CN215240149U - 一种半导体材料的化学机械磨抛装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体材料的化学机械磨抛装置。该装置可适用于三种中心供液式磨抛加工方法，包括有：固结磨料中心供液中心供液化学机械磨抛方法、小磨头中心供液化学机械抛光方法和盘式流体动压化学机械抛光方法。所述半导体材料的化学机械抛光装置包含有抛光工具、调整环、调整螺栓和真空吸盘，通过调节调整螺栓使调整环的上表面与晶片的上表面平齐，可以有效避免晶片边缘抛光时由受力不均匀而导致的晶片断裂。抛光工具配备有多个可更换磨抛垫包括固结磨料磨光垫、多孔材料抛光垫和流体动压抛光盘，且抛光工具的中心开有中心通孔以实现化学抛光液供给。本实用新型实现半导体材料精密定位以及磨抛，适用于晶片减薄、磨抛、超精密抛光的全系列加工。

Description

一种半导体材料的化学机械磨抛装置

技术领域

本实用新型涉及一种半导体材料的磨抛装置，特别是涉及一种半导体材料减薄、抛光以获得纳米级超光滑表面的系列化加工装置。

背景技术

半导体材料依靠其优异的材料性能成为了高端芯片中不可或缺的一部分。其平坦度、粗糙度、金属以及颗粒等方面对半导体器件有着显著影响。随着芯片技术在生活、工业、医疗、国防科技等领域的飞速发展，半导体材料的高效、高精度制造工艺就成为了亟待突破的核心技术难题。

目前，半导体抛光设备主要以传统化学机械抛光装置为主，即晶片被吸附于承载头下部且直接抵接于旋转的抛光垫上。在传统装置中，晶片需要进行自转运动。然而，一般来说晶片均为厚度极薄的圆盘状，因此这种自转运动有可能是导致晶片溃败和断裂的重要原因。除此之外，晶片对于精度要求非常严格，所以开发一种防止晶片断裂的全系列晶片磨抛减薄装置对于半导体加工领域有着重要意义。

从原理角度，传统化学机械抛光方法通常将化学抛光液直接喷洒在抛光盘上，使其在离心力的作用下流向被加工区。相比中心供液化学机械抛光方法，化学抛光液通过工具中心孔直接进入工具工件接触区，特别有利于抛光液的高效利用。此外，通过外部控制抛光液压力或者使用不同形状的抛光盘可以更好的控制工件和工具间液膜压力，以提高加工精度和效率。

实用新型内容

针对上述现有技术，本实用新型提出一种半导体材料的化学机械磨抛装置，可以在晶片磨抛减薄过程中防止晶片断裂。抛光过程中，化学抛光液通过抛光工具的中心通孔直接进入工具与工件的接触区，有利于抛光液的高效利用。此外，通过外部控制抛光液压力或者使用不同形状的抛光盘可以更好的控制工件和工具间液膜压力，以提高加工精度和效率。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种半导体材料的化学机械磨抛装置，包括晶片固定装置和抛光工具，所述晶片固定装置包括真空吸盘和调整环；所述真空吸盘包括圆盘支撑座和真空柱阵列，所述真空柱阵列嵌装在所述圆盘支撑座内，所述圆盘支撑座的侧壁顶部沿周向均布有三个轴向螺纹孔，所述圆盘支撑座的侧壁上设有排气孔，所述真空柱阵列中的每个真空柱均连接到所述排气孔；所述调整环沿周向均布有三个径向螺纹孔，所述调整环的底面沿周向均布有三个分别与所述三个径向螺纹孔贯通的盲孔，所述圆盘支撑座的每个轴向螺纹孔内均装配有一个调整螺栓，所述调整螺栓的上部为光轴；所述调整环放置于所述圆盘支撑座侧壁的顶面，并且三个调整螺栓的光轴部分分别嵌在所述调整环底面的三个盲孔内，三个调整螺栓用于支撑所述的调整环，所述调整环的内径与晶片的外径间隙配合，吸附于所述真空吸盘的空柱阵列上的晶片位于所述调整环内，通过调节调整螺栓使所述调整环的上表面与晶片的上表面平齐，每个径向螺纹孔均旋入有一个锁紧螺栓顶住对应位置的调整螺栓的上部光轴，从而实现所述调整环的高度定位；所述抛光工具包括工具中心轴、磨抛盘基体和可更换的多个磨抛垫，加工时，选择其中一个磨抛垫，所述的工具中心轴、磨抛盘基体和该磨抛垫同轴安装，并设有贯穿于所述工具中心轴、磨抛盘基体和该磨抛垫的中心通孔。

进一步讲，本实用新型所述的半导体材料的化学机械磨抛装置，其中：

所述真空柱阵列的真空柱的排列按照多个同心的环形排列。

多个可更换磨抛垫包括固结磨料磨抛垫、多孔材料抛光垫和流体动压抛光盘。

所述的固结磨料磨抛垫包括磨抛垫基体，所述磨抛垫基体的工作面上设有阵列微凸起，阵列微凸起的表面均有多个微小磨粒。

所述的多孔材料抛光垫的工作表面设有与所述中心通孔贯通的网格状微沟槽。

所述的流体动压抛光盘的工作表面设有与所述中心通孔贯通的放射状微沟槽。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的化学机械磨抛装置可实现调整环与晶片的位置，使得晶片边缘抛光时调整环可以起到支撑工具的作用，可以有效避免晶片边缘抛光时由受力不均匀而导致的晶片断裂。

本实用新型的化学机械磨抛装置配置有可更换的固结磨料磨光垫、多孔材料抛光垫和流体动压抛光盘，可以实现以下不同的抛光方法：

(1)固结磨料中心供液化学机械磨抛，主要依赖于磨抛垫上的固结磨料去除晶片材料，因此去除量较大，特别适用于半导体材料减薄工艺。

(2)小磨头中心供液化学机械抛光，化学溶液腐蚀和软化工件表面，然后通过小磨头工具保持抛光液中的游离磨料实现材料去除，其去除量和抛光质量适中，特别适用于半导体材料的较高精度加工。

(3)盘式流体动压化学机械抛光，同样通过抛光液中的化学溶液腐蚀软化工件表面，以及抛光液中磨料冲击、切削工件表面以去除材料。在抛光过程中，流体动压抛光盘的盘面与工件表面不接触，隔有微液膜，特别适用于半导体材料的超精密抛光。

附图说明

图1是本实用新型半导体材料的化学机械磨抛装置的装配图；

图2是图1所示磨抛装置的结构分解的示意图；

图3是图1所示磨抛装置的抛光过程示意图；

图4是图1所示磨抛装置的抛光过程中的边缘效应示意图；

图5是图1所示磨抛装置中的真空吸盘的结构示意图；

图6是图1所示磨抛装置中的调整环的仰视图；

图7是采用固结磨料中心供液化学机械磨抛过程示意图；

图8是图7中所示固结磨料抛光垫的结构示意图；

图9是实现小磨头中心供液化学机械抛光方法示意图；

图10是小磨头中心供液抛光垫的结构示意图；

图11是流体动压抛光盘的结构示意图。

图中：

1-抛光工具 11-工具中心轴 12-磨抛盘基体

13-固结磨料磨抛垫 131-磨抛垫基体 132阵列微凸起

133-微小磨粒 14-多孔材料抛光垫 141-网格状微沟槽

15-流体动压抛光盘 151-放射状微沟槽 2-晶片

3-调整环 31-盲孔 4-锁紧螺栓

41-径向螺纹孔 5-调整螺栓 6-真空吸盘

61-轴向螺纹孔 62-真空柱阵列 63-排气孔

64-圆盘支撑座 8-去离子水 9-抛光液

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。

本实用新型的化学机械磨抛装置可实现固结磨料中心供液化学机械磨抛、小磨头中心供液化学机械抛光和盘式流体动压化学机械抛光。该装置旨在实现半导体材料精密定位以及磨抛，是适用于晶片减薄、磨抛、超精密抛光的全系列加工装置。

如图1和图2所示，本实用新型提出的一种半导体材料的化学机械磨抛装置，包括晶片固定装置个抛光工具1，所述晶片固定装置包括真空吸盘6和调整环3。如图2所示，所述真空吸盘6包括圆盘支撑座64和真空柱阵列62，所述真空柱阵列62嵌装在所述圆盘支撑座64内，所述真空柱阵列62的真空柱的排列按照多个同心的环形排列。所述圆盘支撑座64的侧壁顶部沿周向均布有三个轴向螺纹孔61，所述圆盘支撑座64的侧壁上设有排气孔63，所述真空柱阵列62中的每个真空柱均连接到所述排气孔63。

所述调整环3沿周向均布有三个径向螺纹孔41，所述调整环3的底面沿周向均布有三个分别与所述三个径向螺纹孔41贯通的盲孔31，如图6所示，所述圆盘支撑座64的每个轴向螺纹孔61内均装配有一个调整螺栓5，本实用新型中的所述调整螺栓5的结构如图2中所示，所述调整螺栓5的下部为螺纹段，上部为光轴段，螺纹段与光轴段之间设有轴肩，螺纹段与径向螺纹孔配合，光轴段与盲孔31间隙配合，所述调整环3放置于所述圆盘支撑座侧壁的顶面，并且三个调整螺栓5的光轴部分分别嵌在所述调整环3底面的三个盲孔31内，三个调整螺栓5的轴肩抵住调整环3的底面，用于支撑所述的调整环3，所述调整环3的内径与晶片2的外径间隙配合，吸附于所述真空吸盘6的空柱阵列62上的晶片2位于所述调整环3内，通过调节调整螺栓3使所述调整环3的上表面与晶片2的上表面平齐，每个径向螺纹孔41均旋入有一个锁紧螺栓4，锁紧螺栓4顶住对应位置的调整螺栓5的上部光轴，从而实现所述调整环3的高度定位。所述抛光工具1包括工具中心轴11、磨抛盘基体12和可更换的多个磨抛垫，加工时，选择其中一个磨抛垫，所述的工具中心轴11、磨抛盘基体12和该磨抛垫同轴安装，并设有贯穿于所述工具中心轴11、磨抛盘基体12和该磨抛垫的中心通孔。

实施例1：

如图3所示，在抛光过程中，晶片2被真空吸盘6固定不动，抛光工具1自转同时沿着固定轨迹与晶片2相对运动。如图4所示，通常，当抛光工具1超出晶片2边缘时可能会尤其晶片和抛光工具1受力不均衡，而导致晶片2断裂。为了避免这种情况的发生，本实用新型中的调整环4在晶片2固定时始终保持调整环2的上表面尽量与晶片2的上表面齐平。如图5所示，在真空吸盘6的侧壁上开设有三个呈120°轴对称的螺纹孔61用于安装调整螺栓5，布置在真空吸盘6的圆盘支撑座64内、中心为环形排列的真空柱62均连接到排气孔63上。将晶片2置于真空吸盘6上时，通过排气孔63向外抽气，使得晶片2吸附与真空吸盘6上。此后，通过调整螺栓5在真空吸盘6中的旋入长度，同时调整螺栓5的上部光轴嵌在调整环3底面的盲孔31内，调整螺栓5的轴肩调整环3的底面，从而可以实现调整环3的位置调整，通过调节调整螺栓5使得调整环3的上表面与晶片2的上表面齐平后，通过锁紧螺栓4锁紧住调整螺栓5，图3中示出了抛光工具1恰好位于晶片2与调整环3之间的接缝处，使得晶片2边缘抛光时调整环3可以起到支撑抛光工具1的作用，从而避免出现如图4所示的边缘效应。从而可以有效避免晶片边缘抛光时由受力不均匀而导致的晶片断裂。

为了实现多种不同的抛光方法，本实用新型中的多个可更换磨抛垫包括固结磨料磨光垫13、多孔材料抛光垫14和流体动压抛光盘15，如图8所示，所述的固结磨料磨抛垫13包括磨抛垫基体131，所述磨抛垫基体131的工作面上设有阵列微凸起132，本实施例中的阵列微凸起132的形状为圆形凸起，每个圆形凸起的表面均有多个微小磨粒133。如图10所示，所述的多孔材料抛光垫14的工作表面设有与所述中心通孔贯通的网格状微沟槽141。如图11所示，所述的流体动压抛光盘15的工作表面设有与所述中心通孔贯通的放射状微沟槽151。

实施例2：根据工具选择的不同，本实用新型的磨抛装置可实现用于不同抛光方法。

(1)固结磨料中心供液化学机械磨抛，对于固结磨料中心供液化学机械磨抛方法主要依赖于磨抛垫上的固结磨料去除晶片材料，因此去除量较大，特别适用于半导体材料减薄工艺。其加工过程如图7所示，加工过程中向工具中心轴11的中心通孔通入一定压力的去离子水8或是去离子水和化学试剂混合的抛光液。一方面通过化学试剂腐蚀工件表面，提高材料去除效率，另一方面使得抛光工具1在去离子水8的作用下产生浮力，实现抛光工具1与晶片2间位置的细微调整，改变抛光工具1表面磨料刺入工件的深度，实现工件去除效率、亚表面损伤抑制之间的权衡。所述的固结磨料磨抛垫13如图8所示，该实用新型中以具有多个圆形凸起的磨抛垫为例，每个圆形凸起上均分布着多个微小磨粒133。

(2)小磨头中心供液化学机械抛光，该抛光方法通过抛光液中的化学溶液腐蚀和软化工件表面，然后通过小磨头工具保持抛光液中的游离磨料实现材料去除，这种化学机械抛光方法去除量和抛光质量适中，特别适用于半导体材料的较高精度加工。其加工过程如图9所示，其与固结磨料中心供液化学机械磨抛的不同之处在于磨抛垫和抛光液之间的差异。实现该抛光方法，采用的是聚氨酯等抛光垫，抛光液8为去离子水、化学试剂和微磨粒等所配比的抛光液。抛光液8中化学试剂的作用在于实现工件表面腐蚀和软化，微小磨粒的作用在于实现工件表面的机械去除。加工时，抛光液磨料通过抛光工具的中心通孔流入抛光工具1和晶片工件的接触区，抛光工具提供以磨料一定作用力以去除化学试剂所软化或腐蚀的半导体材料。为了提高工具保持磨粒的性能，一般采用聚氨酯等多孔材料抛光垫14，如图10所示，该多孔材料抛光垫14的工作表面设有与中心通孔贯通的网格状微沟槽141。

(3)盘式流体动压化学机械抛光，该抛光方法同样通过抛光液中的化学溶液腐蚀软化工件表面，以及抛光液中磨料冲击、切削工件表面以去除材料。该方法与小磨头中心供液化学机械抛光区别在于抛光垫的不同。如图11所示，该方法中采用的抛光垫为流体动压抛光盘15，并且在流体动压抛光盘15的工作表面开设有与中心通孔贯通的放射状微沟槽151以实现抛光液的压力速度控制。在抛光过程中，流体动压抛光盘15按照一定速度旋转，抛光液9沿工具的中心通孔注入形成流体动压力，使得盘面与工件表面不接触，隔有微液膜。抛光液9中的化学试剂和磨料在流体动压抛光盘15所形成的液体场中腐蚀冲击材料表面。该方法抛光后易于获得纳米级光滑表面，因此特别适用于半导体材料的超精密抛光。

综上所述，该实用新型提供了一种半导体材料的化学机械磨抛装置。适用于固结磨料中心供液化学机械磨抛、小磨头中心供液化学机械抛光和盘式流体动压化学机械抛光三种抛光方法。这三种方法材料去除率依次递减，但抛光精度依次递增，特别适用于晶片减薄、磨抛各个加工阶段。因此该装置是一种纳米级超光滑晶片制造的全系列加工装置。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (6)

1.一种半导体材料的化学机械磨抛装置，包括晶片固定装置和抛光工具(1)，其特征在于，所述晶片固定装置包括真空吸盘(6)和调整环(3)；

所述真空吸盘(6)包括圆盘支撑座(64)和真空柱阵列(62)，所述真空柱阵列(62)嵌装在所述圆盘支撑座(64)内，所述圆盘支撑座(64)的侧壁顶部沿周向均布有三个轴向螺纹孔(61)，所述圆盘支撑座(64)的侧壁上设有排气孔(63)，所述真空柱阵列(62)中的每个真空柱均连接到所述排气孔(63)；

所述调整环(3)沿周向均布有三个径向螺纹孔(41)，所述调整环(3)的底面沿周向均布有三个分别与所述三个径向螺纹孔(41)贯通的盲孔(31)，所述圆盘支撑座(64)的每个轴向螺纹孔(61)内均装配有一个调整螺栓(5)，所述调整螺栓(5)的上部为光轴；

所述调整环(3)放置于所述圆盘支撑座侧壁的顶面，并且三个调整螺栓(5)的光轴部分分别嵌在所述调整环(3)底面的三个盲孔(31)内，三个调整螺栓(5)用于支撑所述的调整环(3)，所述调整环(3)的内径与晶片(2)的外径间隙配合，吸附于所述真空吸盘(6)的空柱阵列(62)上的晶片(2)位于所述调整环(3)内，通过调节调整螺栓(5)使所述调整环(3)的上表面与晶片(2)的上表面平齐，每个径向螺纹孔(41)均旋入有一个锁紧螺栓(4)顶住对应位置的调整螺栓(5)的上部光轴，从而实现所述调整环(3)的高度定位；

所述抛光工具(1)包括工具中心轴(11)、磨抛盘基体(12)和可更换的多个磨抛垫，加工时，选择其中一个磨抛垫，所述的工具中心轴(11)、磨抛盘基体(12)和该磨抛垫同轴安装，并设有贯穿于所述工具中心轴(11)、磨抛盘基体(12)和该磨抛垫的中心通孔。

2.根据权利要求1所述的半导体材料的化学机械磨抛装置，其特征在于，所述真空柱阵列(62)的真空柱的排列按照多个同心的环形排列。

3.根据权利要求1所述的半导体材料的化学机械磨抛装置，其特征在于，多个可更换磨抛垫包括固结磨料磨抛垫(13)、多孔材料抛光垫(14)和流体动压抛光盘(15)。

4.根据权利要求3所述的半导体材料的化学机械磨抛装置，其特征在于，所述的固结磨料磨抛垫(13)包括磨抛垫基体(131)，所述磨抛垫基体(131)的工作面上设有阵列微凸起(132)，阵列微凸起(132)的表面均有多个微小磨粒(133)。

5.根据权利要求3所述的半导体材料的化学机械磨抛装置，其特征在于，所述的多孔材料抛光垫(14)的工作表面设有与所述中心通孔贯通的网格状微沟槽(141)。

6.根据权利要求3所述的半导体材料的化学机械磨抛装置，其特征在于，所述的流体动压抛光盘(15)的工作表面设有与所述中心通孔贯通的放射状微沟槽(151)。

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