свойствах, как простота их
приготовления, стабильность и чистота поверхности. При использовании суспензий,
разработанных нами, наличия поверхностных дефектов и нарушения поверхностного
слоя при ХМП не установлено. Также из преимуществ следует отметить малую величи-
ну возникающего статического электричества на полировальнике, высокую производи-
тельность, легкость использования, высокую стабильность, минимальное загрязнение
ионами металлов.
Держатель
Подложка Стол
Суспензия
Полировальник
427
Таблица 3. Основные технологические параметры полирующих суспензий на основе
пирогенного диоксида кремния для ХМП пластин монокристаллического
кремния
Тип суспензии
Характеристика СПС №
50 СПС № 55 СПС № 8 СПС № 81 СПС № 54
Стадия
использования II стадия II стадия I стадия I стадия
Рекомендуемое
разбавление 1:15 1:5 1:3 1:5
рН после
разбавления 7,5 – 8,0 10,5 – 10,6 11,8 – 11,9 12,2 – 12,3
Плотность
после
разбавления,
г/см3
1,010 1,010 1,015 1,010
Время
обработки, мин 15 30
Величина
съема, мкм 5¸7 30÷35
по
требованиям
заказчика
Рекомендуемый
тип полировки
сегаль
или
поливел
сегаль политан
политан
сегаль,
поливел,
политан и др.
В результате проведенных сравнительных испытаний в производственных усло-
виях установлено, что в сравнении с применяемыми в настоящее время субмикронными
порошками (алюмосиликат и "Элплаз-К") при предварительной полировке (I стадия)
пластин монокристаллического кремния, использование суспензий на основе нанораз-
мерных частиц пирогенного диоксида кремния позволит стабилизировать расход
суспензии во время полировки, а, следовательно, и стабилизировать скорость съема на
пластинах монокристаллического кремния и снизить величину нарушенного слоя,
характеризующего качество шлифуемых или полируемых поверхностей кремниевых
пластин.
Разработка технологии получения концентрированных суспензий на основе
наноразмерных частиц пирогенного диоксида кремния для ХМП позволит отказаться от
дорогостоящих материалов для ее приготовления и снизить затраты на производство
единицы конечной продукции.
Литература
1. Joseph M.S., Shyam P.M., Ronald J.G. Chemical mechanical planarization of
microelectronic materials // Wiley. – 1997. – 324 p.
2. US Patent № 6248144. Process for producing polishing composition. – Tamai, et al.
(Fujimi Inc.), 19.06.2001.
3. US Patent № 6656241. Silica-based slurry. – Y.Li et.al. (PPG Industries Ohio, Inc.),
2.12.2003.
4. US Patent № 6533832. Chemical mechanical polishing slurry and method for using same.–
J. Scott et.al. (Cabot Microelectronics Corporation), 18.03.2003.
5. Wijekoon K., Lin R. Tungster CMP process development // Solid State Technology. –
1998. – V. 2. – P. 53 – 56.
428
6. Айлер Р. Химия кремнезема / Под ред. В.П. Прянишникова.– М.: Мир, 1982. – Ч. 2. –
1128 с.
7. Патент РФ на изобретение № 2280056. Состав полирующей суспензии. –
В.Е. Гайшун, О.И. Тюленкова, И.М. Мельниченко, Я.А. Косенок, 20.07.2006 г.
8. Патент РБ № 8586 на изобретение. Способ получения полирующей суспензии. –
В.Е. Гайшун, О.И. Тюленкова, И.М. Мельниченко, 30.10.2006г, заяв. BY 20010354
опубл. 16.04.2001.
USAGE OF SUSPENSIONS BASED ON FUMED SILICA
TO MECHANO-CHEMICAL POLISHING OF
SINGLE-CRYSTALLINE SILICON
V.E. Gaishun1, Y.A. Kosenok1, O.I. Tyulenkova1, V.V. Turov2, V.M. Gun’ko2
1F. Skorina Gomel State University
Sovetskaya Str. 104, 246019 Gomel, Belarus
2Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine
General Naumov Str. 17, 03164 Kyiv-164
This article describes a preparation technique of polishing suspensions based on
pyrogenic silicon dioxide nanoparticles, determines their basic technical characteristics, and
also the guidelines on their usage are given in the mechano-chemical polishing process of
semiconductor wafers of single-crystalline silicon.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-300 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-07-22T19:31:54Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/d9/2f838d75ccd08d6218dd7fda1537f4d9.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-3002018-11-27T09:40:34Z Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon Использование суспензий на основе пирогенного кремнезема для химико-механической полировки монокристаллического кремния Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon Gaishun, V. E. Kosenok, Y. A. Tyulenkova, O. I. Turov, V. V. Gun'ko, V. M. This article describes a preparation technique of polishing suspensions based on pyrogenic silicon dioxide nanoparticles, determines their basic technical characteristics, and also the guidelines on their usage are given in the mechano-chemical polishing process of semiconductor wafers of single-crystalline silicon. В статье описывается методика приготовления полирующих суспензий на основе наноразмерных частиц пирогенного кремнезема, приводятся их основные технологические характеристики, а также даются рекомендации по их использованию в химико-механической полировке полупроводниковых пластин монокристаллического кремния. This article describes a preparation technique of polishing suspensions based on pyrogenic silicon dioxide nanoparticles, determines their basic technical characteristics, and also the guidelines on their usage are given in the mechano-chemical polishing process of semiconductor wafers of single-crystalline silicon. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2008-07-30 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/300 Surface; No. 14 (2008): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 423-428 Поверхность; № 14 (2008): Химия, физика и технология поверхности; 423-428 Поверхня; № 14 (2008): Хімія, фізика та технологія поверхні; 423-428 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/300/299 Авторське право (c) 2008 V.E. Gaishun, Y.A. Kosenok, O.I. Tyulenkova, V.V. Turov, V.M. Gun’ko |
| spellingShingle | Gaishun, V. E. Kosenok, Y. A. Tyulenkova, O. I. Turov, V. V. Gun'ko, V. M. Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon |
| title | Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon |
| title_alt | Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon Использование суспензий на основе пирогенного кремнезема для химико-механической полировки монокристаллического кремния |
| title_full | Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon |
| title_fullStr | Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon |
| title_full_unstemmed | Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon |
| title_short | Usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon |
| title_sort | usage of suspensions based on fumed silica for mechano-chemical polishing of single-crystalline silicon |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/300 |
| work_keys_str_mv | AT gaishunve usageofsuspensionsbasedonfumedsilicaformechanochemicalpolishingofsinglecrystallinesilicon AT kosenokya usageofsuspensionsbasedonfumedsilicaformechanochemicalpolishingofsinglecrystallinesilicon AT tyulenkovaoi usageofsuspensionsbasedonfumedsilicaformechanochemicalpolishingofsinglecrystallinesilicon AT turovvv usageofsuspensionsbasedonfumedsilicaformechanochemicalpolishingofsinglecrystallinesilicon AT gunkovm usageofsuspensionsbasedonfumedsilicaformechanochemicalpolishingofsinglecrystallinesilicon AT gaishunve ispolʹzovaniesuspenzijnaosnovepirogennogokremnezemadlâhimikomehaničeskojpolirovkimonokristalličeskogokremniâ AT kosenokya ispolʹzovaniesuspenzijnaosnovepirogennogokremnezemadlâhimikomehaničeskojpolirovkimonokristalličeskogokremniâ AT tyulenkovaoi ispolʹzovaniesuspenzijnaosnovepirogennogokremnezemadlâhimikomehaničeskojpolirovkimonokristalličeskogokremniâ AT turovvv ispolʹzovaniesuspenzijnaosnovepirogennogokremnezemadlâhimikomehaničeskojpolirovkimonokristalličeskogokremniâ AT gunkovm ispolʹzovaniesuspenzijnaosnovepirogennogokremnezemadlâhimikomehaničeskojpolirovkimonokristalličeskogokremniâ |