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分析技术在晶圆切割液研发中的应用

背景



硅晶圆 

硅晶圆是指硅元素加以纯化(99.999%),接着是将这些纯硅制成长硅晶棒,将多晶硅融解拉出的单晶硅晶棒切割成一片一片薄薄的晶圆,成为制造积体电路的石英半导体的材料,由于其形状为圆形,故称为硅晶圆。成为制造积体电路的石英半导体的材料,由于其形状为圆形,故称为晶圆,硅晶圆是硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,是制造IC的基本原料。

晶圆切割

在晶圆制造中属后道工序,将做好芯片的整片晶圆按芯片大小分割成单一的芯片(晶粒),称之为晶圆划片

晶圆划片的过程中,常常出现硅片脆裂、切割设备磨损、腐蚀等问题,切割液则可以缓解或解决这些问题,因此把用于晶圆划片过程中切割液叫做晶圆切割液(也叫划片液)。

晶圆制造

是先将晶圆适当清洗,再在其表面进行氧化及化学气相沉积,然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤,最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。

晶圆切割液配方设计



晶圆切割液的酸碱性,不仅直接影响产品的最终清洗过程,还影响硅晶片的表面微观加工质量,及影响设备的适用寿命,所以切割液的酸碱性不易过强。

晶圆切割液常见的分析方法



不同体系的晶圆切割液中,均含有不同功能的表面活性剂、溶剂、以及各种助剂。一般需要用物理分离、化学分离、硅胶柱层析、色谱分离等方法,将对混合物进行分离、提纯,再利用光谱、质谱、色谱、能谱、热分析等仪器,对各个分离组分进行定性分析、结构确定、定量分析,并最终还原成切割液的基础配方。

案例一

选国外进口的一款晶圆切割液,对所含组分逐一进行结构表征。

第一部分 样品的整体测试

1)IR测试


1100cm-1附近的出峰,可能是聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂中C-O键的出峰。

2)XRF测试

样品高度浓缩后进行XRF测试:测试到少量的钾元素、磷酸素,可能来自某种有机或无机磷酸的伽盐,微量的硅可能来自含硅的助剂,微量的钙离子可能是水中的杂质

3)NMR测试

从原样在重水中的氢谱图中可以看出,样品还有烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇,少量聚醚等信息

4)质谱测试

通过IR、NMR、XRF确定含有表面活性剂,质谱正离子模式确定是辛基苯酚聚氧乙烯醚等非离子型的表面活性剂

从负离子模式看出,样品中可能有少量聚氧乙烯醚磷酸酯类的阴离子表面活性剂

5) 样品原样的TGA测试图

6) 水含量测试结果


第二部分  逐步分离的结果

将样品用柱层析、溶剂提取、减压蒸馏等手段进行分离,将各组分分别进行红外光谱、核磁共振、MS等测试。(如下部分谱图)

GCMS测试图谱


红外测试图谱

第三部分综合分析结果

案例二

市面上买的某晶圆切割液 ,表面有残留,方法:SEM-EDS、显微红外



1)经SEM测试,硅片的黑色那一面放大250~1000倍,有明显的白色点(可能是残留),配合测试EDS,发现白色点的主要成分是硅,可能来自与切割后的硅粉残留;有少部分的硅、氧,也有少量的碳元素,可能是高温下切割液中的物质残留或者是残炭。

2)放大1000倍以上,发现硅片表面全部是黑色的斑点,EDS测试黑点的成分,主要是硅,怀疑是切割后的硅片有分层现象,再显微镜下呈现出斑点状的暗区。


对5颗晶圆表面有异常的部位,用显微红外测试,主要分成三种不同的异物组分:

1)在800cm-1处有明显出峰,但是解析不出确定的物质,红外数据库也没有类似的出峰,与正常的单晶硅的出峰不同;经显微拉曼测试,也未检测到确定的官能团

2)匹配焦磷酸盐、磷酸盐,可能是配方中添加的脂肪醇醚磷酸酯盐的残留

3)匹配为硅酸盐、二氧化硅等,可能是硅粉在切割中,高温氧化的产物

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