CN113134784B - 一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
半导体晶圆无线光电化学机械抛光方法：将晶圆固定在抛光头；抛光垫粘贴在同样直径的抛光盘底；在通孔底壁设置一对正负电极，并入盘顶的两条汇流线，经导电滑环接电源的正负端；加工时，紫外光穿过通孔照射到晶圆；抛光液滴入通孔在其底部形成由晶圆表面、抛光液层和正负电极构成的光电解池，电极与晶圆被抛光垫隔开；施加电压后，光电解池底的晶圆表面处于两极间的电场中，按双极电化学原理被氧化成软质的表面氧化膜；抛光盘/垫与晶圆同向旋转使晶圆所有表面都能在光电化学氧化和机械摩擦步骤间均匀地交替。本发明设计的装置能在常温常压下高效高质地加工以不导电蓝宝石为衬底的氮化镓晶圆等各种半导体晶圆，具有较大的经济意义和推广价值。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法及装置。
背景技术
第三代化合物半导体氮化镓和碳化硅具有热导率好、击穿电场高和电子饱和速率快等特性，适合制作高温、高频及抗辐射大功率器件。从晶圆制造器件需频繁应用抛光工艺，目前主要的技术是化学机械抛光(CMP)，其加工机制是在化学氧化晶圆生成软质表面氧化层的同时，利用抛光垫和磨料的机械摩擦作用去除氧化层。然而，氮化镓和碳化硅与其它半导体不同的是它们的化学性质极端惰性，这使得应用CMP加工这两种晶圆的效率极低。近二十年来，主要的改进方案是寻找更强的化学氧化剂，但即使采用最强的自由基类型化学氧化剂，迄今氮化镓CMP所能达到的最高材料去除速率(MRR)仅为120nm/h(ECS J SolidState Sci2015；4:112-7)。因此，必须寻求可高效氧化氮化镓和碳化硅的新方法，并将之与机械抛光相结合，创新发展第三代半导体晶圆的抛光技术。
实际上，半导体光电化学就是可高效氧化氮化镓和碳化硅的常用手段，具体原理如下：当采用光子能量大于这两种半导体的禁带宽度的紫外光照射时，可将半导体中价带电子激发至导带，在高费米能级的价带产生空穴形成电子-空穴对；外加电场可有效分离电子-空穴对阻止其复合，使自身就具有极强氧化性的空穴聚集在半导体表面；因此，发生在水基溶液中的光电化学无需另外采用强化学氧化剂，仅靠紫外光照和电场的作用就可快速氧化氮化镓和碳化硅。
迄今为止，仅见专利CN106141900A、201710994759.X、2018111537195.8披露了将光电化学与机械抛光相结合实现光电化学机械抛光的方案。专利CN106141900A披露的方法是采用全透明材质、导电的抛光盘作为光电化学的阴极，在加工中紫外光透过抛光盘照射到作为光电化学阳极的晶圆；但这类抛光盘的材料目前尚不存在，此方案难以实际执行。在专利201710994759.X中，我们披露的技术方案是采用直径小于晶圆的抛光盘在加工时始终只抛光一部分晶圆，而紫外光透过抛光液照射到晶圆的其余部分；但紫外光透过毫米厚度抛光液后强度急剧衰减，使光电化学氧化效率不高。随后，在专利2018111537195.8中，我们提出了一个更有效的技术方案。采用直径大于晶圆且具有通孔结构的导电抛光盘作为光电化学阴极，在加工时紫外光透过通孔照射到与盘底抛光垫紧贴的晶圆，抛光盘和晶圆相对运动使得滞留在晶圆表面的抛光液仅有微米厚度，实现了高效的光电化学氧化，但晶圆必须通过导电胶和导线与外加电源直接相连后方可作为光电化学阳极。由于半导体晶圆有两类，一类是各部分都导电的自支撑晶圆，另一类是衬底不导电的外延生长的晶圆，而后者无法直接接入光电化学系统，因此这一技术方案无法加工后者。如何提供一种半导体晶圆光电化学机械抛光的普适性方法，可高效高质加工所有类型的氮化镓、碳化硅晶圆是本领域亟待解决的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法，本发明无需采用导电胶和导线就可将晶圆直接接入光电化学系统，具有普适性，而且不涉及高温高压真空等极端条件，对于实验设备及实验环境无苛刻要求，能够实现高效高质地光电化学机械抛光加工所有类型的氮化镓、碳化硅晶圆。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法，具体步骤如下：
将半导体晶圆固定在抛光头；
将抛光垫粘贴在直径相同的抛光盘底，其中，所述抛光垫和所述抛光盘底具有同样的蜂窝状阵列排布的通孔；
在所述抛光盘每个通孔的底壁设置一对正负电极，所述正负电极对并入设于抛光盘顶的两条汇流线，经导电滑环接电源的正负端；
抛光过程中，紫外光穿过所述通孔辐照射所述晶圆；
抛光过程中，抛光液穿过所述通孔滴在所述晶圆表面形成抛光液层，所述抛光液层和所述正负电极对构成光电解池，所述电极与所述晶圆被抛光垫隔开；
抛光过程中，施加电压后每个光电解池底的晶圆表面被光电化学氧化；
抛光过程中，所述抛光盘或所述抛光垫与所述晶圆同向旋转使晶圆所有表面在光电化学氧化和机械摩擦步骤间均匀地交替。
优选的，所述晶圆是氮化镓或碳化硅晶圆中的一种，直径为50mm～204mm。
优选的，抛光垫和抛光盘均为电绝缘材料制成。
优选的，所述具有相同直径和蜂窝状阵列排布的通孔的抛光垫和抛光盘，直径为20cm～100cm，每个通孔面积为0.07cm2～1cm2。
优选的，所述抛光盘的厚度为2cm～5cm。
优选的，在所述抛光盘每个通孔的底壁都设置一对正负电极，电极材料为铂、钽、钌、铱、铌中的一种或多种形成的合金。
优选的，所述正负电极形状为盘状、线状、片状中的一种或多种组合，电极面积为0.1mm2～10mm2。
优选的，所述正负电极并入汇流线并经导电滑环接电源的正负端，导电连接采用抗紫外线、防水绝缘层包裹的导线。
优选的，光源所发出的紫外光的光强为0.18W/cm2～2W/cm2。
优选的，晶圆紧压在抛光盘底的压强为4psi～8psi。
优选的，抛光液滴入通孔的滴速为50mL/min～120ml/min。
优选的，抛光液的pH值为1～11，电导率为0.1s/m～2s/m。
优选的，施加于每个光电解池的电压值为15V～80V。
优选的，抛光盘/垫与晶圆同向旋转的转速为50rpm～300rpm。
一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置，包括抛光头，半导体晶圆，抛光垫，抛光盘，抛光液喷头，导电滑环，正负电极汇流线，紫外光源，直流电源和抛光液回收槽；其中，所述抛光垫和所述抛光盘具有同样的蜂窝状阵列排布的通孔；所述抛光垫粘贴在所述抛光盘的底部；在所述抛光盘的每个通孔底壁设置一对正负电极，所述正负电极并入设于抛光盘顶的正负电极汇流线，所述正负电极汇流线经所述导电滑环接电源的正负端；所述正负电极与所述半导体晶圆被抛光垫隔开。
优选的，所述半导体晶圆为氮化镓或碳化硅晶圆中的一种；所述半导体晶圆的直径为50mm～204mm。
优选的，所述的抛光垫和抛光盘均为电绝缘材料制成；所述抛光垫和抛光盘具有相同直径和蜂窝状阵列排布的通孔，所述抛光垫和抛光盘的直径为20cm～100cm，所述通孔的面积为0.07cm2～1cm2；所述抛光盘厚度为2cm～5cm。
优选的，所述正负电极的电极材料为铂、钽、钌、铱或铌中的一种或多种形成的合金。
优选的，所述正负电极的形状为盘状、线状或片状中的一种或多种组合，所述电极的面积为0.1mm2～10mm2。
优选的，所述正负电极并入汇流线并经导电滑环接电源的正负端，其中，所述汇流线采用抗紫外防水绝缘层包裹的导线。
本发明的原理是基于双极电化学新原理实现半导体晶圆的光电化学氧化，即：位于正负电极间的晶圆表面虽然只与导电抛光液接触而不与电极接触，但处在施加在两电极间的电场中；当紫外光透过抛光液薄层照射到晶圆产生电子-空穴对时，两电极间的电场使晶圆表面的光生电子-空穴对分离，并驱使电子流向靠近正极的表面，而空穴富集在靠近负极的表面，使这一部分的半导体/抛光液界面发生光电化学氧化。也就是说，尽管半导体表面是连续的未被物理分隔，但其两端同时分别发生光电化学氧化和还原反应，因而被称为双极电化学，有别于传统的电化学，光电化学氧化和还原反应同时分别发生在被物理分隔的正负极，如：在专利2018111537195.8中，整个不锈钢抛光盘作为光电化学阴极，而整个晶圆作为光电化学阳极，两者间被抛光垫物理分隔。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
提供了一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的新方法，无需用导电胶和导线将半导体晶圆直接接入光电化学系统，也不涉及高温高压真空等极端条件，对于实验设备及实验环境无苛刻要求；采用简单的设备和步骤在常温常压下就可实现高效高质地抛光加工各种氮化镓和碳化硅晶圆。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所采用的无线光电化学机械抛光加工装置的示意图；附图中：1.抛光液回收槽，2.抛光头，3.半导体晶圆，4.抛光垫，5.抛光盘，6.正负电极，7.正负电极汇流线，8.紫外光源，9.导电滑环，10.抛光液喷头，11.直流电源。
图2为本发明抛光盘的通孔底部光电化学电解池结构示意图。
图3为是本发明实施例2中所用蓝宝石衬底的氮化镓晶圆光电化学机械抛光后Ga<0001>面的原子力扫描显微图。
图4为本发明实施例3中所用氮化镓自支撑晶圆光电化学机械抛光后Ga<0001>面的原子力扫描显微图。
图5为本发明实施例4中所用碳化硅自支撑晶圆电化学机械抛光后Si<0001>面的原子力扫描显微图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明对抛光加工时间不做限制，以下实施例采用的抛光液的种类均为便于实验，不视为对抛光液的种类进行限制。
实施例1半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置
图1为本发明所提供的半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置的示意图：包括抛光头(2)，半导体晶圆(3)，抛光垫(4)，抛光盘(5)，抛光液喷头(10)，导电滑环(9)，正负电极汇流线(7)，紫外光源(8)，直流电源(11)和抛光液回收槽(1)；其中，所述抛光垫和所述抛光盘具有同样的蜂窝状阵列排布的通孔；所述抛光垫粘贴在所述抛光盘的底部；在所述抛光盘的每个通孔底壁设置一对正负电极(6)，所述正负电极并入设于抛光盘顶的正负电极汇流线，所述正负电极汇流线经所述导电滑环接电源的正负端；所述正负电极与所述半导体晶圆被抛光垫隔开；所述半导体晶圆固定在所述抛光头上；设于抛光盘上方的光源发出的光穿过通孔照射到紧压在盘底的晶圆；在抛光液持续滴入通孔后，同向旋转抛光盘/垫与晶圆，施加电压对晶圆进行光电化学机械抛光加工。
在本发明中，待加工半导体晶圆是氮化镓或碳化硅晶圆中的一种，直径为50mm～204mm，进一步优选为n型氮化镓和n型4H-碳化硅晶圆中的一种，直径为50.8mm。
在本发明中，抛光垫和抛光盘均为电绝缘材料,进一步优选为SUBA800抛光垫，抛光盘为聚四氟乙烯材质。
在本发明中，所述抛光垫和抛光盘均具有相同直径和蜂窝状阵列排布的通孔，所述抛光垫和抛光盘直径为20cm～100cm，每个通孔面积为0.07cm2～1cm2，进一步优选为直径为23cm，每个圆形通孔直径为0.6cm。
在本发明中，抛光盘的厚度为2cm～5cm,进一步优选为厚度为2.3cm。
在本发明中，在抛光盘每个通孔的底壁都设置一对正负电极，电极材料为铂、钽、钌、铱、铌中的一种或多种形成的合金，进一步优选为金属铂。
在本发明中，正负电极形状为盘状、线状或片状中的一种或多种组合，电极面积为0.1mm2～10mm2，进一步优选为线状电极，再一步优选为直径为0.3mm，长度为2mm。
在本发明中，正负电极并入汇流线并经导电滑环接电源的正负端，导电连接采用抗紫外线和防水绝缘层包裹的导线，进一步优选为采用聚四氟乙烯包裹的铜导线，再进一步优选为铜导电直径为0.5mm。
在本发明中，光源所发出的光的波长≤400nm，光强为0.18W/cm2～2W/cm2，进一步优选为波长为365nm，光强为0.2W/cm2～1W/cm2,再进一步优选为氮化镓LED灯发出的光强为0.54W/cm2。
在本发明中，晶圆紧压在抛光盘底的压强为4psi～8psi。进一步优选为6.5psi。
在本发明中，抛光液滴入通孔的滴速为50mL/min～120ml/min，进一步优选为100mL/min。
在本发明中，抛光液的pH值为1～11，电导率为0.1s/m～2s/m,进一步优选为pH值为1.5～10，电导率为0.5s/m～1s/m，再进一步优选为pH为1.5，电导率为0.8s/m。
在本发明中，施加于每个光电解池的电压值为15V～80V，进一步优选为15V～50V。
在本发明中，抛光盘/垫与晶圆同向旋转的转速为50rpm～300rpm，进一步优选为200rpm。
图2为抛光盘通孔底部光电化学电解池结构示意图：两条直径为0.3mm的金属铂丝竖直放置在抛光盘的每个通孔底部并分别固定在所述通孔直径的两端，铂丝端与抛光盘底面一致；用导电胶与包覆聚四氟乙烯的铜导线粘结，再用环氧胶包覆铂丝和导电粘结处，每条铂丝仅暴露2mm丝端；铜导线并入抛光盘顶的汇流线，经导电滑环接入电源的正负端。
实施例2
使用实施例1所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置进行半导体晶圆加工，其中，选用直径为23cm的抛光盘(厚度为2.2cm)和抛光垫(SUBA800)，按斐波拉契阵列排布131个直径为0.6cm的通孔；所用光电化学电解池结构与实施例描述一致。半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法具体步骤如下：用蜡将蓝宝石衬底的非有意掺杂的n型氮化镓晶圆固定在抛光头，晶圆直径为50.8cm，氮化镓厚度为5μm，待加工晶面为Ga<0001>面；固定抛光盘与晶圆之间的压力为6.5psi；将抛光液以100mL/s的滴速持续滴向抛光盘，抛光液pH值为1.5、电导率为0.8s/m，并含有平均直径为25nm的10wt％SiO2磨粒；将电机通电，使抛光盘和固定在抛光头的晶圆都以200rpm的转速同向旋装；打开位于抛光盘上方的波长365nm的LED灯，以0.55W/cm2的光强将紫外光透过通孔照射到晶圆；打开电源，施加45V的直流电压于所有的光电化学电解池，开始抛光加工。加工1小时后，依次关闭电源、LED灯、电机和供液系统；拆下抛光头取出晶圆，依次用除蜡水、乙醇、超纯水清洗后，浸入1wt％HF中3分钟去除SiO2磨粒，再经兆声波超纯水浴5分种后，氮气吹干。采用精度为十万分之一的高精度天平测得加工前后晶圆重量的减少量，从晶圆面积和氮化镓比重计算得加工的材料去除率为600nm/h；原子力扫描显微图(图3所示)显示加工面的表面粗糙度Ra为0.093nm，且具有单晶的台阶结构，证明加工达到了原子量级的超光滑面水平。
实施例3
使用实施例1所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置进行半导体晶圆加工。用蜡将非有意掺杂的n型氮化镓自支撑晶圆固定在抛光头，晶圆直径为50.8cm，氮化镓厚度为230μm，待加工晶面为Ga<0001>面。按图1所采用的加工装置的示意图，将各部件安装在相应位置，固定抛光盘与晶圆之间的压力为6.5psi。将抛光液以80mL/s的滴速持续滴向抛光盘，抛光液pH值为1、电导率为1s/m，并含有平均直径为25nm的10wt％SiO2磨粒；将电机通电，使抛光盘和固定在抛光头的晶圆都以200rpm的转速同向旋装；打开位于抛光盘上方的波长365nm的LED灯，以0.27W/cm2的光强将紫外光透过通孔照射到晶圆；打开电源，施加30V的直流电压于所有的光电化学电解池，开始抛光加工。加工1小时后，依次关闭电源、LED灯、电机和供液系统；拆下抛光头，取出晶圆，依次用除蜡水、乙醇、超纯水清洗后，浸入1wt％HF中3分钟去除SiO2磨粒，再经兆声波超纯水浴5分种后，氮气吹干。采用精度为十万分之一的高精度天平测得加工前后晶圆重量的减少量，从晶圆面积和氮化镓比重计算得加工的材料去除率为620nm/h；原子力扫描显微图(图4)显示加工面的表面粗糙度Ra为0.153nm，且具有单晶的台阶结构，证明加工达到了原子量级的超光滑面水平。
实施例4
使用实施例1所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置进行半导体晶圆加工。用蜡将非有意掺杂的n型碳化硅自支撑晶圆固定在抛光头，晶圆直径为50.8cm，厚度为320μm，待加工晶面为Si<0001>面。按实施例1所述的加工装置将各部件安装在相应位置，固定抛光盘与晶圆之间的压力为7psi。将抛光液以120mL/s的滴速持续滴向抛光盘，抛光液pH值为8.9、电导率为1.1s/m，并含有平均直径为30nm的5wt％CeO2磨粒和5wt％H2O2；将电机通电，使抛光盘和固定在抛光头的晶圆都以200rpm的转速同向旋装；打开位于抛光盘上方的LED灯，以0.2W/cm2的光强将波长365nm的紫外光透过通孔照射到晶圆；打开电源，对每个光电化学电解池都施加30V的直流电压，开始抛光加工。加工1小时后，依次关闭电源、LED灯、电机和供液系统；拆下抛光头，取出晶圆，依次用除蜡水、乙醇、超纯水清洗后，浸入1wt％HF中3分钟去除CeO2磨粒，再经兆声波超纯水浴5分种后，氮气吹干。采用精度为十万分之一的高精度天平测得加工前后晶圆重量的减少量，从晶圆面积和碳化硅比重计算得加工的材料去除率为190nm/h；原子力扫描显微图(图5)显示加工面的表面粗糙度Ra为0.141nm，且具有单晶的台阶结构，证明加工达到了原子量级的超光滑面水平。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将半导体晶圆固定在抛光头；
将抛光垫粘贴在直径相同的抛光盘底，其中，所述抛光垫和所述抛光盘底具有同样的蜂窝状阵列排布的通孔；
在所述抛光盘每个通孔的底壁设置一对正负电极，所述正负电极并入设于抛光盘顶的两条汇流线，经导电滑环接电源的正负端；
抛光过程中，紫外光穿过所述通孔辐照射所述晶圆；
抛光过程中，抛光液穿过所述通孔滴在所述晶圆表面形成抛光液层，所述抛光液层和所述正负电极构成光电解池，所述电极与所述晶圆被抛光垫隔开；
抛光过程中，施加电压后每个光电解池底的晶圆表面被光电化学氧化；
抛光过程中，所述抛光盘或所述抛光垫与所述晶圆同向旋转使晶圆所有表面在光电化学氧化和机械摩擦步骤间均匀地交替。
2.根据权利要求1所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法，其特征在于：所述紫外光的光强为0.18 W/cm2~2 W/cm2。
3.根据权利要求1所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法，其特征在于：所述的抛光液滴入通孔的滴速为50 mL/min~120 ml/min；所述抛光液的pH值为1~11，电导率为0.1 s/m~2 s/m。
4.根据权利要求1所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法，其特征在于：所述的施加于每个光电解池的电压为15 V~80 V。
5.一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置，其特征在于，包括抛光头，半导体晶圆，抛光垫，抛光盘，抛光液喷头，导电滑环，正负电极汇流线，紫外光源，直流电源和抛光液回收槽；其中，所述抛光垫和所述抛光盘具有同样的蜂窝状阵列排布的通孔；所述抛光垫粘贴在所述抛光盘的底部；在所述抛光盘的每个通孔底壁设置一对正负电极，所述正负电极并入设于抛光盘顶的正负电极汇流线，所述正负电极汇流线经所述导电滑环接电源的正负端；所述正负电极与所述半导体晶圆被抛光垫隔开。
6.根据权利要求5所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置，其特征在于：所述半导体晶圆为氮化镓或碳化硅晶圆中的一种；所述半导体晶圆的直径为50 mm~204 mm。
7.根据权利要求5所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置，其特征在于：所述的抛光垫和抛光盘均为电绝缘材料制成；所述抛光垫和抛光盘具有相同直径和蜂窝状阵列排布的通孔，所述抛光垫和抛光盘的直径为20 cm~100 cm，所述通孔的面积为0.07 cm2~1cm2；所述抛光盘厚度为2 cm~5 cm。
8.根据权利要求5所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置，其特征在于：所述正负电极的电极材料为铂、钽、钌、铱或铌中的一种或多种形成的合金。
9.根据权利要求5所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光装置，其特征在于：所述正负电极的形状为盘状、线状或片状中的一种或多种组合，所述电极的面积为0.1 mm2~10mm2。
10.根据权利要求5所述的半导体晶圆无线光电化学机械抛光的装置，其特征在于：所述正负电极并入汇流线并经导电滑环接电源的正负端，其中，所述汇流线采用抗紫外防水绝缘层包裹的导线。
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