CN109087845B - 基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单晶材料抛光技术领域，公开了一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置及抛光方法。本发明的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置包括矩管，矩管包括第一发生管、设于第一发生管外的第二发生管以及设于第二发生管外的第三发生管；与第二发生管及第三发生管连通的惰性气体提供装置；与第一气体发生管连通的刻蚀气体提供装置；与矩管连通的电火花发生器；电感线圈，矩管的出口设于电感线圈内，其连接有射频电源。本发明的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光方法基于上述抛光装置。本发明的基于电感耦合等离子体体的单晶材料抛光装置及抛光方法具有去除速率快、不引入亚表面损伤、不需要磨浆、不需要后清洗的优点。

Description

基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明涉及单晶材料抛光技术领域，尤其是涉及一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置及抛光方法。

背景技术

半导体晶圆的制造过程包括单晶生长、磨外圆、切片、圆角、粗磨、精磨、金刚石抛光、化学机械抛光等诸多工序，其中，抛光工艺(包括金刚石抛光和化学机械抛光)的目的是去除磨削后晶片表面的划痕以及亚表面损伤，从而得到无划痕、无损伤的完美表面，进而在该表面上进行电子元器件的加工。由于抛光后的晶片的表面质量直接决定了元器件的性能，因此抛光是晶圆加工过程中非常关键的一步，另外，在集成电路的制造过程中，需要用到光刻技术让设计的电路图从掩模版上转移到晶圆上，而想要设计的图案能准确的转移，就需要让整个晶圆平面准确地位于光刻系统曝光的焦平面的景深内。而光刻系统的曝光的景深非常小，因此光刻对晶圆表面的平整度也有很高的要求。

传统晶圆制造工业中要达到这种平整度，保证良好的表面粗糙度，同时又去除所有亚表面损伤，最常用的方法是化学机械抛光方法(CMP)。化学机械抛光方法的抛光过程一般为：需要抛光的晶圆被固定在抛光头上，沿着轴向旋转，并向下有下压力，抛光垫通常为多孔的聚亚安酯材料制造，它沿着自己的轴向旋转，旋转方向与抛光头相反，修整器让抛光垫保持平整，抛光垫上有一导管往上面滴磨浆，磨浆由研磨材料和化学添加剂组成，研磨材料常用的有二氧化硅、二氧化铝和氧化铈，化学添加剂需要用于与被去除材料反映，在抛光过程中，磨浆中的化学添加剂先与晶圆表面不平整的部位反应，使其转化成硬度相对较低的物质，从而更容易去除，随后，相对运动的研磨性磨粒将这些硬度较低的物质研磨去除，在整个过程中，晶圆表面材料和不平整的结构得到去除，从而达到整个表面的平坦化，化学机械抛光发的优点如下：1、能实现原子级的粗糙度；2、能降低缺陷密度，有效去除切割和粗研磨晶圆引入的亚表面损伤，改善良率；3、去除速度比纯化学抛光快。

但是，化学机械抛光法仍然具有十分明显的缺点：

1、化学机械抛光法虽然相较于纯化学抛光法速率已经有了很大提高，但是去除速率还是太慢。以碳化硅材料为例，化学机械抛光法的材料去除速率为几十到几百纳米每小时，而粗研磨后的碳化硅亚表面损伤层厚度通常为15微米左右，若全部用化学机械抛光法去除，需耗费上百小时。

2、会引入刻蚀坑等新缺陷，由于碳化硅生长的时候会有位错生成，而晶圆表面的位错拥有更高的反应活性，会倾向于优先与抛光液中的腐蚀性物质反应，因而会在表面留下刻蚀坑，这些刻蚀坑会影响后续的光刻步骤的精度，同时会让制成器件电学性质受到影响。

3、需要耗费大量磨浆，化学机械抛光的过程中需要不断的向抛光垫中滴加磨浆，以保持研磨的效率，因此磨浆需要耗费大量资金，而且有的研磨过程中需要用到氧化铈磨浆，是一种珍惜的稀土材料，也会造成成本的升高，同时，大量使用磨浆需要对使用后的磨浆进行后处理，成本高昂，同时也会对环境造成污染。

4、化学机械抛光后的晶圆由于沾有大量研磨浆，并且当研磨浆在晶圆表面干固时，研磨浆粒子会与晶圆表面上的原子产生键结，因此需要对化学机械抛光后的晶圆进行后清洗，使用表面活性剂来减弱和破坏粒子和晶圆连接的化学键来移除这些粒子，帮助粒子从表面扩散离开，使用相应的化学试剂来调整晶圆和粒子表面的电荷，防止其重新沉淀，所以后清洗步骤也会增加试剂和时间成本。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置，能够很好的解决化学机械抛光法存在的缺点。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光方法，能够很好的解决化学机械抛光法存在的缺点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置，包括矩管，所述矩管包括第一发生管、第二发生管以及第三发生管，所述第二发生管罩设于所述第一发生管外，所述第三发生管罩设于所述第二发生管外；惰性气体提供装置，所述惰性气体提供装置与所述第二发生管及所述第三发生管连通；刻蚀气体提供装置，所述刻蚀气体提供装置与所述第一气体发生管连通；电火花发生器，所述点火花发生器分别与第一发生管、第二发生管、第三发生管连通，用于在第一发生管、第二发生管、第三发生管内产生电火花；电感线圈，所述矩管的出口设于所述电感线圈内，所述电感线圈连接有射频电源，通电时，所述电感线圈内产生耦合等离子体。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括试样夹台，所述试样夹台设于所述矩管下方。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括移动平台，所述试样夹台固设于所述移动平台上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述矩管与所述试样夹台之间施加有电场，用于改变产生的等离子的运动轨迹。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括流量计，所述流量计分别与所述第一发生管、第二发生管、第三发生管连接。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括温度监控器，所述温度监控器用于监控待抛光晶圆的温度。

本发明还提供一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光方法，

作为上述技术方案的进一步改进，包括如下步骤：

S1，设置晶圆，将晶圆需要抛光的一面露出；

S2，惰性气体提供装置工作，按照预设的流速向第二发生器、第三气路通入惰性气体；

S3，打开电火花发生器，使第一发生器、第二发生器、第三发生器内产生电火花，同时电感线圈接入交变电流，在产生稳定并发强光的电感耦合等离子体后，关闭电火花发生器；

S4，刻蚀气体提供装置工作，按照预设的流速向第一发生器通入刻蚀气体。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括步骤S5，移动晶圆，使等离子体火炬按照预设的轨迹在晶圆表面扫描，并监控晶圆的温度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述惰性气体为Ar，所述刻蚀气体为CF₄。

作为上述技术方案的进一步改进，第一发生器内气体流速为30SCCM，第二发生器内气体流速为1SLM，第三发生器内气体流速为15SLM。

本发明的有益效果是：

本发明的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置包括矩管，所述矩管包括第一发生管、第二发生管以及第三发生管，所述第二发生管罩设于所述第一发生管外，所述第三发生管罩设于所述第二发生管外；惰性气体提供装置，所述惰性气体提供装置与所述第二发生管及所述第三发生管连通；刻蚀气体提供装置，所述刻蚀气体提供装置与所述第一气体发生管连通；电火花发生器，所述点火花发生器分别与第一发生管、第二发生管、第三发生管连通，用于在第一发生管、第二发生管、第三发生管内产生电火花；电感线圈，所述矩管的出口设于所述电感线圈内，所述电感线圈连接有射频电源，通电时，所述电感线圈内产生耦合等离子体。本发明的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置具有如下优点：1、去除速率快，能节省大量能源和时间成本；2、使用产生的等离子火炬进行抛光，属于非接触式抛光，在抛光的同时不会引入亚表面损伤，刻蚀坑的数量明显少于化学机械抛光法引入的刻蚀坑；3、抛光过程不需要磨浆，能省下磨浆的耗材成本以及磨浆废液的后处理成本；4、不需要后清洗，能省下清洗的成本，进一步节省时间。

本发明的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光方法具有去除速率快、引入刻蚀坑数量少、不需要磨浆、不需要后清洗的优势。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的电感耦合等离子体的单晶材料抛光方法的流程图；

图3(a)是未抛光前碳化硅表面的显微示意图；

图3(b)是本发明的电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置抛光后的碳化硅表面的显微示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1，示出了本发明一个实施例的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置的结构示意图。一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置，包括矩管100、惰性气体提供装置110、刻蚀气体提供装置120、电感线圈130、电火花发生器140。其中，矩管100包括第一发生管101、第二发生管102、第三发生管103，第一发生管101与刻蚀气体提供装置120连接，第二发生管102、第三发生管103与惰性气体提供装置110连接，且第二发生管102罩设于第一发生管101外，第三发生管103罩设于第二发生管102外，电感线圈130设于矩管100的出口处，且矩管130设于电感线圈130的内圈内，电感线圈130连接有射频电源131，用于在接通电源时使电感线圈130上产生射频电流，进而使电感线圈130内产生耦合等离子体，电火花发生器140分别与第一发生管101、第二发生管102、第三发生管103连接，使第一发生管101、第二发生管102、第三发生管103内产生电火花。

在流出矩管100时，第二发生管102内的惰性气体会包覆在第一发生管101内流出的刻蚀气体外，而第三发生管103内流出的惰性气体会包覆于第二发生管102内流出的惰性气体外，进行对刻蚀气体进行保护。

优选的，第一发生管101的出口处逐渐内缩，以增加流出的刻蚀气体的聚焦性，第二发生管102的出口处则逐渐扩张，以达到充分保护的目的，第三发生管103的出口处沿其长度方向设置。

第一发生管101、第二发生管102、第三发生管103还连接有流量计150，流量计150用于监控流入第一发生管101、第二发生管102、第三发生管103的气体的流速，并通过对惰性气体提供装置110、刻蚀气体提供装置120进行调控来调节第一发生管101、第二发生管102、第三发生管103内气体的流速，使第一发生管101、第二发生管102、第三发生管103内的气体达到预设的流速。

本实施例中，惰性气体提供装置110优选为储气罐，其与第二发生管102、第三发生管103之间通过第二气路111、第三气路112连通，刻蚀气体提供装置120优选为储气罐，其与第一发生管101之间通过第一气路121连通。

本发明的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置还包括试样夹台160、移动平台170，试样夹台160固设在移动平台170上，试样夹台160用于固定放置待加工的晶圆，试样夹台160的材质为隔热材质，移动平台170用于带动试样夹台160以及其上的待加工晶圆移动，以使矩管100流出的等离子火炬作用在待加工的晶圆的各个位置，本实施例中，移动平台170优选为3轴数控移动平台。

本发明的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置还包括温度监控器，温度监控器包括光纤180、高温计181，光纤180一端与高温计181连接，另一端设于待加工的晶圆位置处，用于监控待加工的晶圆的温度。

电感线圈130与射频电源131之间还设有匹配器132。

本实施例中，还可以在矩管100的出口下方施加电场，电场的方向由矩管100指向试样夹台160或由试样夹台160指向矩管100，电场可以作用在等离子体上，进而修正等离子体的运动轨迹。

如图2，本发明还提供一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光方法，本实施例以碳化硅晶圆(SiC)为例详细介绍其工作流程：

S1，设置晶圆，使晶圆需要抛光的面露出。

S2，提供惰性气体，打开惰性气体提供装置，向第二发生管、第三发生管提供惰性气体，使第二发生管、第三发生管内惰性气体的流速达到预设值。

其中惰性气体优选为氩气(Ar)，第二发生管内惰性气体流速的预设值优选为1SLM，第三发生管内惰性气体流速的预设值优选为15SLM。

S3，打开电火花发生器，让电火花进入第一发生管、第二发生管、第三发生管内，同时打开射频电源及匹配器，待矩管出口处产生稳定并发强光的电感耦合等离子体后，关闭电火花发生器，此时就生成了稳定的惰性气体的等离子体火炬。

S4，提供刻蚀气体，打开刻蚀气体提供装置，使第一发生管内的刻蚀气体的流速达到预设值，本实施例中，刻蚀气体优选为CF₄，第一发生管内刻蚀气体的流速优选为30SCCM，在通入刻蚀气体后，矩管出口处，等离子体颜色会从白色变为淡绿紫色，待其稳定之后，就产生了稳定的含有刻蚀气体的等离子体火炬。

S5，打开移动平台，使其载着试样台及其上的晶圆一起移动到等离子体火炬下方，并按照预设的轨迹开始扫描，使等离子体能够均匀地扫描到晶圆的整个表面。同时，使用高温计监控晶圆的温度，并按照预设的时间抛光，本实施例中，预设时间优选为5分钟。

S6，达到预设时间后，移动平台载着晶圆移动到远离等离子火炬的位置，使晶圆冷却。

S7，待晶圆冷却后，卸载晶圆。

参照图3(a)与图3(b)，示意出未抛光前与采用本发明的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置及抛光方法抛光后的碳化硅表面的显微示意图，对比图3(a)与图3(b)，抛光后，碳化硅表面十分平整，并没有明显的刻蚀坑的数量，刻蚀效果优秀。

本发明的基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置及抛光方法具有如下优点：

1、去除速率快，只需要几分钟就能达到化学机械抛光法上百小时才能达到的材料去除深度，同时能让表面达到同等级别的粗糙度，能节省大量能源和时间成本。

2、使用产生的等离子火炬对晶圆进行加工，属于非接触式加工方式，在抛光的同时不会引入亚表面损伤，其引入的刻蚀坑的数目明显少于化学机械抛光法引入的刻蚀坑的数目。

3、抛光过程不需要磨浆，能省下磨浆耗材成本以及磨浆废液的后处理成本，并不会因为磨浆造成环境污染，也不会因此弄脏晶圆。

4、由于等离子抛光同时也是一种清洗方式，在抛光后不需要进行后清洗，能省下清洗的成本，同时进一步节省时间。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (1)

1.一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光方法，用于一种基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光装置，该抛光装置包括：

矩管，所述矩管包括第一发生管、第二发生管以及第三发生管，所述第二发生管罩设于所述第一发生管外，所述第三发生管罩设于所述第二发生管外；

惰性气体提供装置，所述惰性气体提供装置与所述第二发生管及所述第三发生管连通，所述惰性气体提供装置为储气罐，所述第二发生管及所述第三发生管共用一个储气罐；

刻蚀气体提供装置，所述刻蚀气体提供装置与所述第一发生管连通；

电火花发生器，位于所述第一发生管、所述第二发生管以及所述第三发生管的入口，所述电火花发生器分别与所述第一发生管、所述第二发生管、所述第三发生管连通，用于在所述第一发生管、所述第二发生管、所述第三发生管内产生电火花；

电感线圈，所述矩管的出口设于所述电感线圈内，所述电感线圈连接有射频电源，通电时，所述电感线圈内产生耦合等离子体；

试样夹台，所述试样夹台设于所述矩管下方，所述试样夹台用于固定放置待加工的晶圆，所述试样夹台的材质为隔热材质；

移动平台，所述试样夹台固设于所述移动平台上，所述移动平台用于带动所述试样夹台以及其上的待加工晶圆移动，以使所述矩管流出的等离子体火炬作用在待加工的晶圆的各个位置，所述矩管与所述试样夹台之间施加有电场，电场的方向由所述矩管指向所述试样夹台或由所述试样夹台指向所述矩管，所述电场作用在等离子体上，用于改变产生的等离子的运动轨迹；

流量计，所述流量计分别与所述第一发生管、所述第二发生管、所述第三发生管连接；

温度监控器，所述温度监控器包括光纤和高温计，所述光纤的一端与所述高温计连接，所述光纤的另一端设于待加工的晶圆位置处，用于监控待加工的晶圆的温度，所述温度监控器用于监控待抛光晶圆的温度；

所述基于电感耦合等离子体的单晶材料抛光方法，依次包括如下步骤：

S1，设置碳化硅晶圆，将所述碳化硅晶圆需要抛光的一面露出；

S2，提供惰性气体，所述惰性气体为Ar，按照预设的流速向所述第二发生管、所述第三发生管通入所述惰性气体；所述第二发生管内气体流速为1 slm，所述第三发生管内气体流速为15 slm；

S3，打开所述电火花发生器，让电火花进入所述第一发生管、所述第二发生管、所述第三发生管内，使所述第一发生管、所述第二发生管、所述第三发生管内产生电火花，同时所述电感线圈接入交变电流，在产生稳定并发强光的电感耦合等离子体后，关闭所述电火花发生器；

S4，提供刻蚀气体，所述刻蚀气体为CF4，按照预设的流速向所述第一发生管通入所述刻蚀气体，所述第一发生管内所述刻蚀气体的流速为30 sccm，在通入所述刻蚀气体后，所述矩管出口处，等离子体颜色会从白色变为淡绿紫色，待其稳定之后，就产生了稳定的含有所述刻蚀气体的等离子体火炬；

S5，打开所述移动平台，使其载着所述试样夹台及其上的晶圆一起移动到等离子体火炬下方，并按照预设的轨迹扫描晶圆，同时，使用所述高温计监控晶圆的温度，并按照预设的时间抛光；

S6，达到预设时间后，使晶圆冷却；晶圆抛光的预设时间为5分钟；

S7，待晶圆冷却后，卸载晶圆；

所述抛光方法抛光后的所述碳化硅晶圆表面平整，没有明显的刻蚀坑。