鍺晶體化學機械拋光的拋光液及使用方法
【專利摘要】本發明涉及一種鍺晶體化學機械拋光的拋光液及使用方法，包括粗拋液和精拋液，所述粗拋液按重量％計主要由下列原料組成：磨料粒徑15-110nm、濃度≥40wt％、硬度≤7 Mohs的SiO2水溶膠磨料10-50％、氧化劑0.2-1.5％、pH調節劑0.5-2％、螯合劑0.2-1.5％、表面活性劑0.1-1％；精拋液主要有表面活性劑0.1-0.5％，余量為去離子水。選擇兩步拋光法進行化學機械拋光，第一步選用粗拋液，第二步選用精拋液，兩步拋光在同一臺拋光機上完成。有益效果：可以解決鍺晶體材料化學機械拋光過程中速率低、粗糙度高、金屬離子及顆粒沾污等問題。
【專利說明】鍺晶體化學機械拋光的拋光液及使用方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于CMP拋光液，尤其涉及一種鍺晶體化學機械拋光的拋光液及使用方法。
【背景技術】
[0002]鍺(Ge)既是一種稀有金屬，同時又是一種極為重要的半導體材料。鍺的相對原子質量為72.59，密度是5.35g/cm3 ;鍺的熔點和沸點都較高，分別為937.4°C和2830°C。鍺表面呈銀灰色，晶格屬金剛石型。
[0003]鍺在國家安全的保障和國民經濟的建設方面都發揮著不可替代的作用。它被視為是一種十分重要的戰略資源。目前它已經成為了新型的清潔能源材料。在太陽能電池領域鍺單晶得到了廣泛而成功的應用，太陽能電池可將光能轉化為電能，它對改善地球環境、緩解能源危機有著極其重要的意義。如何有效地提高其光電轉換效率一直是該領域持續關注的課題。隨著航天航空事業的持續發展，對于空間站、宇宙飛船和人造衛星上應用的太陽能電池的性能提出了更高更為苛刻的要求。雖然硅太陽能電池發展成熟、應用廣泛，但是硅太陽能電池光電轉換效率低、抗輻射能力差，因而其進一步發展受到了明顯的限制。鍺襯底太陽能電池具有光電效率高、抗輻射等優點，目前正被廣泛地應用于空間太陽能電池領域，除此之外相對于傳統太陽能電池，鍺/砷化鎵太陽能電池還具有成本低、重量輕等優點；同時鍺材料也廣泛地應用于計算機、導航、通訊、自動化以及光纖、光學、原子能等領域。然而，鍺材料成本較高，若采用傳統的研磨和拋光方法來進行加工，不僅會浪費原材料而且無法保證加工質量；鍺材料的研究開發和廣泛應用正在推動著鍺拋光片需求量的逐年上升，雖然我國鍺資源儲備居全球第一，但現階段鍺材料仍需要從國外進口，因此針對于鍺單晶的化學機械拋光技術的研究已成為人們關注的熱點。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服上述技術的不足，提供一種鍺晶體化學機械拋光的拋光液及使用方法，拋光液采用無離子氧化劑、堿性PH調節劑、高濃度低硬度磨料、表面活性劑、螯合劑為主要成分，并采用粗、精拋二步拋光使用的方法，可提高拋光效率，改善表面粗糙度；可以解決鍺晶體材料化學機械拋光過程中速率低、粗糙度高、金屬離子及顆粒沾污等技術問題，為實現鍺單晶材料高速率、低粗糙、環保、工藝簡化的表面加工奠定基礎。
[0005]本發明為實現上述目的，采用以下技術方案:一種鍺晶體化學機械拋光的拋光液，其特征是:包括粗拋液和精拋液，所述粗拋液按重量％計主要由下列原料組成:磨料粒徑15-110nm、濃度彡40wt%、硬度彡7Mohs的Si02水溶膠磨料10-50%、氧化劑0.2-1.5%,pH調節劑0.5-2%、螯合劑0.2-1.5%、表面活性劑0.1-1% ;pH調節劑為有機堿；所述精拋液按重量％計主要由下列原料組成:表面活性劑0.1-0.5%,99.5-99.9%去離子水。
[0006]所述拋光液的制備方法:按重量％計，粗拋液:將10-50%納米Si02水溶膠邊攪拌邊加入去離子水稀釋至完全溶解，隨后邊攪拌邊依次加入0.1-1 %的活性劑、0.2-1 %的螯合劑、0.5-2% pH調節劑和0.2-1.5%氧化劑；精拋液:將0.1-0.5%非離子表面活性劑邊攪拌邊加入99.5-99.9%去離子水中。
[0007]所述氧化劑為氧化性適中無金屬離子的H202。
[0008]所述活性劑為FA/0 I 型表面活性劑、0n-7 ((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)「H) 'O11-1O ((Ci0H2「C6H4-0-CH2CH20) 10-Η) >0-20 (C12_18H25_37-C6H4-0_CH2CH20) 70-H)、或 JFC 的一種或幾種混合。
[0009]所述pH調節劑為有機多羥胺堿，包括羥乙基二胺、三乙醇胺、四羥基乙二胺、四羥乙基已二胺的一種或幾種的混合。
[0010]所述pH調節劑的pH值為9-13。
[0011]所述的螯合劑為為FA/0 II型螯合劑。
[0012]所述鍺晶體化學機械拋光的拋光液的是使用方法，由以下步驟組成:選擇兩步拋光法進行化學機械拋光，第一步選用粗拋液，第二步選用精拋液，兩步拋光在同一臺拋光機上完成；第一步取制備好的粗拋液1000-3000g，工藝條件為拋光液流量100g-300g/min、溫度20-35°C、拋光壓力6.895-27.58Kpa，轉速40_80rpm ;第二步取精拋液300_500g，工藝條件為流量 300g-500g/min、溫度 20_35°C、拋光壓力 0-13.79Kpa，轉速 60_100rpm。
[0013]本發明中采用技術的作用為:拋光液采用粗拋液和精拋液，粗拋液采用高濃度低硬度磨料、無金屬離子氧化劑提高去除速率并防止金屬離子沾污；多羥多胺有機胺堿通過不斷釋放羥基而保障拋光液的pH值的穩定性，從而保障有效的化學作用；非離子表面活性劑可使拋光產物處于易清洗的物理咐附狀態，有利于表面沾污物的去除，減少污染；螯合劑可有效去除拋光過程中引入的金屬離子，同時可起到緩沖和緩蝕的作用。精拋液采用非離子表面活性劑可有效去除拋光后晶片表面的沾污物，提高表面加工質量。
[0014]有益效果:與現有技術相比，本發明為實現鍺單晶材料化學機械拋光的高效率、低粗糙、工藝簡化奠定了基礎。尤其是
[0015]1、拋光液采用無離子氧化劑、堿性pH調節劑、高濃度低硬度磨料、表面活性劑、螯合劑為主要成分，并采用粗、精拋二步拋光使用的方法，可提高拋光效率，改善表面粗糙度，對設備無腐蝕，同時可大大簡化工藝；
[0016]2、選用氧化劑，非離子氧化劑可避免引入金屬離子帶來的污染，同時氧化性溫和，可保障化學反應穩定進行，保障表面氧化的均勻性及去除速率的一致性。
[0017]3.選用非離子表面活性劑可避免金屬離子的二次污染，同時可使拋光表面吸附物處理易清洗的物理吸附狀態，有利于表面沾污物的去除，同時減少損傷層，提高晶片表面加工質量；
[0018]4.選用有機堿，多羥多胺有機強堿不引入金屬離子，可通過不斷釋放羥基保障拋光液PH的穩定性，即保障拋光液持久的化學作用；
[0019]5.選用的螯合劑可與對晶片表面殘留的金屬離子發生反應，生成可溶性的大分子螯合物，在較小作用下即可脫離晶片表面，同時又可起緩沖緩蝕的作用；
[0020]6.選用的納米Si02水溶膠作為拋光液磨料，粒徑、濃度高、硬度小分散度好，能夠達到高速率高平整低損傷拋光、污染小；
[0021]7.選用粗、精拋光液同一機臺二步使用的方法，在保證拋光質量的情況下，可以簡化了工藝，降低了成本。
【具體實施方式】
[0022]下面結合較佳實施例詳細說明本發明的【具體實施方式】。
[0023]實施例1
[0024]配制3000g鍺單晶粗拋液和500g精拋液并進行二步拋光使用
[0025]取1500g磨料粒徑15-20納米S12溶膠，邊攪拌邊加入1235g去離子水中，隨后邊攪拌邊分別加入30g的FA/0 I型表面活性劑，45gFA/0 II型螯合劑，60g濃度20%的四羥乙基乙二胺溶液，30g氧化劑雙氧水，攪拌均勻制備好粗拋液；后取2.5gFA/0 I型表面活性劑過攪拌過加入497.5g去離子水中，制備好精拋液。然后進行二步拋光，粗拋工藝300g/min流量，壓力27.58KPa，溫度35°C，轉速60/65rpm，進行粗拋光1min后進行精拋，工藝為流量500g/min，壓力13.79KPa，溫度25°C轉速90/95rpm，拋光lmin。最終拋光速率為1.04 μ m/min，表面粗糙度為14.7nm。
[0026]實施例2:
[0027]配制2000g錯單晶粗拋液和400g精拋液并進行_■步拋光使用
[0028]取500g磨料粒徑60-70納米S12溶膠，邊攪拌邊加入1430g去離子水中，隨后邊攪拌邊分別加入1g的FA/0 I型表面活性劑，20gFA/0 II型螯合劑，20g濃度20%的四羥基乙二胺溶液，20g氧化劑雙氧水，攪拌均勻制備好粗拋液；后取1.2gFA/0 I型表面活性劑過攪拌過加入398.8g去離子水中，制備好精拋液。然后進行二步拋光，粗拋工藝200g/min流量，壓力13.79KPa，溫度30°C，轉速60/65rpm，進行粗拋光1min后進行精拋，工藝為流量400g/min，壓力6.895KPa，溫度25°C轉速80/85rpm，拋光lmin。最終拋光速率為1.12 μ m/min，表面粗糙度為13.3nm。
[0029]實施例3:
[0030]配制100g錯單晶粗拋液和300g精拋液并進行_■步拋光使用
[0031]取10g磨料粒徑100-110納米S12溶膠，邊攪拌邊加入890g去離子水中，隨后邊攪拌邊分別加入Ig的FA/0 I型表面活性劑，2gFA/0 II型螯合劑，5g濃度20%的四羥基乙二胺溶液，2g氧化劑雙氧水，攪拌均勻制備好粗拋液；后取0.3gFA/0 I型表面活性劑過攪拌過加入399.7g去離子水中，制備好精拋液。然后進行二步拋光，粗拋工藝100g/min流量，壓力6.895KPa，溫度25°C，轉速40/45rpm，進行粗拋光1min后進行精拋，工藝為流量300g/min，壓力OKPa，溫度25°C轉速60/65rpm，拋光lmin。最終拋光速率為LOOlym/min，表面粗糙度為14.lnm。
[0032]所述FA/0 I型表面活性劑和FA/0 II型螯合劑為天津晶嶺微電子材料有限公司市售商品。所述磨料為市售不同粒徑的納米S12水溶膠磨料。
[0033]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明的結構作任何形式上的限制。凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明的技術方案的范圍內。
【權利要求】
1.一種鍺晶體化學機械拋光的拋光液，其特征是:包括粗拋液和精拋液，所述粗拋液按重量％計，主要由下列原料組成:磨料粒徑15-110nm、濃度彡40wt%、硬度< 7Mohs的S12水溶膠磨料10-50%、氧化劑0.2-1.5%, pH調節劑0.5_2%、螯合劑0.2-1.5%、表面活性劑0.1-1% ;pH調節劑為有機堿；所述精拋液按重量％計主要由下列原料組成:表面活性劑0.1-0.5%,99.5-99.9%為去離子水。
2.根據權利要求1所述的鍺晶體化學機械拋光的拋光液，其特征是:所述拋光液的制備方法:按重量％計，粗拋液:將10-50%納米Si02水溶膠邊攪拌邊加入去離子水稀釋至完全溶解，隨后邊攪拌邊依次加入0.1-1%的活性劑、0.2-1%的螯合劑、0.5-2% pH調節劑和0.2-1.5%氧化劑；精拋液:將0.1-0.5%非離子表面活性劑邊攪拌邊加入99.5-99.9%去離子水中。
3.根據權利要求1所述的鍺晶體化學機械拋光的拋光液，其特征是:所述氧化劑為氧化性適中無金屬離子的H2O2。
4.根據權利要求1所述的鍺晶體化學機械拋光的拋光液，其特征是:所述活性劑為FA/O I 型表面活性劑、0n-7 ((C10H2^C6H4-O-CH2CH2O) 7_H)、O11-1O ((C10H2^C6H4-O-CH2CH2O) 10-Η)、0-20 (C12_18H25_37-C6H4-0-CH2CH20) 70-H)、或 JFC 的一種或幾種混合。
5.根據權利要求1所述的鍺晶體化學機械拋光的拋光液，其特征是:所述PH調節劑為有機多羥胺堿，包括羥乙基二胺、三乙醇胺、四羥基乙二胺、四羥乙基已二胺的一種或幾種的混合。
6.根據權利要求1所述的鍺晶體化學機械拋光的拋光液，其特征是:所述PH調節劑的pH 值為 9-13。
7.根據權利要求1所述的鍺晶體化學機械拋光的拋光液，其特征是:所述的螯合劑為為FA/0 II型螯合劑。
8.一種根據權利要求1所述的鍺晶體化學機械拋光的拋光液使用方法，其特征是:由以下步驟組成:選擇兩步拋光法進行化學機械拋光，第一步選用粗拋液，第二步選用精拋液，兩步拋光在同一臺拋光機上完成；第一步取制備好的粗拋液1000-3000g，工藝條件為拋光液流量 100g-300g/min、溫度 20_35°C、拋光壓力 6.895-27.58Kpa，轉速 40_80rpm ；第二步取精拋液300-500g，工藝條件為流量300g-500g/min、溫度20-35 °C、拋光壓力0-13.79Kpa，轉速 60_100rpm。
【文檔編號】C09G1/02GK104449404SQ201410781702
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】牛新環, 檀柏梅, 王如, 孫鳴, 王勝利 申請人:河北工業大學