硅片腐蝕和拋光工藝的化學(xué)原理

在半導(dǎo)體材料硅的表面清潔處理，硅片機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)原理和拋光工藝的化學(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?，F(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：機械拋光和化學(xué)拋光，機械拋光速度慢，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=（NH4）2[SiF6]+4NH4Cl+2Cu    　　銅離子拋光一般在酸性（pH 為5～6）條件下進行，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)立即進行水拋，也可以在取片前進行稀硝酸漂洗，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，對硅表面進行研磨，重鉻酸銨能不斷地對硅表面進行氧化腐蝕，與三氧化二鉻的機械研磨作用相結(jié)合，進行拋光。 　　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： 　?。?）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 　?。?）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)生較強的腐蝕作用，硅片表面出現(xiàn)腐蝕坑。