CN107877352A - 半导体晶片光电化学机械抛光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了半导体晶片光电化学机械抛光装置，包括抛光头，用于与晶片表面相接触并进行加压；抛光液池，用于固定晶片并盛装化学抛光液；第一驱动传动部，连接抛光液池，用于带动抛光液池定轴回转；第二驱动传动部，连接抛光头，用于带动抛光头定轴回转；抛光头位于抛光液池的上方；紫外光源，位于抛光液池的上方，向下辐射晶片；支撑部，用于支撑和固定所述抛光头、抛光液池。本发明采用了紫外光在线辐照晶片表面方式，在抛光过程中始终照射晶片表面，可以高效地氧化改性晶片，再通过抛光垫和磨粒机械性地去除氧化改性层，进而提高整个抛光过程中的去除速率。
Description
技术领域
本发明涉及抛光装置，尤其是半导体晶片光电化学机械抛光装置。
背景技术
第三代半导体材料如氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)，具有优异的电学和热学性能，包括宽禁带、高击穿电场、高饱和漂移速度、高热导率，这些特性可以使得GaN、SiC器件工作在高温、高功率的特殊条件。当GaN、SiC材料作为器件使用时，要求材料具有高的表面完整性(如低的表面粗糙度，无划痕、微裂纹、位错与残余应力等表面/亚表面损伤)，因此在GaN、SiC材料制备过程中，需要经历表面研磨和抛光过程，在晶片的研磨过程中会产生材料的表面/亚表面损伤，需要对晶片进行化学机械抛光加工来去除晶片的表面/亚表面损伤和获得超平滑的表面。GaN、SiC晶体材料键能大，常温下几乎不与任何酸碱试剂发生化学反应，属于典型的硬脆难加工材料，在化学机械抛光加工过程中两种材料都存在加工去除率低，进而导致加工时间长，成本高的一系列问题。文献报道(HAida.etc.Current AppliedPhysics,2012,12(9):S41-S46)中假定GaN的化学机械抛光去除率约为50nm/h，磨削后晶片约有1.5μm的亚表面损伤深度，若要完全去除，需要的化学机械抛光时间为30h。
GaN晶片的化学机械抛光过程中，认为晶片的氧化效率是晶片化学机械抛光去除率的决速步，因此可通过提高晶片在抛光过程中的氧化效率来提高抛光过程中的去除速率。GaN、SiC晶体作为半导体材料，可以采用紫外光直接辐照到晶片表面的方式促进晶体内电子空穴的分离，利用分离的空穴可以有效提高晶片表面氧化效率。
现有的化学机械抛光装置一般采用晶片在上，抛光垫在下，抛光时晶片通过加载压力压在抛光垫上，再绕各自回转轴旋转产生晶片与抛光垫相对运动方式对晶片进行化学机械抛光，此种抛光方式无法将紫外光有效辐照到晶片表面，来提高抛光过程中的氧化效率。文献报告(S Sadakuni.etc.Materials Science Forum,2010,645-648:795-798)采用晶片压在透光石英板上对GaN晶片进行抛光，获得了约为60nm/h去除率，此种抛光方式在光强增大时，去除率被氧化物溶解速度限制，无法进一步获得更大去除率。
发明内容
本发明针对以上背景技术问题的提出而研究设计出半导体晶片光电化学机械抛光装置。本发明所述的光电化学机械抛光，是指在现有的化学机械抛光基础之上，引入紫外线直接辐照被抛光半导体工件，半导体工件在紫外线的辅助下产生光电化学改性后被机械抛光去除的一种加工方式。
本发明技术方案为，半导体晶片光电化学机械抛光装置，包括抛光头，用于与晶片表面相接触并进行加压；抛光液池，用于固定晶片并盛装化学抛光液；第一驱动传动部，连接抛光液池，用于带动抛光液池定轴回转；第一驱动传动部件可带动抛光液池和晶片定轴回转；第二驱动传动部，连接抛光头，用于带动抛光头定轴回转；抛光头位于抛光液池的上方；紫外光源，位于抛光液池的上方，向下辐射晶片；支撑部，用于支撑和固定所述抛光头、抛光液池。
作为优选的技术方案，所述抛光头为表面粘贴有抛光垫的抛光轴。
进一步地，抛光垫粘接在抛光轴的端面上，抛光轴依次通过单膜片联轴器，台阶轴，联轴器与驱动电机相连接，驱动电机可以驱动抛光轴绕定轴回转。
作为优选的技术方案，所述装置还包括晶片固定板，所述晶片通过石蜡粘接在晶片固定板上，所述晶片固定板固定在抛光液池内部。使晶片可以随抛光液池一起运动。
进一步地，晶片固定板通过螺钉被固定在抛光液池内部。
进一步地，抛光液池固定在台阶轴I上，再通过联轴器与驱动电机相连接，驱动电机可以驱动抛光液池绕回转轴旋转，进而驱动固定在抛光液池内的晶片绕定轴回转。
进一步地，抛光垫与晶片各自回转时二者可产生相对速度。
作为优选的技术方案，所述晶片固定板上加工有一个与晶片直径接近的浅槽，将晶片放置其中，对晶片起定位作用。
作为优选的技术方案，所述装置还包括线性模组I，线性模组I包括底板I、滑动面板I和导轨I，导轨I固定在底板I上，滑动面板I在竖直方向上沿导轨I做直线滑动；所述抛光头和第二驱动传动部安装在滑动面板I上。整个部分可在线性模组导轨上直线滑动为抛光过程中提供抛光压力。
进一步地，滑动面板I与底板I之间设有弹簧，可通过调节弹簧并标定不同位置的压力来定量调整抛光过程中的加工压力，当整个部分的自重都不满足抛光压力时，可额外增加配重实现较大抛光压力的加载。
作为优选的技术方案，所述装置还包括线性模组II，线性模组II包括底板II、电机固定座II、联轴器II、滑动面板II、导轨II、丝杆II和步进电机II；底板II固定于所述支撑部；导轨II固定在底板II上，滑动面板II在水平方向上沿导轨II做直线滑动；电机固定座II固定于底板II；步进电机II固定于电机固定座II；步进电机II通过联轴器II带动丝杆II转动进而驱动滑动面板II往复运动；所述底板I固定在滑动面板II上。
作为优选的技术方案，所述抛光垫的直径小于晶片的直径。抛光垫未完全覆盖晶片表面，紫外光可以在抛光过程中，在线辐照到未被抛光垫遮挡到的晶片表面上，在加工过程中始终保持对晶片未被遮挡部分的辐照。
作为优选的技术方案，所述抛光垫为聚氨酯、无纺布、绒布抛光垫中的一种。进一步地，聚氨酯类型的抛光垫自身有磨粒。
作为优选的技术方案，所述抛光垫含有氧化铈或/和氧化硅磨粒。
作为优选的技术方案，所述紫外光源为低压汞灯、高压汞灯，LED汞灯，氘灯，氙灯中的一种或几种。
抛光加工时，粘贴有抛光垫的抛光轴由驱动电机驱动回转并由线性模组II的步进电机II驱动往复平移使之与晶片产生相对运动，抛光压力可通过安装在线性模组I滑动面板I上的部件加载，通过更换底板I与滑动面板I之间不同劲度系数的弹簧调节，抛光过程中所需的溶液直接盛放在抛光液池中；紫外光源可在整个抛光过程中在线辐照到晶片上。
与现有技术相比：本发明具有以下优点：
1、抛光去除效率高
本发明采用了紫外光在线辐照晶片表面方式，在抛光过程中始终照射晶片表面，可以高效地氧化改性晶片，再通过抛光垫和磨粒机械性地去除氧化改性层，进而提高整个抛光过程中的去除速率。
2、装置操作简单
抛光压力、晶片转速、抛光垫转速、溶液种类和浓度，紫外光源强度等工艺参数均可以根据实际的工件类型调节。
附图说明
图1是本发明半导体晶片光电化学机械抛光装置的左视图；
图2是本发明半导体晶片光电化学机械抛光装置中用于压力调节的弹簧局部示意图；
图3是本发明半导体晶片光电化学机械抛光装置的正视图；
图4是本发明半导体晶片光电化学机械抛光装置的右视图；
图5是本发明半导体晶片光电化学机械抛光装置的抛光轴、晶片、晶片固定板，抛光液池的俯视图；
图6是本发明半导体晶片光电化学机械抛光装置的抛光轴、晶片、晶片固定板，抛光液池的剖视图；
图7是本发明半导体晶片光电化学机械抛光装置的轴视图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参见图1，底板2通过4个调平螺钉1支撑，直角固定板21固定到底板2上，连接板22固定于直角固定板21的竖直面上，电机支架4a和悬臂支架6a从下至上分别固定在连接板22的竖直面上，电机3a安装在电机支架4a的下方，角接触球轴承支撑座7a安装在悬臂支架6a的上方，台阶轴I 8安装在角接触球轴承支撑座7a的上方，并支撑固定抛光液池9。台阶轴I8承载抛光过程中的抛光压力，台阶轴I 8连接联轴器5a再与电机3a旋转轴连接，传动转矩到抛光液池9。
参见图1，图2，图3，图4两个支持棒20固定在底板2上，棒料夹持器19通过旋紧螺钉夹紧固定在支持棒20上，立支板18安装并固定在棒料夹持器19的竖直面上。线性模组II包括底板II35、滑动面板II28，导轨II，丝杆II23和步进电机II26，底板II35安装并固定在立支板18上。线性模组I包括底板I15、滑动面板I16，导轨I17，底板I15安装并固定在滑动面板II28上。滑动面板I16上安装有螺钉29，底板I15上安装有一螺钉30，螺钉29与螺钉30之间安装一个弹簧14，可以通过更换弹簧14即可调节抛光时的压力，需额外加载压力时，在电机3b上放置一定质量的配重即可实现。线性模组滑动面板16可以在导轨17上滑动。电机支架4b和悬臂支架6b从上至下分别安装并固定在滑动面板I16竖直面上。电机3b安装在电机支架4b的上方，角接触球轴承支撑座7b安装在悬臂支架6b的下方，联轴器5b与电机3b旋转轴连接，台阶轴II 13安装在联轴器5b的一端，台阶轴II13连接在单膜片联轴器12上。抛光轴10安装在单膜片联轴器12上，单膜片联轴器可以在所加载抛光压力不大时，自适应调整抛光头姿态，使抛光头底部端面粘贴的抛光垫始终与晶片保持自适应接触，避免抛光头刚性地与轴连接，导致抛光时晶片与抛光垫接触不均匀。
抛光轴10的驱动及传动部分与抛光液池9的驱动传动部分结构一致。
参见图3，图4，电机固定座II24安装在底板II35上，步进电机II26安装在电机固定座II24上，步进电机II26通过联轴器25带动丝杠II23转动进而驱动滑动面板II28运动。步进电机II26可以通过上位机的控制周期性正反向旋转进而驱动滑动面板II28往复运动。挡板II27安装在底板II35上，当滑动面板II28移动过量时，挡板II27可以阻止滑动面板II28从导轨上脱落。
参见图1，图5，图6，晶片32通过加热的石蜡粘接在晶片固定板31上，固定螺钉34将晶片固定板31固定在抛光液池9上，电机3a通过联轴器5a，台阶轴I 8，驱动抛光液池9和晶片32绕轴向回转，粘贴有抛光垫33的抛光轴10由电机3b驱动绕轴向回转，抛光压力通过抛光轴10的驱动及连接部分(滑动面板I16，电机3b，电机支架4b，联轴器5b，台阶轴II13,悬臂支架6b，角接触球轴承支撑座7b，单膜片联轴器12)的自重进行加载。抛光液池9，抛光轴10都可绕自身轴向回转产生相对运动，抛光加工过程中，紫外光源可始终辐照到晶片32未被抛光垫遮住的表面，激发晶片32产生电子空穴对，进而将晶片表面氧化，再被抛光垫33的机械作用去除。紫外光源11在线将紫外光辐照晶片32进行紫外辅助化学机械抛光加工。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.半导体晶片光电化学机械抛光装置，包括
抛光头，用于与晶片表面相接触并进行加压；
抛光液池，用于固定晶片并盛装抛光液；
第一驱动传动部，连接抛光液池，用于带动抛光液池定轴回转；
第二驱动传动部，连接抛光头，用于带动抛光头定轴回转；
抛光头位于抛光液池的上方；
紫外光源，位于抛光液池的上方，向下辐射晶片；
和支撑部，用于支撑和固定所述抛光头、抛光液池。
2.根据权利要求1所述的半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述抛光头为表面粘贴有抛光垫的抛光轴。
3.根据权利要求1所述的半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述装置还包括晶片固定板，所述晶片通过石蜡粘接在晶片固定板上，所述晶片固定板固定在抛光液池内部。
4.根据权利要求1所述的半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述晶片固定板上加工有一个与晶片直径接近的浅槽，晶片放置在浅槽中。
5.根据权利要求1所述的半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述装置还包括线性模组I，线性模组I包括底板I、滑动面板I和导轨I，导轨I固定在底板I上，滑动面板I在竖直方向上沿导轨I做直线滑动；所述抛光头和第二驱动传动部安装在滑动面板I上。
6.根据权利要求1所述的半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述装置还包括线性模组II，线性模组II包括底板II、电机固定座II、联轴器II、滑动面板II、导轨II、丝杆II和步进电机II；底板II固定于所述支撑部；导轨II固定在底板II上，滑动面板II在水平方向上沿导轨II做直线滑动；电机固定座II固定于底板II；步进电机II固定于电机固定座II；步进电机II通过联轴器II带动丝杆II转动进而驱动滑动面板II往复运动；所述底板I固定在滑动面板II上。
7.根据权利要求2所述的半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述抛光垫的直径小于晶片的直径。
8.根据权利要求2所述的半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于：所述抛光垫为聚氨酯、无纺布、绒布抛光垫中的一种。
9.根据权利要求2所述的半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于：所述抛光垫含有氧化铈或/和氧化硅磨粒。
10.根据权利要求1所述的半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于：所述紫外光源为低压汞灯、高压汞灯，LED汞灯，氘灯，氙灯中的一种或几种。
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