半導(dǎo)體材料加工過程的化學(xué)方法應(yīng)用

王新華

（池州學(xué)院，安徽 池州 247100）

半導(dǎo)體材料是光學(xué)電子元件，現(xiàn)今很多集成電路及電子產(chǎn)品中都含有半導(dǎo)體材料，而半導(dǎo)體材料的加工過程極其復(fù)雜，其加工的步驟均需要各種化學(xué)方法的參與，化學(xué)半導(dǎo)體在加工后期需要進(jìn)行磨片、化學(xué)緩蝕、機(jī)械拋光及清洗等多個(gè)化學(xué)加工步驟，隨著人們對(duì)用電量需求的日益壯大，電路系統(tǒng)逐漸形成了大規(guī)模的集成系統(tǒng)，這也意味著半導(dǎo)體的加工工藝面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，只有古板刀體的加工工藝更加精湛，才能提高半導(dǎo)體的質(zhì)量水平，滿足人們的用電需求。本文簡(jiǎn)要介紹了半導(dǎo)體材料的加工工藝，分析出了滲透在這些加工工藝中的化學(xué)方法。

1 化學(xué)緩蝕

半導(dǎo)體材料在組裝之前均會(huì)經(jīng)歷的一些列步驟即是拋光、侵蝕，拋光就是材料磨片，用硬質(zhì)磨砂材料將半導(dǎo)體材料表面的雜質(zhì)磨掉，此法為物理去雜質(zhì)法，磨出的物質(zhì)為大顆粒狀的、肉眼可見型的物質(zhì)；再此之后，半導(dǎo)體材料還要經(jīng)歷化學(xué)去除雜質(zhì)法，即是化學(xué)侵蝕，化學(xué)侵蝕就是將做過磨片處理的半導(dǎo)體材料放在侵蝕劑中浸泡，以去除半導(dǎo)體材料表面的氧化雜質(zhì)，由于去除的物質(zhì)為氧化雜質(zhì)，因此侵蝕劑的性狀一般為強(qiáng)堿溶液，例如KOH、NaOH等，使用強(qiáng)堿性物質(zhì)，能將半導(dǎo)體表面的物質(zhì)腐蝕的干干凈凈，以保證半導(dǎo)體材料的純粹。

緩蝕劑是一種特殊存在的物質(zhì)，緩蝕劑是一種的復(fù)合物質(zhì)，主要作用是為半導(dǎo)體材料鍍上一層防腐劑，以保證半導(dǎo)體材料在空氣中不受酸堿物質(zhì)的腐蝕，以延長(zhǎng)半導(dǎo)體材料的使用壽命，這種物質(zhì)可以長(zhǎng)期以正常濃度及形式曝露在日常環(huán)境中，并不會(huì)由于外界環(huán)境的影響導(dǎo)致性質(zhì)發(fā)生改變，這也在一定程度上保證了緩蝕劑的緩蝕效果，其中，驗(yàn)證緩蝕劑緩蝕效果的化學(xué)換算方程被稱作緩蝕率，緩蝕率越高，就代表緩蝕劑的緩蝕效果越好。

緩蝕劑分為兩種，一種為有機(jī)緩蝕劑，另一種為無機(jī)緩蝕劑。有機(jī)緩蝕劑的內(nèi)容物為各種化學(xué)溶液，將半導(dǎo)體材料放在化學(xué)溶液中，借助化學(xué)反應(yīng)在半導(dǎo)體表面形成保護(hù)膜，發(fā)生反應(yīng)的溶液就被稱作是有機(jī)緩蝕劑；無機(jī)緩蝕劑采用一定的化學(xué)反應(yīng)方法為半導(dǎo)體表面鍍金或是鍍鋁，附著在半導(dǎo)體表面的金屬物質(zhì)不容易被腐蝕，然無機(jī)緩蝕劑雖緩蝕效果好，但是應(yīng)用成本高昂，因此，現(xiàn)今使用的緩蝕劑還是以有機(jī)緩蝕劑為主。

半導(dǎo)體材料應(yīng)用的有機(jī)緩蝕劑的內(nèi)容物一般為異丙醇，此種物質(zhì)物的化學(xué)組成為雙親結(jié)構(gòu)，化學(xué)分子一端為親水基，另一端為親油劑，正是由于其具有如此特質(zhì)，因此，這種有機(jī)緩蝕劑便有極強(qiáng)的吸附能力，能很好的附著在半導(dǎo)體表面。異丙醇吸附于半導(dǎo)體表面的過程具有極強(qiáng)的畫面感，一般過程為：將異丙醇方在腐蝕介質(zhì)之中，異丙醇結(jié)構(gòu)中的羥基吸水吸附于半導(dǎo)體材料的表面，主要原因是羥基是異丙醇結(jié)構(gòu)中的活性基團(tuán)，而其另一端的非極性基團(tuán)疏水性強(qiáng)，其疏水基會(huì)遠(yuǎn)離半導(dǎo)體材料，在其表面形成疏水保護(hù)膜，以防止腐蝕介質(zhì)向半導(dǎo)體表面靠攏，這一保護(hù)膜便起到了極好的防腐蝕效果。除此之外，緩釋溶液中的一些電負(fù)性極強(qiáng)的氧原子會(huì)與半導(dǎo)體材料中的空軌道反應(yīng)形成配位鍵，這種配位鍵形成的過程也叫作電子化學(xué)吸附法，其與緩蝕劑有相互協(xié)同的作用，其能增加緩蝕劑在半導(dǎo)體表面的附著率，從而提高緩蝕劑的緩蝕效果。

2 化學(xué)機(jī)械拋光

對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光是最為普遍的一種加工工藝，其也被稱作表面平整技術(shù)，此技術(shù)的具體操作方式就是將半導(dǎo)體材料放在拋光器械中，使得半導(dǎo)體材料經(jīng)過摩擦后表面變得更為平整，進(jìn)而將其放在化學(xué)溶液中，將表層的氧化性雜質(zhì)還原得更為純粹，將此兩種方法結(jié)合起來，最終便能讓半導(dǎo)體材料擁有一個(gè)較為平整的表面。現(xiàn)階段使用的化學(xué)機(jī)械拋光法為二氧化硅膠體拋光法，這是一種漸進(jìn)性的拋光工藝，其摒棄了銅離子與鉻離子拋光法中的弊端，銅離子拋光法會(huì)使得導(dǎo)體表面受到污染，而鉻離子的尺度限制性較強(qiáng)，然二氧化硅拋光法則有效避免了前兩者的工藝缺陷，將強(qiáng)堿與硅放在一起發(fā)生反應(yīng)，生成可溶性硅酸鹽，而拋光的整體過程就是將二氧化硅膠體顆粒吸附的化學(xué)吸附法與拋光墊與片子相互作用的機(jī)械拋光法結(jié)合起來，二者協(xié)同去除半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)，最后再利用二氧化硅的吸附作用清洗半導(dǎo)體材料，以完成整個(gè)化學(xué)機(jī)械拋光的過程[1]。

2.1 化學(xué)機(jī)理

進(jìn)行二氧化硅拋光反應(yīng)的第一步就是化學(xué)腐蝕，將半導(dǎo)體材料放在腐蝕性的拋光液之中，拋光液中的大分子顆粒便與半導(dǎo)體片相互接觸，二者想接觸之后，連接點(diǎn)就會(huì)瞬間加壓高溫，在這種溫度下進(jìn)行拋光的半導(dǎo)體材料，其表面附著物將會(huì)被溶解得干干凈凈。

據(jù)研究表明，二者摩擦所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量，這兩種方式產(chǎn)生的熱能相差15%左右，由此可得，半導(dǎo)體材料極易在化學(xué)機(jī)械拋光法的環(huán)境中被腐蝕，以半導(dǎo)體材料硅片為例，其在化學(xué)機(jī)械拋光的一系列反映過程中生成硅酸離子，而部分硅酸離子在游離的過程中發(fā)生聚合反應(yīng)，進(jìn)而生成多硅酸，這些多硅酸又發(fā)生膠化反應(yīng)生成兩種性質(zhì)不同的硅酸膠團(tuán)，這兩種膠團(tuán)的電荷存在較大的差異，主要原因是由于生成的膠化團(tuán)中氫離子的半徑要比堿基R的半徑小得多，因此，膠核對(duì)氫離子的吸引力就極強(qiáng)，從而可以明顯看出包含氫離子的膠團(tuán)要比含堿基R的膠團(tuán)小的多，且二者電荷也具有極大的差別[2]。

2.2 電化學(xué)研究

所謂的CMP—化學(xué)機(jī)械拋光其實(shí)是一種電化學(xué)反應(yīng)，主要的反應(yīng)過程是將半導(dǎo)體材料放入硅膠體團(tuán)中，讓半導(dǎo)體的導(dǎo)體片與拋光溶液中的大顆粒粒子摩擦磨損，最終將導(dǎo)體表面附著的雜質(zhì)電子清除。半導(dǎo)體材料會(huì)在拋光液的各個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)不同，原因是由于半導(dǎo)體片表面有破損，因此，導(dǎo)體表面的例子分布不均，在與拋光液的離子反應(yīng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電位差，導(dǎo)體表層則形成了多處微電池，這些電池反應(yīng)會(huì)損傷導(dǎo)體表層，降低導(dǎo)體材料的使用壽命。

中南大學(xué)的楊海平教授研究除了旋轉(zhuǎn)圓盤電極法，主要是為了分析此種方法對(duì)硅片CMP所產(chǎn)生的影響，此裝置將旋轉(zhuǎn)圓盤的壓力機(jī)轉(zhuǎn)速清晰的呈現(xiàn)了出來，為人們證明了這兩大因素對(duì)硅片所產(chǎn)生的影響。這種方法能將半導(dǎo)體表面在CMP中的成膜原理完整的展現(xiàn)出來，相比單一的從化學(xué)腐蝕理論分析，此模型從電化學(xué)角度對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光法客觀分析，呈現(xiàn)出的原理效果更加全面，可見性及研究性更強(qiáng)。

3 清洗

半導(dǎo)體材料的清洗過程是半導(dǎo)體加工工藝的最后一個(gè)步驟，是將半導(dǎo)體材料上的有機(jī)及無機(jī)雜質(zhì)溶解下來的過程，有機(jī)雜質(zhì)的溶解方法簡(jiǎn)單，即是用甲苯、酒精等高清潔性物質(zhì)洗滌干凈，在洗滌過后再將半導(dǎo)體方在兆聲聲波下進(jìn)行物理清洗，最終即可得到干凈的半導(dǎo)體材料。而清洗半導(dǎo)體表面無機(jī)雜質(zhì)的方式也較簡(jiǎn)單，無機(jī)雜質(zhì)的內(nèi)容物為金屬離子，在清洗半導(dǎo)體材料時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員可以與利用堿化反應(yīng)或是絡(luò)合反應(yīng)將有機(jī)雜質(zhì)去除。

4 結(jié)語

綜上所述，半導(dǎo)體材料在加工過程中應(yīng)用的化學(xué)方法很多，通過這種化加工法加工出來的半導(dǎo)體材料性能更加穩(wěn)定，將其應(yīng)用到大規(guī)模集成電路中將會(huì)產(chǎn)生更優(yōu)質(zhì)的效果，因此，半導(dǎo)體加工企業(yè)要?jiǎng)?chuàng)新出科學(xué)性更強(qiáng)的化學(xué)加工工藝，以促進(jìn)半導(dǎo)體加工行業(yè)長(zhǎng)久的發(fā)展。