CN110281144A - 电诱导辅助化学机械抛光测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电诱导辅助化学机械抛光测试装置，包括：抛光液池、抛光垫、抛光盘、抛光头、驱动器、负电极以及外接电源；所述抛光液池用于盛装抛光电解液，其通过所述抛光盘带动而旋转；所述抛光垫贴合于抛光液池的底壁上；所述抛光头用于固定待抛光的晶片，并通过所述驱动器驱动而与所述抛光垫相对反向旋转，以对晶片进行机械抛光；所述外接电源的正极与所述晶片接通，负极与所述负电极接通。本发明的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，通过电诱导作用的方式，增强晶片的氧化腐蚀，提高材料去除率，降低晶片抛光的生产成本，改善晶片的表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及超精密抛光加工技术领域，具体涉及一种电诱导辅助化学机械抛光测试装置。
背景技术
氮化镓(GaN)材料是研制微电子器件、光电子器件的第三代新型半导体电子材料，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器件工作在高温、高功率的特殊条件。当GaN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、微裂纹等表面/亚表面损伤)，因此在GaN材料应用之前需要对晶片表面进行处理以获得超平滑的表面。
目前，抛光GaN晶体最常用的方法是化学机械抛光(CMP)，但GaN晶体材料键能大，属于典型的硬脆难加工材料，在CMP加工过程中存在加工表面质量达不到应用要求，材料去除率低，进而导致加工时间长、成本高的一系列问题。例如，公开号为CN1227152 A的化学机械抛光装置和化学机械抛光方法，公开号为CN 106853609 A化学机械抛光装置及其方法，公开号为CN 109465739 A一种半导体晶片光电化学机械抛光加工装置，他们均采用传统抛光头，加载的压力分布不均，阻碍了抛光浆料在晶片与抛光垫之间的流动，增加抛光时间和抛光浆料的浪费。Hideo Aida等(Applied Surface Science 292(2014)531–536)通过降低GaN加工中的金刚石粒径使得GaN晶片的损伤深度不断降低，将金刚石粒径分别降低到500nm和50nm时，GaN晶片所对应的亚表面损伤深度也达到了1.6μm和0.26μm。为了完全去除500nm和50nm金刚石研磨加工后亚表面损伤，后续采用SiO2磨粒进行的化学机械抛光分别花费了150h和35h。
传统CMP的过程中，GaN材料极高的化学惰性使得抛光加工去除率极低，抛光头的结构导致加工过程中抛光浆料的浪费和压力分布不均匀，进而导致加工时间长，导致成本居高不下等一系列问题；抛光过程中机械磨削力难以准确把控，使加工表面常因机械磨削力过小而出现点蚀、腐蚀坑或者因机械磨削过大而出现划痕、裂纹等亚表层损伤，传统抛光加工会产生变质层、附加应力等缺陷，极大的限制了该加工方法的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电诱导辅助化学机械抛光测试装置，该装置通过电诱导作用的方式，增强晶片的氧化腐蚀，提高材料去除率，降低晶片抛光的生产成本，改善晶片的表面质量。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电诱导辅助化学机械抛光测试装置，包括：抛光液池、抛光垫、抛光盘、抛光头、驱动器、负电极以及外接电源；
所述抛光液池用于盛装抛光电解液，其通过所述抛光盘带动而旋转；所述抛光垫贴合于抛光液池的底壁上；
所述抛光头用于固定待抛光的晶片，并通过所述驱动器驱动而与所述抛光垫相对反向旋转，以对晶片进行机械抛光；
所述外接电源的正极与所述晶片接通，负极与所述负电极接通；
使用时，所述负电极与抛光头至少部分地浸没于抛光电解液中，外接电源、晶片、抛光电解液与负电极之间构成闭合回路，从而使得晶片与负电极之间形成电势差。
优选地，所述晶片为GaN晶片。当然，本发明的电诱导辅助化学机械抛光测试装置还可用于其他晶片的抛光加工。
进一步地，所述抛光头包括一抛光头轴以及固定于抛光头轴上的抛光头本体，所述抛光头轴与抛光头本体之间设有多个支撑板。
进一步地，还包括一导电滑环，所述导电滑环的外圈和内圈分别具有外圈引线和内圈引线，所述外接电源和晶片通过导线分别与所述外圈引线和内圈引线电连接，从而使外接电源与晶片之间导通。
进一步地，所述外接电源选自直流电源、恒电位仪、电化学工作站、干电池中的一种或多种。
进一步地，所述负电极为铂电极。
进一步地，还包括电解液池、电化学工作站、盐桥、参比电极以及辅助电极；
所述电解槽用于盛装电解液，所述电解液与抛光液池中的抛光电解液通过所述盐桥连接；
所述电化学工作站的WE端与所述导电滑环的外圈引线电连接，RE端与所述参比电极电连接，CE端与所述辅助电极电连接。
进一步地，所述电诱导辅助化学机械抛光测试装置还包括与电化学工作站连接的PC。
本发明的有益效果：
1.本发明的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，通过电诱导作用的方式，增强了晶片的氧化腐蚀，溶解的晶体量是随阳极电流密度的增大而增加，抛光速率取决于腐蚀电流，电诱导辅助化学机械抛光可以具有很高的抛光速率而不造成介质的损伤，提高抛光效率。
2.本发明的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，抛光过程中无需施加较大的压力，可大大降低抛光晶面上的划痕密度，减少表面及亚表层损伤，改善GaN晶片表面质量。
3.本发明的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，在抛光过程中可以实时进行电化学测试分析，包括线性扫描伏安测试、动电位极化曲线测试、电化学阻抗测试，根据测试数据可准确分析抛光过程中氧化膜生成-去除过程。
附图说明
图1是本发明实施例1的电诱导辅助化学机械抛光测试装置的示意图；
图2是氮化镓晶片粘贴示意图；
图3是传统抛光头(a)与改进抛光头(b)的结构示意图；
图4是三电极与两回路的实测图:(a)极化回路实测图；(b)测量回路实测图；
图5是三电极与两回路原理图；
其中：1、直流电源；2,3,4,5,6,7,12-1,12-2、导线；8、铂电极；9、抛光液池；10、抛光电解液；11、抛光盘；13、抛光头；13-1、抛光头轴；13-2、支撑板；14、塑料片；15、GaN晶片；16、抛光垫；17、导电滑环；18、盐桥；19、电解液池；20、参比电极；21、辅助电极；22、电解液；23、PC；24、电化学工作站。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
参见图1，本发明实施例1的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，包括抛光液池9、抛光垫16、抛光盘11、抛光头13、第一驱动电机、第二驱动电机、铂电极8以及直流电源1。
其中，抛光液池10用于固定抛光垫16并盛装抛光电解液，抛光垫16通过自身背面胶层粘在抛光液池10的底壁上，抛光盘11用于安装抛光液池10。抛光头13位于抛光液池9的上方，用于固定GaN晶片15，并可以通过导线将GaN晶片15与外电路接通；导电滑环17通过外圈引线来连接直流电源的正极，通过内圈引线连接与GaN晶片15，防止导线随着抛光头轴13-1环绕。
第一驱动电机(图未示)连接于抛光头13上，用于带动抛光头13与GaN晶片15定轴回转，并施加一定压力。第二驱动电机(图未示)连接于抛光盘11上，用于带动抛光液池9相对于抛光头13反向定轴回转。此外还包括抛光机支撑底座(图未示)，用于支撑和固定所述第一驱动电机和第二驱动电机、抛光头13以及抛光盘11。
参见图2，采用导电胶和双面胶将导线和GaN晶片15粘在塑料片14上，然后用双面胶把塑料片14背面粘在抛光头13上，GaN晶片15通过导电胶和导电滑环17内圈引线部分粘接而接通直流电源1的正极，抛光电解液与铂电极8接通直流电源1的负极，从而使得外接直流电源1、铂电极8、抛光电解液、GaN晶片15构成闭合回路。外加的正电位可以依次导电滑环17外圈引线到内圈引线再接到GaN晶片15，外加的负电位可以依次通过铂电极8，再接通抛光电解液，因此铂电极8和GaN晶片15之间形成两者在加工中的电势差。
本发明的电诱导辅助化学机械抛光测试装置在加工时，外加电场的电位可以分别施加到GaN晶片15和铂电极8上。抛光液池9中的抛光电解液流动在GaN晶片15和抛光垫16的接触区，抛光电解液中的导电介质如氯化钠、氯化铁等作为支撑电解质充斥在GaN晶片15和抛光垫16之间，在外加电场的作用下，对GaN晶片15产生电诱导氧化腐蚀作用，形成的氧化改性层。同时，GaN晶片15和抛光垫16分别由第一驱动电机和第二驱动电机驱动，二者产生相对运动，抛光头13及第一驱动电机提供加工压力，加工压力F可以通过抛光头13加载到GaN晶片15与抛光垫16的接触区。加载压力后，GaN晶片15与抛光垫16的相对运动可以对GaN晶片15进行机械抛光作用，去除因电化学作用而在GaN晶片15上形成的氧化改性层。氧化改性层被机械去除后，暴露出新的表面再被电化学作用改性，如此往复循环，电诱导氧化腐蚀作用和机械抛光作用的交替进行，可以对GaN晶片15进行电诱导辅助化学机械抛光加工。
本发明的电诱导辅助化学机械抛光测试装置还包括一电化学测试装置，该测试装置在抛光过程中可以实时进行电化学测试分析，包括线性扫描伏安测试、动电位极化曲线测试、电化学阻抗测试。参见图1，所述电化学测试装置包括电化学工作站24，PC 23，导电滑环17，工作电极(GaN晶片15)，参比电极20，辅助电极21，抛光液池9、电解液池19以及盐桥25。所述GaN晶片15依次通过导电胶、导电滑环17内圈引线、导电滑环17外圈引线连接到电化学工作站24上的WE端，参比电极20与辅助电极21通过导线连接到电化学工作站24的RE和CE端，盐桥25连通抛光液池9与电解液池19，电化学工作站通过数据线直接与PC相连。
图4、图5分别是电化学测试的三电极与两回路实测图和三电极与两回路原理图。极化回路是由极化电源、工作电极(WE)、辅助电极(CE)、可变电阻及电流表等组成，通过极化回路调节或者控制流经工作电极WE的电流，实现极化电流的变化与测量；测量回路是由控制与测量电位的仪器、工作电极、参比电极、盐桥等组成，通过测量回路实现控制或测量极化的变化，测量工作电极在电诱导辅助化学机械抛光时的变化情况。
所述电化学测试装置在使用时：(1)将导线和GaN晶片15用导电胶和双面胶粘在塑料片14上，然后用双面胶把塑料片14背面粘在抛光头13上，从而使GaN晶片15与电化学工作站24的WE端连接形成通路；(2)将参比电极20与辅助电极21接到电化学工作站的RE和CE端，然后通入电解液池19，从而和GaN晶片15依次通过电解液、抛光电解液形成通路；(3)电化学工作站24中极化电源的负极可以通过参比电极20或者辅助电极21与电解液连通，电化学工作站24中极化电源的正极可以依次导电滑环17外圈引线到内圈引线再接到工作电极(GaN晶片15)，参比电极20或者辅助电极21和工作电极(GaN晶片15)被分别施加的负、正电位可以形成两者在测试时的电势差。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种电诱导辅助化学机械抛光测试装置，其特征在于，包括：抛光液池、抛光垫、抛光盘、抛光头、驱动器、负电极以及外接电源；
所述抛光液池用于盛装抛光电解液，其通过所述抛光盘带动而旋转；所述抛光垫贴合于抛光液池的底壁上；
所述抛光头用于固定待抛光的晶片，并通过所述驱动器驱动而与所述抛光垫相对反向旋转，以对晶片进行机械抛光；
所述外接电源的正极与所述晶片接通，负极与所述负电极接通；
使用时，所述负电极与抛光头至少部分地浸没于抛光电解液中，外接电源、晶片、抛光电解液与负电极之间构成闭合回路，从而使得晶片与负电极之间形成电势差。
2.如权利要求1所述的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，其特征在于，所述晶片为GaN晶片。
3.如权利要求1所述的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，其特征在于，所述抛光头包括一抛光头轴以及固定于抛光头轴上的抛光头本体，所述抛光头轴与抛光头本体之间设有多个支撑板。
4.如权利要求1所述的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，其特征在于，还包括一导电滑环，所述导电滑环的外圈和内圈分别具有外圈引线和内圈引线，所述外接电源和晶片通过导线分别与所述外圈引线和内圈引线电连接，从而使外接电源与晶片之间导通。
5.根据权利要求1所述的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，其特征在于，所述外接电源选自直流电源、恒电位仪、电化学工作站、干电池中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，其特征在于，所述负电极为铂电极。
7.如权利要求4所述的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，其特征在于，还包括电解液池、电化学工作站、盐桥、参比电极以及辅助电极；
所述电解槽用于盛装电解液，所述电解液与抛光液池中的抛光电解液通过所述盐桥连接；
所述电化学工作站的WE端与所述导电滑环的外圈引线电连接，RE端与所述参比电极电连接，CE端与所述辅助电极电连接。
8.如权利要求7所述的电诱导辅助化学机械抛光测试装置，其特征在于，所述电诱导辅助化学机械抛光测试装置还包括与电化学工作站连接的PC。
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