半導體材料加工過程的化學方法應用

王新華

（池州學院，安徽 池州 247100）

半導體材料是光學電子元件，現今很多集成電路及電子產品中都含有半導體材料，而半導體材料的加工過程極其復雜，其加工的步驟均需要各種化學方法的參與，化學半導體在加工后期需要進行磨片、化學緩蝕、機械拋光及清洗等多個化學加工步驟，隨著人們對用電量需求的日益壯大，電路系統逐漸形成了大規模的集成系統，這也意味著半導體的加工工藝面臨著嚴峻的挑戰，只有古板刀體的加工工藝更加精湛，才能提高半導體的質量水平，滿足人們的用電需求。本文簡要介紹了半導體材料的加工工藝，分析出了滲透在這些加工工藝中的化學方法。

1 化學緩蝕

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

緩蝕劑是一種特殊存在的物質，緩蝕劑是一種的復合物質，主要作用是為半導體材料鍍上一層防腐劑，以保證半導體材料在空氣中不受酸堿物質的腐蝕，以延長半導體材料的使用壽命，這種物質可以長期以正常濃度及形式曝露在日常環境中，并不會由于外界環境的影響導致性質發生改變，這也在一定程度上保證了緩蝕劑的緩蝕效果，其中，驗證緩蝕劑緩蝕效果的化學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，一種為有機緩蝕劑，另一種為無機緩蝕劑。有機緩蝕劑的內容物為各種化學溶液，將半導體材料放在化學溶液中，借助化學反應在半導體表面形成保護膜，發生反應的溶液就被稱作是有機緩蝕劑；無機緩蝕劑采用一定的化學反應方法為半導體表面鍍金或是鍍鋁，附著在半導體表面的金屬物質不容易被腐蝕，然無機緩蝕劑雖緩蝕效果好，但是應用成本高昂，因此，現今使用的緩蝕劑還是以有機緩蝕劑為主。

半導體材料應用的有機緩蝕劑的內容物一般為異丙醇，此種物質物的化學組成為雙親結構，化學分子一端為親水基，另一端為親油劑，正是由于其具有如此特質，因此，這種有機緩蝕劑便有極強的吸附能力，能很好的附著在半導體表面。異丙醇吸附于半導體表面的過程具有極強的畫面感，一般過程為：將異丙醇方在腐蝕介質之中，異丙醇結構中的羥基吸水吸附于半導體材料的表面，主要原因是羥基是異丙醇結構中的活性基團，而其另一端的非極性基團疏水性強，其疏水基會遠離半導體材料，在其表面形成疏水保護膜，以防止腐蝕介質向半導體表面靠攏，這一保護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性極強的氧原子會與半導體材料中的空軌道反應形成配位鍵，這種配位鍵形成的過程也叫作電子化學吸附法，其與緩蝕劑有相互協同的作用，其能增加緩蝕劑在半導體表面的附著率，從而提高緩蝕劑的緩蝕效果。

2 化學機械拋光

對半導體材料進行化學機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，此技術的具體操作方式就是將半導體材料放在拋光器械中，使得半導體材料經過摩擦后表面變得更為平整，進而將其放在化學溶液中，將表層的氧化性雜質還原得更為純粹，將此兩種方法結合起來，最終便能讓半導體材料擁有一個較為平整的表面。現階段使用的化學機械拋光法為二氧化硅膠體拋光法，這是一種漸進性的拋光工藝，其摒棄了銅離子與鉻離子拋光法中的弊端，銅離子拋光法會使得導體表面受到污染，而鉻離子的尺度限制性較強，然二氧化硅拋光法則有效避免了前兩者的工藝缺陷，將強堿與硅放在一起發生反應，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吸附法與拋光墊與片子相互作用的機械拋光法結合起來，二者協同去除半導體表面的雜質，最后再利用二氧化硅的吸附作用清洗半導體材料，以完成整個化學機械拋光的過程[1]。

2.1 化學機理

進行二氧化硅拋光反應的第一步就是化學腐蝕，將半導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體片相互接觸，二者想接觸之后，連接點就會瞬間加壓高溫，在這種溫度下進行拋光的半導體材料，其表面附著物將會被溶解得干干凈凈。

據研究表明，二者摩擦所產生的化學反應能要遠遠低于熱化學反應產生的能量，這兩種方式產生的熱能相差15%左右，由此可得，半導體材料極易在化學機械拋光法的環境中被腐蝕，以半導體材料硅片為例，其在化學機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生聚合反應，進而生成多硅酸，這些多硅酸又發生膠化反應生成兩種性質不同的硅酸膠團，這兩種膠團的電荷存在較大的差異，主要原因是由于生成的膠化團中氫離子的半徑要比堿基R的半徑小得多，因此，膠核對氫離子的吸引力就極強，從而可以明顯看出包含氫離子的膠團要比含堿基R的膠團小的多，且二者電荷也具有極大的差別[2]。

2.2 電化學研究

所謂的CMP—化學機械拋光其實是一種電化學反應，主要的反應過程是將半導體材料放入硅膠體團中，讓半導體的導體片與拋光溶液中的大顆粒粒子摩擦磨損，最終將導體表面附著的雜質電子清除。半導體材料會在拋光液的各個區域內發生的反應不同，原因是由于半導體片表面有破損，因此，導體表面的例子分布不均，在與拋光液的離子反應時，就會出現電位差，導體表層則形成了多處微電池，這些電池反應會損傷導體表層，降低導體材料的使用壽命。

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

3 清洗

半導體材料的清洗過程是半導體加工工藝的最后一個步驟，是將半導體材料上的有機及無機雜質溶解下來的過程，有機雜質的溶解方法簡單，即是用甲苯、酒精等高清潔性物質洗滌干凈，在洗滌過后再將半導體方在兆聲聲波下進行物理清洗，最終即可得到干凈的半導體材料。而清洗半導體表面無機雜質的方式也較簡單，無機雜質的內容物為金屬離子，在清洗半導體材料時，相關技術人員可以與利用堿化反應或是絡合反應將有機雜質去除。

4 結語

綜上所述，半導體材料在加工過程中應用的化學方法很多，通過這種化加工法加工出來的半導體材料性能更加穩定，將其應用到大規模集成電路中將會產生更優質的效果，因此，半導體加工企業要創新出科學性更強的化學加工工藝，以促進半導體加工行業長久的發展。