CN113231958A - 一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法。本发明采用含有铁磁性颗粒的化学机械抛光液，并在基材待抛光表面的上下两侧分别设置覆盖抛光表面区域的周期性的交替磁场，通过非接触的电磁感应方式作用于抛光液内的铁磁性颗粒，使铁磁性颗粒产生高频振动，同时带动抛光液中的磨料作用于抛光表面。本发明解决了现有的机械接触式超声振动辅助化学机械抛光方法中存在的一些技术问题，如超声波振动需要通过机械接触传导到抛光表面、结构复杂、振动传导效率低，且需要进行机械结构振动模态匹配等工作。

Description

一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法。
背景技术
表面精密抛光是半导体技术的重要关键环节，是现代高科技产业和科学技术的发展的一个重要基础。化学机械抛光是近年来集成电路制造中发展迅速的获得全局平坦化的一种手段，半导体器件表面通过化学机械抛光，能够获得既平坦又无划痕和杂质玷污的表面。化学机械抛光属于化学作用和机械作用相结合的技术，避免了由单纯机械抛光容易造成抛光表面损伤以及由单纯化学抛光易造成抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。化学机械抛光首先利用工件表面材料与抛光液中的氧化剂、催化剂等发生化学反应，生成一层相对容易去除的软质层，然后在抛光液中的磨料和抛光垫的机械作用下去除软质层，使工件表面重新裸露出来，通过借助于化学作用和机械作用的交替过程，在被抛光的工件表面形成光洁表面。专利公开号为CN111531450A的发明专利公开了一种带断屑槽硬质合金刀片化学机械抛光设备，包括通用装置、Z向精密滑台、毛刷装置、振动电机、刀片夹具和抛光液供给装置，该发明通过电机转动控制与加工刀片相接触的毛刷装置产生高频振动，刷毛在待加工刀片表面形成不规则的相对运动，抛光液供给装置工作供给抛光液，利用抛光液的化学腐蚀与毛刷对带断屑槽硬质合金刀片的机械磨损实现抛光过程，但是该方法中机械振动的毛刷与待抛光表面直接接触，容易受外界环境干扰，难以保证稳定的振动频率和振动幅度，对具有较高精密度和平坦化要求的基材表面难以实现精密抛光，需要进一步提高抛光质量。
为了提高化学机械抛光的效率和质量，可以将超声波振动导入到抛光过程中。目前现有的化学机械抛光技术主要使用机械接触的方式将超声波导入机械化学抛光的基片载体或旋转平台上，该方法需要对振动频率与机械结构之间进行复杂的匹配，而当外界条件变化时，很有可能会引起共振频率的改变，很难保证振子始终处于良好的共振模态下工作。专利公开号为CN104942662A的发明专利公开了一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，将抛光夹具竖直端通过变幅杆连接在与超声波发生器相连的超声波换能器上，通过超声振动辅助光纤阵列端面进行抛光，该装置需要将超声波换能器和抛光装置的机械结构以及共振频率之间进行复杂的匹配，抛光精度和工作稳定性不好，成本较高。目前也存在导入超声波进行化学机械抛光的方法，主要通过液态耦合剂将超声波振动导入到化学机械抛光的基片载体或者旋转平台上，但是这种情况下超声波发生装置只能处于待抛光基片的一侧，难以实现超声波振动的均匀化，进而影响抛光质量。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，采用含有铁磁性颗粒的化学机械抛光液，并在抛光表面处施加超声频率的交替磁场，使抛光表面处的化学机械抛光液内部产生超声波频率的机械振动，从而使超声波作用脱离机械接触传导的局限，实现振动的灵活性和均匀性，提高抛光效率，改善抛光质量。本发明解决了现有的机械接触式超声振动辅助化学机械抛光方法中存在的一些技术问题，如借助超声波振动辅助抛光时，通过机械接触传导至抛光表面，需要对振动频率与机械结构之间进行复杂的匹配，振动传导效率低，难以保证共振模式的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，包括以下步骤：
将待抛光的基材固定于抛光机的基材载体上，基材的待抛光表面与抛光平台相对设置，抛光平台上设置抛光垫，于抛光垫上供给抛光液，使基材相对于抛光平台位移以使得基材的待抛光表面与供给有抛光液的抛光垫相互接触，以对基材的待抛光表面进行抛光；
还包括以下步骤：
在基材的上方与下方之一位置处施加第一交替磁场，另一位置处施加第二交替磁场；
所述第一交替磁场与第二交替磁场为周期性磁场，两者的周期相同；在每一周期内，第一交替磁场与第二交替磁场均包括t1时域和t2时域，在t1时域内第一交替磁场的磁场强度H11>0而第二交替磁场的磁场强度H21＝0，在t2时域内第二交替磁场的磁场强度H22>0而第一交替磁场的磁场强度H12＝0，第一交替磁场与第二交替磁场形成交替变换的交替磁场；
所述抛光液中添加有铁磁性颗粒，形成均匀分散的混合抛光液；
所述铁磁性颗粒在上述交替磁场内受第一交替磁场或第二交替磁场的磁力作用而向上或向下位移，以使混合抛光液在基材的待抛光表面与抛光垫之间发生往复位移，形成超声波频率的振动，在对基材的待抛光表面化学抛光的同时进行机械抛光。
本发明提供的另一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，包括以下步骤：
将待抛光的基材固定于抛光机的基材载体上，基材的待抛光表面与抛光平台相对设置，抛光平台上设置抛光垫，于抛光垫上供给抛光液，使基材相对于抛光平台位移以使得基材的待抛光表面与供给有抛光液的抛光垫相互接触，以对基材的待抛光表面进行抛光；
还包括以下步骤：
在基材的上方与下方之一位置处施加第一交替磁场，另一位置处施加第二交替磁场；
所述第一交替磁场与第二交替磁场为周期性磁场，两者的周期相同；在每一周期内，第一交替磁场与第二交替磁场均包括t1时域和t2时域，在t1时域内第一交替磁场具有磁场强度H11、第二交替磁场具有磁场强度H12，在t2时域内第二交替磁场具有磁场强度H21、第一交替磁场具有磁场强度H22，并且，H11≥2*H12>0，H22≥2*H21>0，第一交替磁场与第二交替磁场形成交替变换的交替磁场；
所述抛光液中添加有铁磁性颗粒，形成均匀分散的混合抛光液；
所述铁磁性颗粒在上述交替磁场内受第一交替磁场或第二交替磁场的磁力作用而向上或向下位移，以使混合抛光液在基材的待抛光表面与抛光垫之间发生往复位移，形成超声波频率的振动，在对基材的待抛光表面化学抛光的同时进行机械抛光。
进一步地，在每一周期内，第一交替磁场与第二交替磁场还包括t3时域或t4时域，t3时域位于该周期内的t1时域与t2时域之间，t4时域位于该周期的t2时域与下一周期的t1时域之间；在t3时域或t4时域内，第一交替磁场与第二交替磁场的磁场强度为0、相等或小于t1时域与t2时域内的磁场强度。
进一步地，交替磁场的波形为方形波、正弦波、三角波或其组合，或者任意能够产生磁场强度的波形均可，t1时域与t2时域的磁场强度H11与H22相等或不等。
进一步地，交替磁场的波形为方形波、正弦波、三角波或其组合，或者任意能够产生磁场强度的波形均可，t1时域与t2时域的磁场强度H12与H21相等或不等。
进一步地，所述交替磁场由电磁线圈产生，包括第一电磁线圈和第二电磁线圈，第一电磁线圈设置于基材上方，第二电磁线圈设置于抛光平台下方。
进一步地，所述电磁线圈包括绝缘内芯以及螺旋缠绕在绝缘内芯外部并连通电源的导线，第一电磁线圈固定设置在距离基材载体1～5mm的上方位置，第二电磁线圈固定设置在距离抛光平台1～5mm的下方位置。
所述第一电磁线圈和第二电磁线圈为环状电磁感应线圈，由同一电源控制或者由不同电源单独控制。优选地，所述第一电磁线圈与所述基材的待抛光表面之间的距离控制在20～80mm，所述第二电磁线圈与所述基材的待抛光表面之间的距离控制在30～80mm。
进一步地，所述电磁线圈输出的电流为脉冲电流，输出的脉冲电流的占空比为0.01～0.5，交变电流频率为20～400kHz，所形成的中心磁场强度为0.1～5A/m。
进一步地，所述抛光平台包括可旋转设置的旋转平台，旋转平台绕旋转轴旋转且与基材进行相对位移，在垂直于旋转平台的方向对基材载体施加一定压力，基材的待抛光表面与供给有抛光液的抛光垫接触，对基材的待抛光表面进行抛光。
进一步地，所述基材载体可旋转地设置，以使设置在基材载体上的基材与旋转平台之间进行相对位移。
进一步地，所述基材载体的旋转速度控制在30～200r/min，旋转平台的旋转速度控制在30～200r/min，基材载体单位面积承受的压力控制在5～30kPa。
进一步地，所述铁磁性颗粒选自铁、钴、镍以及铁的氧化物、钴的氧化物和镍的氧化物中的任意一种或多种。所述铁磁性颗粒也可以是经过其他磁性氧化物修饰的微纳颗粒，所述铁磁性颗粒需要提前经过抗团聚处理。
进一步地，所述混合抛光液中铁磁性颗粒的重量百分比为0.001～2％，所述铁磁性颗粒的平均直径为5～100nm。
进一步地，所述抛光液的组分包括磨料、氧化剂和碱性缓冲液；所述磨料选自二氧化硅，粒径为5～500nm；所述氧化剂选自过氧化氢、过硫酸盐、高碘酸盐、高锰酸盐和重铬酸盐中的任意一种或几种。优选地，所述氧化剂选用重铬酸胺。
进一步地，所述混合抛光液是通过以下步骤制备的：
(1)将磨料分散在去离子水中，添加活性剂、FA/O螯合剂和胺碱制备磨料分散液；
(2)在所述磨料分散液中加入碱性缓冲液将溶液的pH值调至9～11，使用球磨机继续分散，再加入氧化剂，配制成抛光液；
(3)将上述抛光液与铁磁性颗粒混合搅拌，再经超声波分散，即得到铁磁性颗粒分散均匀的所述混合抛光液；
所述磨料分散液按质量百分比的组成为：硅溶胶70～97.5％、活性剂0.5～5％、FA/O螯合剂0.1～3％、胺碱2～10％；所述硅溶胶的粒径为5～500nm，莫氏硬度为7，所述硅溶胶中二氧化硅的质量百分比为1～30％；所述抛光液中氧化剂的质量百分比为0.1～2％。
所述活性剂采用FA/OⅠ型表面活性剂，所述FA/O螯合剂采用乙二胺四乙酸，所述胺碱为羟乙基乙二胺、三乙醇胺和四甲氢氧化铵中的任意一种；所述碱性缓冲液为由碳酸钠和碳酸氢钠组成的pH缓冲液，其中碳酸钠和碳酸氢钠的质量比为1：9～9：1。
本发明中采用的抛光液的组分还包括表面活性剂、缓蚀剂、消泡剂、光亮剂、粘度调节剂或聚合物分散剂。
其中，所述表面活性剂采用十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、吐温20、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇和甘油中的任意一种或多种。
所述缓蚀剂采用无机缓蚀剂或有机缓蚀剂。所述无机缓蚀剂为亚硝酸钠和/或五水硫酸铜，有机缓蚀剂为苯甲酸单乙醇胺、六亚甲基四胺、二邻甲苯硫脲、六次甲基四胺、聚天冬氨酸、苯丙三唑、尿素、含有唑基和酮基的缓蚀剂中的任意一种或多种。
所述光亮剂是水杨酸、磺基水杨酸、丙炔醇、苯甲酸、纤维素醚、明胶、糖精、磺酸和葡萄糖中的任意一种或多种。
所述粘度调节剂选自甘油、聚乙二醇、明胶和骨胶中的任意一种或多种。
所述分散剂采用无机分散剂或有机分散剂。所述无机分散剂为六偏磷酸钠。有机分散剂为小分子有机分散剂或聚合物基分散剂。其中，所述小分子有机分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠和椰油酸二乙醇酰胺中的任意一种或多种；所述聚合物基分散剂为聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚乙二醇4000、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸盐、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸盐、聚马来酸、聚马来酸盐、聚马来酸、聚马来酸盐、丙烯酸共聚物、丙烯酸盐共聚物、聚天冬酸和聚天冬酸盐中任意一种或多种。
本发明中所述基材载体和旋转平台均由高分子聚合物或玻璃材料制成。在混合抛光液和交替磁场的作用下，基材抛光处理时间为5～50分钟。
本发明混合抛光液的制备过程具体为：先采用高速搅拌器将抛光液与铁磁性颗粒进行混合分散，转速控制在1000～100000r/min；再使用超声波分散设备对其进行超声波分散处理10～1000s，功率密度为20～2000W/kg；再在0.001～0.08MPa的气压条件下使用真空脱泡机进行脱泡处理1～10000s，得到铁磁性颗粒分散均匀的所述混合抛光液。
与现有的机械抛光方法相比，本发明提供的非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法具有以下有益效果：
(1)本发明采用含有铁磁性颗粒的化学机械抛光液，并在基材的上方和下方分别施加交替磁场，两磁场均为周期性磁场且周期相同，在相同周期时域内通过改变上下两个磁场的强度大小来形成交替的磁场，通过非接触的电磁感应方式，铁磁性颗粒在磁力作用下于抛光表面与抛光垫之间发生往复位移，形成超声波频率的高频振动，同时带动抛光液中的磨料作用于抛光表面，达到高质量的抛光效果。本发明的抛光方法避免了传统的机械耦合传递振动时需要进行复杂的频率匹配耦合，具有较强的灵活性和适应性，具有较好的振动分布均匀性，拓展了磁致超声振动的应用范围。本发明通过周期性的交替磁场作用于铁磁性颗粒在带抛光表面产生超声频率的振动，不仅提高了抛光液中磨料颗粒对基材的磨削作用，而且超声波在液体中具有空化现象，空化产生的微气泡溃缩时会对基材表面会产生冲击，铁磁性颗粒超声波频率的周期性振动也会使基材表面生成的软化层的疏松程度增强，进而提高抛光效果，本发明能够将基材待抛光表面的粗糙度降低一倍以上，显著改善抛光表面的质量。
(2)本发明提供的化学机械抛光方法抛光效率高，抛光后基材表面粗糙度低，抛光精密度高，并且节能环保，加工装置简单，操作方便，加工方法易实现；电磁线圈与化学机械抛光工具相互独立，振动加载到抛光表面处的抛光液中，抛光工具磨损后可独立更换。
(3)本发明采用的抛光液的pH稳定性优于常规的抛光液，在制备过程中加入pH缓冲液起到稳定pH值和磨料表面改性剂的作用，提高了该抛光液在进行化学机械抛光过程中的pH值稳定性以及分散均匀性，使得抛光液中的磨料不容易出现团聚现象。本发明的抛光液黏度低，对分散其中的铁磁性颗粒和磨料的束缚力较小，有助于增强铁磁性颗粒的振动频率和振动强度，进而提高抛光效果。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的化学机械抛光方法所使用的装置示意图；
图2是本发明第一电磁线圈和第二电磁线圈中的第一种电流相位示意图；
图3是本发明第一电磁线圈和第二电磁线圈中的第二种电流相位示意图；
图4是本发明第一电磁线圈和第二电磁线圈中的第三种电流相位示意图；
图5是本发明第一电磁线圈和第二电磁线圈中的第四种电流相位示意图。
图中：1、抛光液供给装置；2、混合抛光液；3、抛光垫；4、第一旋转轴；5、抛光平台；6、基材；7、基材载体；8、第二旋转轴；9、第一电磁线圈；10、第二电磁线圈。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步详细说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法所使用的抛光装置如图1所示。待抛光的基材6固定设置在抛光装置的基材载体7上，基材6的待抛光表面与抛光平台5相对设置，抛光平台5上设置抛光垫3，抛光液供给装置1供给混合抛光液2于抛光垫3上。抛光平台5采用可旋转设置的旋转平台，旋转平台可绕第一旋转轴4旋转，基材载体7可绕第二旋转轴8旋转，从而设置在基材载7上的基材6与旋转平台之间能够发生相对位移。基材6的上方设置第一电磁线圈9，抛光平台下方设置第二电磁线圈10，第一电磁线圈9和第二电磁线圈10由同一电源控制且线圈内输出的电流为脉冲电流。
本发明提供的抛光方法的具体步骤如下：
(1)制备混合抛光液：将铁磁性颗粒与抛光液混合，再对其进行超声波分散和脱泡处理，即得到铁磁性颗粒分散均匀的化学机械抛光液；
(2)将待抛光的基材6固定于抛光机的基材载体7上，基材6的待抛光表面与抛光平台5相对设置，抛光液供给装置1供给混合抛光液2于抛光垫3上。抛光平台5绕第一旋转轴4旋转，基材载体7绕第二旋转轴8旋转，从而使基材6与抛光平台5之间能够发生相对位移。在垂直于抛光平台5的方向上对基材载体7施加一定压力，基材6的待抛光表面与供给有混合抛光液2的抛光垫3相互接触。
(3)将第一电磁线圈9和第二电磁线圈10接通电源，基材的待抛光表面位于两个电磁线圈所产生的相应的交替磁场区域内，基材的待抛光表面的抛光液中的铁磁性颗粒受两个交替磁场的磁力作用而向上或向下运动，使得混合抛光液2在基材6的待抛光表面与抛光垫3之间发生往复位移，形成超声波频率的振动，从而对基材6的待抛光表面化学抛光的同时进行机械抛光，抛光处理5～50分钟后切断电源。
本发明中第一电磁线圈和第二电磁线圈中分别产生第一交替磁场和第二交替磁场，两个交替磁场的电磁波的波形课可以是方形波、正弦波、三角波或其组合。其中，第一交替磁场和第二交替磁场均为周期性磁场，在每一磁场周期内，第一交替磁场与第二交替磁场均包括t1时域和t2时域，t1时域与t2时域的磁场强度相等或不等。
本发明中第一电磁线圈和第二电磁线圈中的交替磁场变化包括以下情况：
(1)在每一磁场周期内，在t1时域内第一交替磁场的磁场强度H11>0而第二交替磁场的磁场强度H21＝0，在t2时域内第二交替磁场的磁场强度H22>0而第一交替磁场的磁场强度H12＝0。相对应地，第一电磁线圈和第二电磁线圈内的电流相位变化如图2(方形波)和图3(正弦波)所示。
(2)在每一磁场周期内，第一交替磁场与第二交替磁场均包括t1时域和t2时域，在t1时域内第一交替磁场具有磁场强度H11、第二交替磁场具有磁场强度H12，在t2时域内第二交替磁场具有磁场强度H21、第一交替磁场具有磁场强度H22，并且，H11＝2*H12>0，H22＝2*H21>0。相对应地，第一电磁线圈和第二电磁线圈内的电流相位变化如图4(方形波)所示。
(3)在每一周期内，第一交替磁场与第二交替磁场均包括t1时域、t2时域、t3时域和t4时域，t3时域位于该周期内的t1时域与t2时域之间，t4时域位于该周期的t2时域与下一周期的t1时域之间；在t3时域或t4时域内，第一交替磁场与第二交替磁场的磁场强度为0。相对应地，第一电磁线圈和第二电磁线圈内的电流相位变化如图5(正弦波)所示。
本发明提供的非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法中对所用的抛光液没有严格限制，可采用市面上常规的抛光液，也可采用本发明提供的具有优异pH稳定性的抛光液，利用本发明的抛光方法都能够提高对基材的抛光效果，改善抛光表面质量。
本发明提供的具有优异pH稳定性的抛光液的制备过程如下：
将二氧化硅粉分散在去离子水中制得硅溶胶，再添加活性剂、FA/O螯合剂和胺碱制备磨料分散液；加入碱性缓冲液将溶液的pH值调至9～11，使用球磨机继续分散，再加入氧化剂，即配制成抛光液。
实施例1
本实施例采用的实验材料如下：
铁磁性颗粒：由中科雷鸣(北京)科技有限公司生产的经柠檬酸三钠修饰的Fe3O4微球(平均直径为7nm)；
抛光液：由安集微电子科技(上海)股份有限公司生产高选择比硅粗抛的抛光液；
基材：采用直径为25.4mm，表面粗糙度为0.5μm的单晶硅片；
基材载体：由ABS工程塑料制成，其直径为100mm，厚度为8mm；
第一电磁线圈和第二电磁线圈：均为内径10mm，外径100mm的电磁线圈。
本实施例采用的化学机械抛光的步骤具体如下：
(1)将重量百分比为0.7％的经柠檬酸三钠修饰的Fe3O4磁性微球混入抛光液中，并将含有Fe3O4磁性微球的混合抛光液在超声波分散机中以20W/kg的功率密度进行超声波分散处理5分钟；
(2)将制备的混合抛光液加入抛光液供给装置中，将单晶硅片装夹在基材载体上，开启抛光液供给装置将混合抛光液通过滴加在抛光垫上作用于抛光表面，以100r/min的速度旋转基材载体，以100r/min的速度使旋转平台旋转，对基材载体单位面积施加的压力为10kPa；
(3)将第一电磁线圈和第二电磁线圈分别置于基材载体上方和旋转平台的下方，第一电磁线圈与单晶硅片待抛光面之间的距离为20mm，第二电磁线圈与单晶硅片待抛光面之间的距离为30mm，所使用的交变电流频率为80kHz，所形成的中心磁场强度为2A/m，输出的脉冲电流的占空比为0.25。
(4)在混合抛光液和交替磁场的作用下进行抛光处理50分钟，抛光结束后切断电源。
经测试，采用本实施例抛光方法制得的硅片表面粗糙度为1.9nm。
实施例2
本实施例采用的实验材料如下：
铁磁性颗粒：由中科雷鸣(北京)科技有限公司生产的经柠檬酸三钠修饰的Fe3O4微球(平均直径为30nm)；
抛光液：由安集微电子科技(上海)股份有限公司生产高选择比硅粗抛的抛光液；
基材：采用直径为25.4mm，表面粗糙度为0.5μm的单晶硅片；
基材载体：由ABS工程塑料制成，其直径为100mm，厚度为8mm；
第一电磁线圈和第二电磁线圈：均为内径10mm，外径100mm的电磁线圈。
本实施例采用的化学机械抛光的步骤具体如下：
(1)将重量百分比为1.0％的经柠檬酸三钠修饰的Fe3O4磁性微球混入抛光液中，并将含有Fe3O4磁性微球的混合抛光液在超声波分散机中以20W/kg的功率密度进行超声波分散处理5分钟；
(2)将制备的混合抛光液加入抛光液供给装置中，将单晶硅片装夹在基材载体上，开启抛光液供给装置将混合抛光液通过滴加在抛光垫上作用于抛光表面，以100r/min的速度旋转基材载体，以100r/min的速度使旋转平台旋转，对基材载体单位面积施加的压力为10kPa；
(3)将第一电磁线圈和第二电磁线圈分别置于基材载体上方和旋转平台的下方，第一电磁线圈与单晶硅片待抛光面之间的距离为20mm，第二电磁线圈与单晶硅片待抛光面之间的距离为30mm，所使用的交变电流频率为80kHz，所形成的中心磁场强度为2A/m，输出的脉冲电流的占空比为0.25。
(4)在混合抛光液和交替磁场的作用下进行抛光处理30分钟，抛光结束后切断电源。
经测试，采用本实施例抛光方法制得的硅片表面粗糙度为1.5nm。
实施例3
本实施例采用的实验材料如下：
铁磁性颗粒：上海超威纳米科技有限公司的纳米镍粉(平均直径为40nm)；
抛光液：采用本发明自制的高pH稳定性的抛光液，其组分包括磨料二氧化硅、氧化剂重铬酸胺、碳酸钠和碳酸氢钠组成的pH缓冲液。
基材：采用直径为25.4mm，表面粗糙度为300nm的单晶磷化铟片；
基材载体：由ABS工程塑料制成，其直径为100mm，厚度为8mm；
第一电磁线圈和第二电磁线圈：均为内径10mm，外径100mm的电磁线圈。
本实施例采用的化学机械抛光的步骤具体如下：
(1)制备磨料分散液：磨料分散液按质量百分比的组成为：硅溶胶90％(硅溶胶的粒径为50nm，莫氏硬度为7，其中二氧化硅的质量百分比为10％)、FA/OⅠ型表面活性剂3％、乙二胺四乙酸2％、三乙醇胺5％；将2g二氧化硅分散在去离子水中制得硅溶胶，在硅溶胶中添加活性剂、FA/O螯合剂和胺碱充分混合，制得磨料分散液；
(2)在上述磨料分散液中加入碳酸钠-碳酸氢钠的重量比为1：6的pH缓冲液，将溶液的pH值调至9～10，使用球磨机继续分散；
(3)加入重量百分比为0.5％的重铬酸胺，配制成抛光液；
(4)将重量百分比为0.7％的纳米镍粉混入抛光液中，并将含有纳米镍粉的混合抛光液在超声波分散机中以20W/kg的功率密度进行超声波分散处理10分钟；
(5)将制备的混合抛光液加入抛光液供给装置中，将单晶磷化铟片装夹在基材载体上，开启抛光液供给装置将混合抛光液通过滴加在抛光垫上作用于抛光表面，以70r/min的速度旋转基材载体，以80r/min的速度使旋转平台旋转，对基材载体单位面积施加的压力为15kPa；
(6)将第一电磁线圈和第二电磁线圈分别置于基材载体上方和旋转平台的下方，第一电磁线圈与单晶磷化铟片待抛光面之间的距离为35mm，第二电磁线圈与单晶磷化铟片待抛光面之间的间隙为60mm，所使用的交变电流频率为80kHz，所形成的中心磁场强度为0.8A/m，输出的脉冲电流的占空比为0.3；
(7)在混合抛光液和交替磁场的作用下进行抛光处理20分钟，抛光结束后切断电源。
经测试，采用本实施例抛光方法制得的单晶磷化铟片表面粗糙度为1.7nm。
实施例4
本实施例采用的实验材料如下：
铁磁性颗粒：江苏先丰纳米材料科技有限公司提供的纳米四氧化三钴(平均直径为30nm)；
抛光液：采用本发明自制的高pH稳定性的抛光液，其组分包括磨料二氧化硅、氧化剂重铬酸胺、碳酸钠和碳酸氢钠组成的pH缓冲液。
基材：采用直径为25.4mm，表面粗糙度为120nm的单晶硅片；
基材载体：由ABS工程塑料制成，其直径为100mm，厚度为8mm；
第一电磁线圈和第二电磁线圈：均为内径10mm，外径100mm的电磁线圈。
本实施例采用的化学机械抛光的步骤具体如下：
(1)制备磨料分散液：磨料分散液按质量百分比的组成为：硅溶胶88％(硅溶胶的粒径为50nm，莫氏硬度为7，其中二氧化硅的质量百分比为30％)、FA/OⅠ型表面活性剂3％、乙二胺四乙酸2％、三乙醇胺5％；将2g二氧化硅分散在去离子水中制得硅溶胶，在硅溶胶中添加活性剂、FA/O螯合剂和胺碱充分混合，制得磨料分散液；
(2)在上述磨料分散液中加入碳酸钠-碳酸氢钠的重量比为3：1的pH缓冲液，将溶液的pH值调至10～11，使用球磨机继续分散；
(3)加入重量百分比为0.5％的重铬酸胺，配制成抛光液；
(4)将重量百分比为1％的四氧化三钴微球混入抛光液中，并将含有四氧化三钴的混合抛光液在超声波分散机中以20W/kg的功率密度进行超声波分散处理10分钟；
(5)将制备的混合抛光液加入抛光液供给装置中，将单晶硅片装夹在基材载体上，开启抛光液供给装置将混合抛光液通过滴加在抛光垫上作用于抛光表面，以150r/min的速度旋转基材载体，以140r/min的速度使旋转平台旋转，对基材载体单位面积施加的压力为20kPa；
(6)将第一电磁线圈和第二电磁线圈分别置于基材载体上方和旋转平台的下方，第一电磁线圈与单晶硅片待抛光面之间的距离为55mm，第二电磁线圈与单晶硅片待抛光面之间的间隙为70mm，所使用的交变电流频率为20kHz，所形成的中心磁场强度为3A/m，输出的脉冲电流的占空比为0.4；
(7)在混合抛光液和交替磁场的作用下进行抛光处理40分钟，抛光结束后切断电源。
经测试，采用本实施例抛光方法制得的硅片表面粗糙度为0.8nm。
实施例5
本实施例采用的实验材料如下：
铁磁性颗粒：江苏先丰纳米材料科技有限公司提供的纳米四氧化三钴(平均直径为10nm)；
抛光液：由安集微电子科技(上海)股份有限公司生产高选择比硅粗抛的抛光液；
基材：采用直径为25.4mm，表面粗糙度为120nm的单晶硅片；
基材载体：由ABS工程塑料制成，其直径为100mm，厚度为8mm；
第一电磁线圈和第二电磁线圈：均为内径10mm，外径100mm的电磁线圈。
本实施例采用的化学机械抛光的步骤具体如下：
(1)将重量百分比为0.9％的四氧化三钴磁性微球混入抛光液中，并将含有该磁性微球的混合抛光液在超声波分散机中以15W/kg的功率密度进行超声波分散处理5分钟；
(2)将制备的混合抛光液加入抛光液供给装置中，将单晶硅片装夹在基材载体上，开启抛光液供给装置将混合抛光液通过滴加在抛光垫上作用于抛光表面，以100r/min的速度旋转基材载体，以100r/min的速度使旋转平台旋转，对基材载体单位面积施加的压力为10kPa；
(3)将第一电磁线圈和第二电磁线圈分别置于基材载体上方和旋转平台的下方，第一电磁线圈与单晶硅片待抛光面之间的距离为60mm，第二电磁线圈与单晶硅片待抛光面之间的间隙为80mm，所使用的交变电流频率为80kHz，所形成的中心磁场强度为3A/m，输出的脉冲电流的占空比为0.4。
(4)在混合抛光液和交替磁场的作用下进行抛光处理50分钟，抛光结束后切断电源。
经测试，采用本实施例抛光方法制得的硅片表面粗糙度为0.7nm。
对比例
对比例采用的实验材料如下：
抛光液：采用安集微电子科技(上海)股份有限公司生产的高选择比硅粗抛的抛光液；
基材：采用直径为25.4mm，表面粗糙度为120nm的单晶硅片；
基材载体：由ABS工程塑料制成，其直径为100mm，厚度为8mm。
本对比例采用的化学机械抛光的步骤具体如下：
将抛光液加入抛光液供给装置中，将单晶硅片装夹在基材载体上，开启抛光液供给装置将抛光液通过滴加在抛光垫上作用于抛光表面，以100r/min的速度旋转基材载体，以100r/min的速度使旋转平台旋转，对基材载体施加的压力为10kPa，进行抛光处理50分钟，抛光结束后切断电源。
经测试，采用本对比例抛光方法制得的硅片表面粗糙度为3.4nm。
可见，本发明提供的非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，在抛光表面处施加超声频率的交替磁场，作用于抛光表面处的抛光液中的铁磁性颗粒，使其在抛光液内部产生超声波频率的机械振动，在化学抛光和超声频率机械振动的共同作用下对基材进行表面抛光，实现了抛光振动的灵活性和均匀性，提高了抛光效率，改善了基材表面的抛光质量。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，包括以下步骤：
将待抛光的基材固定于抛光机的基材载体上，基材的待抛光表面与抛光平台相对设置，抛光平台上设置抛光垫，于抛光垫上供给抛光液，使基材相对于抛光平台位移以使得基材的待抛光表面与供给有抛光液的抛光垫相互接触，以对基材的待抛光表面进行抛光；
其特征在于，还包括：
在基材的上方与下方之一位置处施加第一交替磁场，另一位置处施加第二交替磁场；
所述第一交替磁场与第二交替磁场为周期性磁场，两者的周期相同；在每一周期内，第一交替磁场与第二交替磁场均包括t1时域和t2时域，在t1时域内第一交替磁场的磁场强度H11>0而第二交替磁场的磁场强度H21＝0，在t2时域内第二交替磁场的磁场强度H22>0而第一交替磁场的磁场强度H12＝0，第一交替磁场与第二交替磁场形成交替变换的交替磁场；
所述抛光液中添加有铁磁性颗粒，形成均匀分散的混合抛光液；
所述铁磁性颗粒在上述交替磁场内受第一交替磁场或第二交替磁场的磁力作用而向上或向下位移，以使混合抛光液在基材的待抛光表面与抛光垫之间发生往复位移，形成超声波频率的振动，在对基材的待抛光表面化学抛光的同时进行机械抛光。
2.一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，包括以下步骤：
将待抛光的基材固定于抛光机的基材载体上，基材的待抛光表面与抛光平台相对设置，抛光平台上设置抛光垫，于抛光垫上供给抛光液，使基材相对于抛光平台位移以使得基材的待抛光表面与供给有抛光液的抛光垫相互接触，以对基材的待抛光表面进行抛光；
其特征在于，还包括：
在基材的上方与下方之一位置处施加第一交替磁场，另一位置处施加第二交替磁场；
所述第一交替磁场与第二交替磁场为周期性磁场，两者的周期相同；在每一磁场周期内，第一交替磁场与第二交替磁场均包括t1时域和t2时域，在t1时域内第一交替磁场具有磁场强度H11、第二交替磁场具有磁场强度H12，在t2时域内第二交替磁场具有磁场强度H21、第一交替磁场具有磁场强度H22，并且，H11≥2*H12>0，H22≥2*H21>0，第一交替磁场与第二交替磁场形成交替变换的交替磁场；
所述抛光液中添加有铁磁性颗粒，形成均匀分散的混合抛光液；
所述铁磁性颗粒在上述交替磁场内受第一交替磁场或第二交替磁场的磁力作用而向上或向下位移，以使混合抛光液在基材的待抛光表面与抛光垫之间发生往复位移，形成超声波频率的振动，在对基材的待抛光表面化学抛光的同时进行机械抛光。
3.根据权利要求1或2所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，在每一周期内，第一交替磁场与第二交替磁场还包括t3时域或t4时域，t3时域位于该周期内的t1时域与t2时域之间，t4时域位于该周期的t2时域与下一周期的t1时域之间；在t3时域或t4时域内，第一交替磁场与第二交替磁场的磁场强度为0、相等或小于t1时域与t2时域内的磁场强度。
4.根据权利要求1或2所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，交替磁场的波形为方形波、正弦波、三角波或其组合，t1时域与t2时域的磁场强度H11与H22相等或不等。
5.根据权利要求2所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，交替磁场的波形为方形波、正弦波、三角波或其组合，t1时域与t2时域的磁场强度H12与H21相等或不等。
6.根据权利要求1或2所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述交替磁场由电磁线圈产生，包括第一电磁线圈和第二电磁线圈，第一电磁线圈设置于基材上方，第二电磁线圈设置于抛光平台下方。
7.根据权利要求6所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述电磁线圈包括绝缘内芯以及螺旋缠绕在绝缘内芯外部并连通电源的导线，第一电磁线圈固定设置在距离基材载体1～5mm的上方位置，第二电磁线圈固定设置在距离抛光平台1～5mm的下方位置。
8.根据权利要求6所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述电磁线圈输出的电流为脉冲电流，输出的脉冲电流的占空比为0.01～0.5，交变电流频率为20～400kHz，所形成的中心磁场强度为0.1～5A/m。
9.根据权利要求1或2所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述抛光平台包括可旋转设置的旋转平台，旋转平台绕旋转轴旋转且与基材进行相对位移，在垂直于旋转平台的方向对基材载体施加一定压力，基材的待抛光表面与供给有抛光液的抛光垫接触，对基材的待抛光表面进行抛光。
10.根据权利要求9所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述基材载体可旋转地设置，以使设置在基材载体上的基材与旋转平台之间进行相对位移。
11.根据权利要求10所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述基材载体的旋转速度控制在30～200r/min，旋转平台的旋转速度控制在30～200r/min，基材载体单位面积承受的压力控制在5～30kPa。
12.根据权利要求1或2所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述铁磁性颗粒选自铁、钴、镍以及铁的氧化物、钴的氧化物和镍的氧化物中的任意一种或多种。
13.根据权利要求1或2所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述混合抛光液中铁磁性颗粒的重量百分比为0.001～2％，所述铁磁性颗粒的平均直径为5～100nm。
14.根据权利要求1或2所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述抛光液的组分包括磨料、氧化剂和碱性缓冲液；所述磨料选自二氧化硅，粒径为5～500nm；所述氧化剂选自过氧化氢、过硫酸盐、高碘酸盐、高锰酸盐和重铬酸盐中的任意一种或几种。
15.根据权利要求1或2所述的一种非机械接触式磁致原位超声振动的化学机械抛光方法，其特征在于，所述混合抛光液是通过以下步骤制备的：
(1)将磨料分散在去离子水中，添加活性剂、FA/O螯合剂和胺碱制备磨料分散液；
(2)在所述磨料分散液中加入碱性缓冲液将溶液的pH值调至9～11，使用球磨机继续分散，再加入氧化剂，配制成抛光液；
(3)将上述抛光液与铁磁性颗粒混合搅拌，再经超声波分散，即得到铁磁性颗粒分散均匀的所述混合抛光液；
所述磨料分散液按质量百分比的组成为：硅溶胶70～97.5％、活性剂0.5～5％、FA/O螯合剂0.1～3％、胺碱2～10％；所述硅溶胶中二氧化硅的质量百分比为1～30％；所述抛光液中氧化剂的质量百分比为0.1～2％。
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