CN113103076A - 一种基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,包括等离子体炬、电火花点火器、线圈和数控平台,所述等离子体炬包括三个同轴设置的发生管,所述数控平台用于放置待抛光晶圆,并根据所述等离子体炬的温度分布计算所述等离子体炬的去除量分布,通过加工路径优化算法补偿等离子体加工误差得到扫描路径,控制所述待抛光晶圆在所述扫描路径下被形成的所述感应耦合等离子体辐照。本发明能够实现大尺寸单晶氮化镓晶圆的高效高精度抛光。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆抛光技术领域,特别是涉及一种基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置。
背景技术
氮化镓是一种具有广阔应用前景的第三代半导体材料,具有优良的物理、化学性质,被广泛用于电子器件与光电子器件的制造。抛光是氮化镓晶圆制造的最后一道工序,氮化镓的晶圆质量直接决定了氮化镓基器件的性能。目前常见的氮化镓晶圆的抛光方法有机械抛光、化学机械抛光、光电化学辅助抛光等。
机械抛光即采用硬度较高的磨粒,通过磨粒与材料表面的刮擦,将表面材料以塑性变形的方式去除。这种方法具有较高的材料去除速率,但是会对氮化镓晶圆引入划痕与亚表面损伤。化学机械抛光是通过抛光液中的化学活性物质与表面反应生成改性层,再通过抛光液中的软磨粒将改性层去除。通过化学机械抛光可以实现大尺寸晶圆的抛光,但是抛光速率较低且会在晶圆表面形成大量刻蚀坑。光电化学辅助抛光是采用紫外光源照射晶圆,使其表面生成强氧化性的电子空穴对,与电解质溶液发生反应,随后其反应产物在电解质中溶解与被固结磨料磨削的过程中被去除。通过光电化学辅助抛光的方法可以实现较高的材料去除速率,但是需要使用大量的电解质溶液,电解质溶液需要复杂的后处理过程,成本较高。近年来,有研究者开发了使用氯气/氩气真空感应耦合等离子体用于去除氮化镓表面材料的方法,并得到了较为平整的表面,并实现了最高每分钟240纳米的材料去除速率,表面粗糙度RMS可达8纳米。
然而,前述诸多抛光氮化镓晶圆的方法均存在着一定的缺点而难以持续推广:
1.传统的机械抛光、化学机械抛光方法无法兼顾较高的抛光效率与较好的表面粗糙度,且均难以得到令人满意的表面质量。
2.光电化学辅助抛光需要消耗大量的电解质溶液,实验装置较为复杂且易腐蚀。同时废液的直接排放会对环境造成污染,需要对其进行多道后处理工序,废液的后处理过程也需要很高的成本。
3.基于氯气/氩气的真空感应等离子体使用了氯气等有毒有害气体,危害操作者的人身安全。且废气需要经过处理装置再进行排放,使用成本较高;材料去除速率虽然达到了每分钟240纳米,但无法实现纳米级的光滑表面,无法满足日益增长的氮化镓晶圆产业需求;且该技术需要在真空条件下进行,需要真空腔等一系列装置,成本昂贵。综上,该方法也无法实现大尺寸单晶氮化镓晶圆的高效高精度抛光。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,能够实现大尺寸单晶氮化镓晶圆的高效高精度抛光。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,包括等离子体炬、电火花点火器、线圈和数控平台,所述等离子体炬包括三个同轴设置的发生管,其中,外圈的发生管与中间的发生管之间通入冷却气体,中间的发生管与内圈的发生管之间通入有激发气体,内圈的发生管内通入有反应气体;所述线圈绕在所述外圈的发生管外,并与匹配器相连,用于在所述等离子体炬内产生交变电场;所述电火花点火器用于向等离子体炬内部提供种电子以形成感应耦合等离子体,所述数控平台用于放置待抛光晶圆,并根据所述等离子体炬的温度分布计算所述等离子体炬的去除量分布,通过加工路径优化算法补偿等离子体加工误差得到的扫描路径,控制所述待抛光晶圆在所述扫描路径下被形成的所述感应耦合等离子体辐照。
所述数控平台根据所述等离子体炬的温度分布采用阿伦尼乌斯公式计算所述等离子体炬的去除量分布。
所述数控平台通过加工路径优化算法补偿等离子体加工误差得到扫描路径,具体为:所述等离子体炬的单点去除量分布进行叠加,计算不同扫描间距对最终加工面型的影响,并在最优扫描间距条件下比较不同停驻时间及扫描路径对消除中低频面型误差的影响,并从中选出最优扫描路径。
所述冷却气体、反应气体和激发气体均通过流量控制器送入所述等离子体炬,所述流量控制器根据气体流场分析的结果控制所述冷却气体、反应气体和激发气体的流量,以改善所述等离子体炬内产生的感应耦合等离子体的均匀性。
所述流量控制器根据气体流场分析的结果控制所述冷却气体、反应气体和激发气体的流量,具体为:基于有限元分析软件,将大气压感应耦合等离子体简化为带电磁流体,以实际等离子体激发装置结构尺寸及激发参数建立仿真模型;所述气体流场分析所采用的控制方程与所述等离子体炬的温度分布分析相同;在所述气体流场分析中,通过改变冷却气体,反应气体与激发气体的配比、以及所述等离子体炬的炬管到样品的工作距离,得到使近晶圆表面的流场以及反应气体流线的均匀分布的条件。
所述线圈为直径六毫米的线圈,并在所述外圈的发生管外绕制三圈。
所述反应气体为能够离解生成氟、氯、氧活性原子的气体。
所述激发气体和冷却气体采用同一种气体。
有益效果
由于采用了上述的技术方案,本发明与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:
本发明采用采用四氟化碳与氧气的混合气作为反应气体,以氩气作为载气激发感应耦合等离子体,通过采用合适的反应气体通量配比以及合适的射频功率激发的等离子体在合适的工作距离下来实现大尺寸氮化镓晶圆的抛光,该抛光方法在大气环境下即可进行,不需要复杂的真空装置。装置简单,易于使用者操作。同时避免了大量抛光液及电化学溶液的使用,不需要对抛光液及电化学溶液进行后处理过程,成本低廉。不使用并产生有毒、有害气体激发等离子体,保护操作者的人身健康安全,对环境友好。
通过本方法可以实现大尺寸氮化镓晶圆的高效率抛光。其材料去除速率可达每分钟60微米,且可得到纳米级光滑的表面。本方法是一种非接触式抛光方法因此对晶圆表面造成的损伤较小。本方法的反应速率可调控:通过改变反应气体总通量、射频电源功率等参数就可以实现不同的抛光速率。
附图说明
图1是本发明的装置示意图;
图2是本发明装置的实施流程图;
图3是本发明的原理示意图;
图4是本发明的使用效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,如图1所示,主要由三轴数控平台、等离子体炬、匹配器、气瓶、流量控制器和电火花点火器组成。等离子体炬主要由三个同轴的石英管及铜线圈组成。三个同轴的石英管中最外部的石英管与中间的石英管之间通入氩气作为冷却气体,内部的石英管中通入反应气体(氧气、四氟化碳),内部石英管与中间石英管中通入氩气作为激发气体。三匝直径为6毫米的铜线圈绕在最外部矩管外,线圈两端与匹配器相连,射频功率施加在线圈上,使等离子体炬内部产生以射频频率(13.56MHz)变化的交变电场。电火花点火器向等离子体炬内部提供种电子,种电子被射频电磁场加速,与气体原子/分子发生碰撞,形成感应耦合等离子体。
本装置的三轴数控平台用于放置待抛光晶圆,所述数控平台中内置有有限元分析软件,该有限元分析软件可以根据所述等离子体炬的温度分布计算所述等离子体炬的去除量分布,通过加工路径优化算法补偿等离子体加工误差得到的扫描路径,控制所述待抛光晶圆在所述扫描路径下被形成的所述感应耦合等离子体辐照。具体如下:首先由MATLAB编程计算不同扫描间距对最终加工面型的影响,然后在最优扫描间距条件下比较了不同停驻时间及扫描路径对消除中低频面型误差的影响,最后将最优路径转化为机床运动程序输入到机床控制器中。在数控平台运动过程中,样品随着数控平台的运动接受等离子体的辐照,样品表面材料被等离子体去除,并在沿优化后路径扫描后实现较好的面型精度。
本实施方式中的有限元分析软件将大气压感应耦合等离子体简化为带电磁流体,以实际等离子体激发装置结构尺寸及激发参数建立仿真模型。控制方程为传热方程,流体的质量、动量守恒方程以及麦克斯韦方程的耦合。控制方程如下所示:
其中,Q是热源,T是温度,Cp是热容,k是热导率。
其中,ρ为流体密度,u是速度矢量,p是压力,μ是流体动力粘度,I为特征矩阵,F=j×B是作用在流体上的洛伦兹力。
其中,H为磁场,J为等离子体电流密度,B为磁通量密度,A为磁势矢量,σ为导电率,E为射频电磁场强。
通过改变线圈输入功率与样品到等离子体炬的矩管的工作距离,以及改变等离子体的温度,以晶圆的温度为衡量标准,得到使产物挥发的最佳工作条件,同时使等离子体单点去除函数具有更好的均匀性与稳定性。
由此可见,根据感应耦合等离子体炬的温度分布,计算等离子体炬去除量分布,通过加工路径优化算法补偿等离子体加工误差。优化等离子体炬扫描速率与加工路径,避免了因局部等离子体炬作用时间的差异和因形成晶圆局部区域温度的差异而导致面型精度的降低。
反应气体、冷却气体和激发气体填充在气瓶内,并由流量控制器控制向等离子体炬内输送气体。本实施方式中流量控制器根据气体流场分析的结果控制所述冷却气体、反应气体和激发气体的流量,具体为:基于有限元分析软件,将大气压感应耦合等离子体简化为带电磁流体,以实际等离子体激发装置结构尺寸及激发参数建立仿真模型;所述气体流场分析所采用的控制方程与所述等离子体炬的温度分布分析相同;在所述气体流场分析中,通过改变冷却气体,反应气体与激发气体的配比、以及所述等离子体炬的炬管到样品的工作距离,得到使近晶圆表面的流场以及反应气体流线的均匀分布的条件。反应气体、冷却气体和激发气体输送至等离子体炬管的流量由流量控制器控制,优化后的气体配比在等离子体激发后在样品表面形成较为均匀的流速分布,以实现较为均匀的材料去除。
不难发现,通过气体流场分析,降低气体惯性与扩散对感应耦合等离子体炬均匀性的影响,补偿由于气体扩散而导致的改善等离子体均匀性从而实现大尺寸晶圆的均匀抛光。
上述装置的实施过程如图2所示,具体包括以下步骤:
第一步:取2英寸的单晶氮化镓晶圆,将其固定在底部三轴数控平台的基板的正中间位置,同时沿水平方向上与等离子体炬保有一定距离。开启三轴运动平台,在其操作面板上预先设置好三轴运动平台的运动路径以及运动参数,并保存为数控程序。随后以氮化镓晶圆被加工表面的高度为基准,校正等离子体工作距离,校正后设置等离子体炬与氮化镓晶圆表面的距离为15至18毫米。然后分别打开流量控制器、冷却水箱以及匹配器的电源,分别打开四氟化碳/氧气/氩气气瓶的气阀。
第二步:打开射频电源开关,设置射频电源的功率在800瓦-1000瓦区间内。设置激发用氩气、冷却用氩气、四氟化碳、氧气的流量控制器为合适参数。本实施方式中:激发用氩气的流量为10毫升/分钟,冷却用氩气的流量为60毫升/分钟,四氟化碳的流量30毫升/分钟,氧气的流量为5毫升/分钟。
第三步:打开电火花点火装置,以在炬管内部生成种电子。启动射频电源,以在炬管内部形成高能交变电场。分别打开激发用氩气、冷却用氩气、四氟化碳、氧气的流量控制开关,将上述气体通入炬管中,气体原子/分子从高能电场中吸收能量形成等离子体。当观察到感应耦合等离子体在炬管中生成后,关闭电火花点火装置。等待等离子体在生成后达到稳定(约5秒后),接着缓慢调节射频电源功率至设定值700瓦,在数控三轴平台的操作面板上启动其运动程序,使氮化镓晶圆在设定好的扫描路径下被等离子体辐照。
第四步:氮化镓晶圆表面经等离子体辐照2分钟后,三轴运动平台的运动程序结束,氮化镓晶圆回到初始位置。随后关掉射频电源,关闭所有流量控制开关,停止通入反应气体。在气体排净、晶圆表面冷却后,将氮化镓晶圆从三轴平台的基板上取下。先用酒精超声清洗晶圆表面5分钟,再用超纯水冲洗晶圆表面1分钟,后经氮气气流吹干。随后用扫描电子显微镜、原子力显微镜等仪器对氮化镓晶园进行一系列表征测试。
本实施方式利用大气压感应耦合等离子体的热效应,导致氮化镓晶圆的横向刻蚀速率远大于纵向刻蚀速率,从而使整个晶圆表面均被抛光,其材料去除的原理如图3所示。经本方法加工前后的氮化镓晶圆表面的扫描电子显微镜照片如图4所示,其中(a)为抛光前的氮化镓晶圆表面;(b)为经大气压感应耦合等离子体抛光后的氮化镓晶圆表面,相比于加工前的粗糙表面,加工后的氮化镓晶圆表面变得光滑平整。
值得一提的是,本实施方式中的反应气体还可以使用其他能够在感应耦合等离子体中离解生成氟、氯、氧活性原子的气体(如BCl3,SF6,BCl3,Cl2等)。还可以使用其他具有优良的电离性质,且气相单一,不含有杂质的气体作为激发气体和冷却气体,如氦气,氖气、氮气等。
Claims (8)
1.一种基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,包括等离子体炬、电火花点火器、线圈和数控平台,所述等离子体炬包括三个同轴设置的发生管,其中,外圈的发生管与中间的发生管之间通入冷却气体,中间的发生管与内圈的发生管之间通入有激发气体,内圈的发生管内通入有反应气体;所述线圈绕在所述外圈的发生管外,并与匹配器相连,用于在所述等离子体炬内产生交变电场;所述电火花点火器用于向等离子体炬内部提供种电子以形成感应耦合等离子体,其特征在于,所述数控平台用于放置待抛光晶圆,并根据所述等离子体炬的温度分布计算所述等离子体炬的去除量分布,通过加工路径优化算法补偿等离子体加工误差得到的扫描路径,控制所述待抛光晶圆在所述扫描路径下被形成的所述感应耦合等离子体辐照。
2.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,其特征在于,所述数控平台根据所述等离子体炬的温度分布采用阿伦尼乌斯公式计算所述等离子体炬的去除量分布。
3.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,其特征在于,所述数控平台通过加工路径优化算法补偿等离子体加工误差得到的扫描路径,具体为:所述等离子体炬的单点去除量分布进行叠加,计算不同扫描间距对最终加工面型的影响,并在最优扫描间距条件下比较不同停驻时间及扫描路径对消除中低频面型误差的影响,并从中选出最优扫描路径。
4.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,其特征在于,所述冷却气体、反应气体和激发气体均通过流量控制器送入所述等离子体炬,所述流量控制器根据气体流场分析的结果控制所述冷却气体、反应气体和激发气体的流量,以改善所述等离子体炬内产生的感应耦合等离子体的均匀性。
5.根据权利要求4所述的基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,其特征在于,所述流量控制器根据气体流场分析的结果控制所述冷却气体、反应气体和激发气体的流量,具体为:基于有限元分析软件,将大气压感应耦合等离子体简化为带电磁流体,以实际等离子体激发装置结构尺寸及激发参数建立仿真模型;所述气体流场分析所采用的控制方程与所述等离子体炬的温度分布分析相同;在所述气体流场分析中,通过改变冷却气体,反应气体与激发气体的配比、以及所述等离子体炬的炬管到样品的工作距离,得到使近晶圆表面的流场以及反应气体流线的均匀分布的条件。
6.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,其特征在于,所述线圈为直径六毫米的线圈,并在所述外圈的发生管外绕制三圈。
7.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,其特征在于,所述反应气体为能够离解生成氟、氯、氧活性原子的气体。
8.根据权利要求1所述的基于感应耦合等离子体的晶圆抛光装置,其特征在于,所述激发气体和冷却气体采用同一种气体。
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