CN101301735A

CN101301735A - 大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光方法及装置

Info

Publication number: CN101301735A
Application number: CNA2008100121829A
Authority: CN
Inventors: 金洙吉; 苑泽伟; 康仁科; 董伯先
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: CN100553884C

Abstract

本发明属于超硬材料抛光技术领域，公开一种大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光方法与装置。其特征是抛光装置包括抛光机机体、抛光盘、抛光头、滴料器、集电环、抛光机外罩、电加热温度调节装置等。抛光时，抛光盘转速为50～120r/min；抛光头转速为30～60r/min、抛光头摆动速度为6～10次/min；抛光压力为0.2～0.8MPa；利用抛光头内置的电加热板加热，使加工区域的局部温度达到50～150℃；利用在加工区域局部产生的化学与机械复合作用，实现金刚石晶圆表面材料的微量去除。本发明的效果和益处是由于采用加工区域局部加热法，在大尺寸金刚石晶圆的加工中，可有效解决高温引起的大尺寸抛光盘变形和金刚石晶圆翘曲变形等难题。

Description

大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光方法及装置

技术领域

本发明属于超硬材料抛光技术领域，涉及到一种大尺寸金刚石晶圆超精密抛光方法和装置。

背景技术

金刚石是目前唯一同时具备高硬度、高化学惰性、高导热系数、高弹性模量、高绝缘、宽带隙和低摩擦系数的材料，在很多应用领域中都会成为不可替代的材料极品。化学气相沉积金刚石(CVD)薄膜的制备技术和性能表征等已经取得了许多突破性进展，使金刚石的应用不再局限于传统的刀具、模具等领域，逐渐向光学、热学、半导体、声学等高新技术领域发展。但由于受晶体相生长机理的制约，随着晶圆厚度的增加，其表面粗糙度和晶粒大小也会增大到几个微米甚至几十个微米，必须采用精密加工方法将其表面粗糙度降低到纳米量级，并达到一定的面型精度，才能投入使用。特别在高新技术领域应用时，不仅要求金刚石晶圆具有极小的表面粗糙度，同时还对其面型精度和表面完整性提出了很高的要求。目前金刚石晶圆抛光平坦化技术的相对滞后，尤其是大尺寸CVD金刚石晶圆的超精密无损伤抛光平坦化技术已成为金刚石晶圆在高新技术领域得到广泛应用的瓶颈问题。

由于金刚石是目前已知的硬度最高且高化学惰性的材料，使得现有的抛光技术很难实现大尺寸金刚石晶圆的超精密无损伤表面加工。例如，激光束抛光、离子束抛光等抛光技术，目前主要针对小尺寸(φ≤1英寸)的金刚石晶圆，而且设备复杂、成本高，很难用于产业化生产；热化学抛光技术和电火花抛光技术，虽然目前已能够实现大尺寸金刚石晶圆抛光平坦化，但其抛光表面粗糙度Ra仅能达到几百纳米水平，而且对加工表面带来损伤和污染；传统的机械抛光技术虽然能够实现纳米级抛光，但抛光效率很低，容易在金刚石表面留下划痕等损伤。化学机械抛光(CMP)作为一种基于化学与机械复合作用原理的超精密加工技术，是目前实现大尺寸硅片超光滑无损伤表面加工的最理想的加工方法，在IC制造领域得到广泛应用。虽然目前也有针对金刚石膜的化学机械抛光方法，但抛光效率较低，抛光工艺还不成熟，而且由于采用抛光盘整体式加热方法，存在能源消耗大；抛光液蒸发损失大，难以保证抛光液成分的稳定性等问题，尤其随着金刚石晶圆尺寸的增大，高温引起的抛光盘变形和金刚石晶圆翘曲变形等问题更加突出。现有的抛光技术与设备无法满足对大尺寸金刚石晶圆的高效低成本超精密加工要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种针对大尺寸CVD金刚石晶圆的超精密低损伤抛光方法及装置。

本发明抛光方法所采用的技术方案是：

在抛光过程中，抛光头随抛光盘转动的同时进行摆动，粘贴于抛光头底部的金刚石晶圆以一定压力与抛光盘接触，并进行复杂的抛光运动。抛光盘转速为50～120r/min；抛光头转速为30～60r/min；抛光头摆动速度为6～10次/min。抛光压力通过改变配重块的质量进行调节，抛光压力为0.2～0.8Mpa。抛光盘采用铸铁盘、玻璃盘、陶瓷盘或抛光垫，抛光时不需要任何气体保护。利用抛光头内置的加热板、热电偶以及外置的电加热温度调节装置对加工区域的局部温度进行检测和控制，加工区域局部温度为50～150℃。采用滴液器向加工区域滴入抛光液，抛光液流量为1～8ml/min。在一定的温度条件下，加工区域的抛光液与被加工金刚石晶圆表面材料产生化学反应而形成一层化学反应薄膜，并通过抛光液中的磨粒和抛光盘或抛光垫的机械作用将这一层化学反应薄膜去除，使金刚石晶圆表面重新露出来，通过这种化学和机械两种作用的交替过程，实现金刚石晶圆表面材料的微量去除，达到抛光的目的。

本发明抛光装置包括抛光机机体、抛光盘、抛光头、滴料器、抛光机外罩、集电环，以及外置的电加热温度调节装置等部分组成。抛光盘采用铸铁盘、玻璃盘、陶瓷盘和抛光垫等，使抛光盘在强腐蚀性抛光环境下，具有良好的耐腐蚀能力和耐磨能力，以保证加工表面的面型精度。抛光头由玻璃盘、配重块，以及内置的电加热装置和热电偶等部分组成，为了防止抛光中抛光液对抛光头的腐蚀作用，抛光头底部采用了耐腐蚀优良的玻璃盘。内置的电加热装置由加热板、加热槽、石棉板、垫块和端盖等组成，加热板固定于封闭的加热槽内，并通过石棉板使其与加热槽绝缘。此外，在加热板上部垫多层石棉板，并利用垫块使多层石棉板与加热槽端盖之间形成一个高度10mm的封闭空间，以解决热量从配重块大量散发和导线通过问题。通过改变配重块数量的方法调节抛光压力，对配重块外面进行镀镍保护以提高其抗腐蚀性能。集电环固定于抛光头上部，用于加热板电流的导入和热电偶信号的导出。将被加工的金刚石晶圆粘贴于抛光头底部的玻璃盘表面，对于大尺寸金刚石晶圆，一次只粘贴一个并使其与抛光头同心；对于小尺寸金刚石晶圆，为了保证抛光过程中受力均匀，同时粘贴多个并使其沿抛光头圆周均匀分布。在粘贴金刚石晶圆的上部，对玻璃盘和加热槽底板钻孔，插入热电偶，并通过集电环将信号导出。外置的电加热温度调节装置根据加工区域的温度变化，通过改变加热板的电流大小，使加工区域的温度保持在设定温度范围内。

本发明效果和益处是：通过采用加工区域局部加热法，解决了传统的抛光盘整体式加热方法中存在的能源消耗大、抛光液蒸发损失大、难以保证抛光液成分的稳定性等问题，尤其对于大尺寸金刚石晶圆的加工中，可有效解决高温引起的大尺寸抛光盘变形和金刚石膜翘曲变形等难题，提高金刚石晶圆的面型精度。另外，抛光装置结构简单、抛光表面质量好，加工成本低，具有较高的抛光效率，解决了目前电火花抛光和热铁板抛光中存在的抛光表面质量较差、面型精度较低、表面有污染等问题。

附图说明

图1是本发明的抛光装置结构示意图。

图2是本发明的抛光装置中的抛光头结构示意图。

图中：1抛光机主轴；2抛光盘；3热电偶；4CVD金刚石晶圆；5玻璃盘；6加热板；7配重块A；8配重块B；9抛光机外罩；10集电环；11导线；12电加热温度调节装置；13抛光液；14滴料器；15加热槽；16石棉板；17垫块；18端盖；19导向轴；20螺栓。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明具体实施例。

实施例：

如附图1所示，本发明的抛光装置包括抛光机机体、抛光盘2、抛光头、滴料器14、集电环10、抛光机外罩9，以及外置的电加热温度调节装置12等部分组成。抛光机外罩9安装于抛光盘2上，随抛光机转动，主要用于防止腐蚀性抛光液的外溅。抛光盘2采用具有良好的耐腐蚀能力和耐磨能力的铸铁盘、玻璃盘、陶瓷盘和抛光垫等。抛光头由玻璃盘5、配重块A，以及内置的电加热板6和热电偶3等部分组成。抛光头底部采用耐腐蚀性优良的玻璃盘5，金刚石晶圆粘贴于该玻璃盘表面。为了使金刚石晶圆粘贴牢固，先在玻璃盘指定位置加工一个与金刚石晶圆具有相同形状而尺寸略大的浅槽后，用聚酰亚胺双面胶带将金刚石晶圆粘贴至该浅槽内，并使粘贴后的金刚石晶圆表面略高于玻璃盘表面。位于抛光头上部的集电环10，用于加热板电流的导入和热电偶信号的导出。外置的电加热温度调节装置12根据位于金刚石晶圆上部的热电偶3反馈的加工区域的温度信息，调节加热板的电流大小，使加工区域的温度保持在设定温度范围内。利用滴液器14可按设定流量将抛光液13滴入加工区域。

如附图2所示，本发明抛光装置中内置的电加热装置由电加热板6、加热槽15、石棉板16、垫块17和端盖18等组成，电加热6板固定于封闭的加热槽15内，并通过石棉板16使其与加热槽15绝缘。此外，在加热板6上部垫多层石棉板16，并利用垫块17使多层石棉板16与加热槽端盖18之间形成一个高约为10mm的封闭空间，以解决热量从配重块大量散发和导线通过问题。配重块A和配重块B装在导向轴19上，其中位于抛光头最上部的配重块B除了用于配重外，还用于固定集电环10。抛光压力的大小主要通过增减配重块A的数量进行调节。

如附图1所示，大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光的工作过程是：将金刚石晶圆4贴在抛光头底部的玻璃盘5上，并使金刚石晶圆4以一定的压力与抛光盘2接触。抛光盘2以70r/min的转速转动时，抛光头随抛光盘按35r/min的转速回转，并以8次/min速度做摆动运动。利用加热板6将加工区域加热至约60℃，调节配重块A的数量使抛光压力达到0.24Mpa左右。利用滴液器14将具有强氧化性的抛光液13按2ml/min流量要求滴入加工区域，使其与被加工金刚石晶圆表面接触，并在化学和机械摩擦复合作用下重复金刚石晶圆材料的氧化和去除氧化膜的交替过程，从而实现超精密抛光。

Claims

1.大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光方法，其特征是：抛光过程中，抛光盘做逆时针方向旋转，其转速为50～120r/min；粘贴于抛光头底部的金刚石晶圆以0.2～0.8Mpa的压力与抛光盘接触，并随抛光盘转动；抛光头转速为30～60r/min，抛光头摆动速度为6～10次/min；抛光压力为0.2～0.8Mpa；利用抛光头内置的加热板(6)、热电偶以及外置的电加热温度调节装置(12)对加工区域的局部温度进行检测和控制，使加工区域的温度达到50～150℃；抛光液流量为1～8ml/min；抛光盘采用铸铁盘、玻璃盘、陶瓷盘或抛光垫；抛光时不需要任何气体保护；在抛光过程中，加工区域的抛光液与被加工金刚石晶圆表面材料产生化学反应而形成一层化学反应薄膜，并通过抛光液中的磨粒和抛光盘或抛光垫的机械作用将这一层化学反应薄膜去除，使金刚石晶圆表面重新露出来，通过这种化学和机械两种作用的交替过程，实现金刚石晶圆的抛光。

2.大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光装置，包括抛光机机体、抛光盘(2)、抛光头、滴料器(14)、抛光机外罩(9)、集电环(10)以及外置的电加热温度调节装置(12)；抛光盘(2)以50～120r/min的转速逆时针旋转，粘贴于抛光头底部的金刚石晶圆(4)以0.2～0.8Mpa的抛光压力与抛光盘(2)接触，并在抛光盘(2)上以30～60r/min的转速旋转；抛光头包括玻璃盘(2)、配重块A(7)、配重块B(8)、内置的加热装置和热电偶(3)；内置的电加热装置包括加热板(6)、加热槽(15)、石棉板(16)、垫块(17)和端盖(18)，加热板(6)固定于封闭的加热槽(15)内，并通过石棉板(16)使其与加热槽(15)绝缘；在加热板(16)上部垫多层石棉板，并利用垫块(17)使多层石棉板与加热槽端盖之间形成一个高度10mm的封闭空间；集电环(10)固定于抛光头上部；在粘贴金刚石晶圆的上部，对玻璃盘(5)和加热槽(15)底板钻孔，插入热电偶(3)，并通过集电环(10)将信号导出；外置的电加热温度调节装置(12)根据加工区域的温度变化，通过改变加热板(6)的电流大小，使加工区域的温度保持在设定的50～150℃温度范围内。

3.根据权利要求2所述的大尺寸金刚石晶圆超精密低损伤抛光装置，其特征是将开槽与聚酰亚胺双面胶带粘接相结合，以使金刚石晶圆粘贴牢固。