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硅片腐蝕拋光工藝化學(xué)原理

發(fā)布:探針臺 2019-08-14 09:54 閱讀:2116
 在半導(dǎo)體材料硅的表面清潔處理,硅片機(jī)械加工后表面損傷層的去除、直接鍵合硅片的減薄、硅中缺陷的化學(xué)腐蝕等方面要用到硅的化學(xué)腐蝕過程。下面討論硅片腐蝕工藝的化學(xué)原理拋光工藝的化學(xué)原理。
  一、硅片腐蝕工藝的化學(xué)原理
  硅表面的化學(xué)腐蝕一般采用濕法腐蝕,硅表面腐蝕形成隨機(jī)分布的微小原電池,腐蝕電流較大,一般超過100A/cm2,但是出于對腐蝕液高純度和減少可能金屬離子污染的要求,目前主要使用氫氟酸(HF),硝酸(HNO3)混合的酸性腐蝕液,以及氫氧化鉀(KOH)或氫氧化鈉(NaOH)等堿性腐蝕液。現(xiàn)在主要用的是HNO3-HF 腐蝕液和NaOH 腐蝕液。下面分別介紹這兩種腐蝕液的腐蝕化學(xué)原理和基本規(guī)律。
  1.HNO3-HF 腐蝕液及腐蝕原理
  通常情況下,硅的腐蝕液包括氧化劑(如HNO3)和絡(luò)合劑(如HF)兩部分。其配置為:濃度為70%的HNO3 和濃度為50%的HF 以體積比10~2:1,有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)如下:
  3Si+4HNO3=3SiO2↓+2H2O+4NO↑
  硅被氧化后形成一層致密的二氧化硅薄膜,不溶于水和硝酸,但能溶于氫氟酸,這樣腐蝕過程連續(xù)不斷地進(jìn)行。有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)如下:
  SiO2+6HF=H2[SiF6]+2H2O
  2.NaOH 腐蝕液
  在氫氧化鈉化學(xué)腐蝕時,采用10%~30%的氫氧化鈉水溶液,溫度為 80~90℃,將硅片浸入腐蝕液中,腐蝕的化學(xué)方程式為
  Si+H2O+2 NaOH =Na2SiO3+2H2
  對于太陽電池所用的硅片化學(xué)腐蝕,從成本控制,環(huán)境保護(hù)和操作方便等因素出發(fā),一般用氫氧化鈉腐蝕液腐蝕深度要超過硅片機(jī)械損傷層的厚度,約為20~30um。
  二、 拋光工藝的化學(xué)原理
  拋光分為兩種:機(jī)械拋光和化學(xué)拋光,機(jī)械拋光速度慢,成本高,而且容易產(chǎn)生有晶體缺陷的表面,F(xiàn)在一般采用化學(xué)-機(jī)械拋光工藝,例如銅離子拋光、鉻離子拋光和二氧化硅-氫氧化鈉拋光等。
  1. 銅離子拋光
  銅離子拋光液由氯化銅、氟化銨和水,一般以質(zhì)量比60:26:1000 組成,調(diào)節(jié)PH=5.8 左右,或者以質(zhì)量比80:102.8:1000,其反應(yīng)原理如下:
  Si+2CuCl2+6NH4F=(NH42[SiF6]+4NH4Cl+2Cu    
  銅離子拋光一般在酸性(pH 為5~6)條件下進(jìn)行,當(dāng)pH﹥7 時,反應(yīng)終止,這是因為pH=7 時銅離子與氨分子生成了穩(wěn)定的絡(luò)合物-銅氨絡(luò)離子,這時銅離子大大減少,拋光作用停止了。拋光反應(yīng)速度很快,為防止發(fā)生腐蝕,取片時不能在表面殘留拋光液,應(yīng)立即進(jìn)行水拋,也可以在取片前進(jìn)行稀硝酸漂洗,可以再洗一次,防止銅離子污染。
  2.鉻離子拋光鉻離子拋光液由三氧化二鉻、重鉻酸銨和水一般以質(zhì)量比1:3:100 組成,其反應(yīng)原理如下:
  3Si+2Cr2O72-+28H+=3Si4++4Cr3++14H2O    
  三氧化二鉻不溶于水,對硅表面進(jìn)行研磨,重鉻酸銨能不斷地對硅表面進(jìn)行氧化腐蝕,與三氧化二鉻的機(jī)械研磨作用相結(jié)合,進(jìn)行拋光。
  3.二氧化硅-氫氧化鈉拋光法二氧化硅-氫氧化鈉拋光配置方法有三種:
 。1)將三氯氫硅或四氯化硅液體用氮氣攜帶通入到氫氧化鈉溶液中,產(chǎn)生的沉淀在母液中靜置,然后把上面的懸浮液輕輕倒出,并調(diào)節(jié)pH 值為9.5~11。其反應(yīng)如下:
  SiCl4+4NaOH=SiO2↓+4NaCl+2H2O  
  SiHCl3+3NaOH=SiO2↓+3NaCl+H2O +H2↑  
  (2)也可以利用制備多晶硅的尾氣或硅外延生長時的廢氣生產(chǎn)二氧化硅微粒。反應(yīng)如下:
  SiCl4+4H2O=H2SiO3↓+4HCl
  H2SiO3=SiO2+H2O
  (3)用工業(yè)二氧化硅粉和水以質(zhì)量比為150:1000 配置,并用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH 值為9.5~11。拋光液的pH 值為9.5~11 范圍內(nèi),pH 值過低,拋光很慢,PH 值過高產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕作用,硅片表面出現(xiàn)腐蝕坑。
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