CN113334242A - 金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置及工艺，装置包括抛光装置、抛光液供给装置和紫外光照射装置；所述抛光盘为所述抛光盘为JGS1石英玻璃制成，所述抛光液供给装置位于所述抛光盘的上方，所述紫外光照射装置位于所述抛光盘下方。本发明将紫外光直接照射到单晶金刚石晶片表面并结合合适的氧化剂，高效地氧化改性晶片，再通过抛光盘和磨粒机械性地去除氧化改性层，加工过程中晶片与抛光盘各自旋转产生相对运动，同时紫外线的照射和抛光液的送入使得光化学改性作用和机械抛光作用交替进行，可对晶片进行光化学机械加工，在多能场耦合的作用下可以实现单晶金刚石的高质高效加工。

Description

金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置及工艺

技术领域

本发明涉及抛光加工技术领域，具体而言是一种硬脆、难氧化材料的光辅化学机械抛光加工装置及工艺，尤其涉及一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置及工艺。

背景技术

单晶硅是制作集成电路(IC)的重要材料，当今99％以上的IC需要使用单晶硅片。但随着电子器件同大功率化、高速化方向发展，硅材料已难以适应高频、大功率、高温工作环境。而金刚石具有更高的禁带宽度、热导率以及材料稳定性，在新一代深紫外光电器件、高压大功率电力电子器件等领域的应用具有显著的优势和巨大的发展潜力，使其成为第四代半导体材料，也被视为未来最理想的半导体材料。由于单晶金刚石是自然界硬度最高的材料，且脆性大，化学性质极其稳定(常温下几乎不与任何酸碱试剂发生反应)，加工过程中难去除、易损伤，是典型的硬脆难加工材料，这给单晶金刚石加工带来了巨大的挑战。

超宽禁带半导体器件对单晶金刚石晶片加工提出了极其苛刻的加工要求：亚纳米级粗糙度、纳米级面型精度以及超低/近无损伤。因此，单晶金刚石晶片的超精密加工技术是超宽禁带半导体器件制造的关键技术，开展金刚石高效超低损伤加工技术的研究将为我国在半导体技术领域的弯道超车、抢占未来产业的制高点以及国家重大战略发展的实施提供重要支撑。

目前机械抛光方法是最为传统的金刚石抛光方法，也是目前唯一得到广泛应用的金刚石抛光方法，但该方法加工效率低且易产生加工损伤，表面粗糙度也很难达到亚纳米级。化学机械抛光(CMP)是集成电路制造中广泛应用的超光滑低损伤表面抛光方法，该方法可以获得高质量的金刚石表面，但是CMP的加工效率极低，去除率<200nm/h(Yuan Z,etal.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.2018；95(5-8):1715-1727和Kubota A,et al.Diamond and Related Materials.2015；60:75-80)。国内外的学者还试图通过配制新型抛光液增加抛光液中氧化剂的种类、提高浓度等方法提高单晶金刚石的化学反应速率,但是去除率没有明显提高，仅仅依靠抛光液的化学作用提高去除率效果甚微(Yuan Z,et al.Journal of Manufacturing Science&Engineering.2013；135(4):41006和Yuan ZW,et al.Journal of SyntheticCrystals.2016；45(1):73-79.)。CMP方法是目前获得超光滑超低损伤表面的成熟抛光方法，但是目前抛光金刚石效率极低，仅仅依靠磨粒的机械作用和抛光液的化学作用无法满足金刚石加工的需要，因此如何提高单晶金刚石CMP加工的材料去除率是目前亟待解决的关键问题。单晶金刚石的硬脆特性使其加工困难，化学惰性极低使其难以氧化，因而如何提高单晶金刚石表面的氧化速率是提高去除率的关键。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置及工艺。本发明主要将光场和化学抛光引入到物理机械抛光中，从而起到提高去除率的效果。

一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，包括抛光装置、抛光液供给装置和紫外光照射装置；

所述抛光装置包括水平设置的抛光盘和第一驱动机构，所述第一驱动机构位于所述抛光盘下方，并与所述抛光盘连接，用于驱动所述抛光盘围绕其轴线转动；所述抛光盘为允许紫外光透过的材料制成，所述抛光盘用于对设置在所述抛光盘上表面的单晶金刚石晶片抛光；所述抛光液供给装置位于所述抛光盘的上方，用于向所述抛光盘供给抛光液；所述抛光液中具有氧化剂；所述紫外光照射装置位于所述抛光盘下方，所述紫外光照射装置用于产生紫外光，且所述紫外光透过所述抛光盘对所述单晶金刚石晶片进行照射，并使所述单晶金刚石晶片表面发生电子跃迁，使单晶金刚石晶片表面产生空穴-电子，促进所述单晶金刚石晶片表面氧化。

优选的，所述抛光盘为玻璃材质制成。

更进一步的，所述抛光盘为JGS1石英玻璃制成，其针对紫外光具有较好的透光率。

优选的，所述抛光装置还包括：

配重块，位于所述抛光盘上方，用于施加抛光负载，所述单晶金刚石晶片粘结在所述配重块的底部；

支撑柱，位于所述抛光盘的一侧；

拨叉板，通过支撑柱夹具与所述支撑柱固定连接，且所述拨叉板位于所述配重块的上方；

主动导轮和被动导轮，分别与所述拨叉板的底部或侧壁连接，且所述主动导轮和所述被动导轮的侧壁分别与所述配重块的侧壁接触连接，用于驱动所述配重块围绕其轴线转动；

第二驱动机构，安装在拨叉板上方，其输出端与所述主动导轮连接，用于驱动所述主动导轮转动。

光学平板，所述光学平板的底部通过多个地脚调平螺钉与刚性结构连接，所述支撑柱安装在所述光学平板上，且所述第一驱动机构处于所述光学平板上；

直角支撑板，竖直固定安装在所述光学平板上，并位于远离所述支撑柱的一侧；以及

转接板，其与所述直角支撑板的侧壁固定连接，且所述第一驱动机构与所述直角支撑板固定连接。

优选的，所述第一驱动机构包括：

直角电机，其通过直角电机基座与所述转接板固定连接；

直角连板，位于所述直角电机基座上方；

主轴，其底端通过联轴器与所述直角电机的输出端连接，其顶端穿过所述直角连板并通过上压板和下压板与所述抛光盘固定连接或键连接，且所述主轴穿过所述直角连板处通过滚子交叉轴承与所述直角连板转动连接。

优选的，所述抛光液中包括金刚石磨粒、双氧水和硫酸亚铁溶液，且所述抛光液经过稀盐酸调节PH值为4。

本发明还公开了一种单晶金刚石加工工艺，采用上述的一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，包括：

将所述单晶金刚石晶片设置在所述抛光盘上；

抛光液供给装置将所述抛光液滴在所述抛光盘上；

所述紫外光照射装置向所述单晶金刚石晶片照射紫外光；

所述第一驱动机构驱动所述抛光盘转动对所述单晶金刚石晶片进行抛光。

优选的，所述抛光液滴在所述抛光盘上之前采用超声清洗器震荡五分钟，使磨粒分散均匀，较少磨粒的团簇。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

将紫外光直接照射到单晶金刚石晶片表面并结合合适的氧化剂，高效地氧化改性晶片，再通过抛光盘和磨粒机械性地去除氧化改性层，加工过程中晶片与抛光盘各自旋转产生相对运动，同时紫外线的照射和抛光液的送入使得光化学改性作用和机械抛光作用交替进行，可对晶片进行光化学机械加工，在多能场耦合的作用下可以实现单晶金刚石的高质高效加工。

基于上述理由本发明可在抛光加工等领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1～2中一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置结构示意图。

图2为本发明实施例1～2中抛光装置结构正视图。

图3为本发明实施例1～2中抛光装置轴视图。

图中：1、抛光装置；101、抛光盘；102、配重块；103、支撑柱；104、拨叉板；105、支撑柱夹具；106、主动导轮；107、被动导轮；108、第二驱动机构；109、光学平板；110、地脚调平螺钉；111、直角支撑板；112、转接板；113、直角电机；114、直角电机基座；115、基座固定螺栓；116、直角连板；117、主轴；118、联轴器；119、上压板；120、下压板；121、贯穿螺钉；122、滚子交叉轴承；2、抛光液供给装置；201、抛光液；3、紫外光照射装置；301、紫外光；4、单晶金刚石晶片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1～3所示，一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，包括抛光装置1、抛光液供给装置2和紫外光照射装置3；

所述抛光装置1包括水平设置的抛光盘101和第一驱动机构，所述第一驱动机构位于所述抛光盘下方，并与所述抛光盘101连接，用于驱动所述抛光盘101围绕其轴线转动；所述抛光盘101为允许紫外光透过的材料制成，所述抛光盘101用于对设置在所述抛光盘101上表面的单晶金刚石晶片4抛光；所述抛光液供给装置2位于所述抛光盘101的上方，用于向所述抛光盘101供给抛光液201；所述紫外光照射装置3位于所述抛光盘下方，所述紫外光照射装置3用于产生紫外光301，且所述紫外光301透过所述抛光盘101对所述单晶金刚石晶片4进行照射，并使所述单晶金刚石晶片4表面发生电子跃迁，使单晶金刚石晶片4表面产生空穴-电子，促进所述单晶金刚石晶片4表面氧化。

所述抛光盘101为JGS1石英玻璃制成，其针对紫外光具有较好的透光率。

所述抛光装置1还包括：

配重块102，位于所述抛光盘101上方，用于施加抛光负载，所述单晶金刚石晶片4粘结在所述配重块的底部；

支撑柱103，位于所述抛光盘101的一侧；

拨叉板104，通过支撑柱夹具105与所述支撑柱103固定连接，且所述拨叉板104位于所述配重块的上方；

主动导轮106和被动导轮107，分别与所述拨叉板104的底部或侧壁连接，且所述主动导轮106和所述被动导轮107的侧壁分别与所述配重块102的侧壁接触连接，用于驱动所述配重块102围绕其轴线转动；

第二驱动机构108，安装在拨叉板104上方，其输出端与所述主动导轮106连接，用于驱动所述主动导轮106转动，本实施例中第二驱动机构108为电机。

光学平板109，所述光学平板109的底部通过多个地脚调平螺钉110与刚性结构连接，所述支撑柱103安装在所述光学平板109上，且所述第一驱动机构处于所述光学平板109上；

直角支撑板111，竖直固定安装在所述光学平板109上，并位于远离所述支撑柱103的一侧；以及

转接板112，其与所述直角支撑板111的侧壁固定连接，且所述第一驱动机构与所述直角支撑板111固定连接。

所述第一驱动机构包括：

直角电机113，其通过直角电机基座114和基座固定螺栓115与所述转接板112固定连接；

直角连板116，位于所述直角电机基座114上方；

主轴117，其底端通过联轴器118与所述直角电机113的输出端连接，其顶端穿过所述直角连板116并通过上压板119、下压板120和贯穿螺钉121与所述抛光盘101固定连接或键连接，且所述主轴117穿过所述直角连板116处通过滚子交叉轴承122与所述直角连板116转动连接。所述上压板119和所述下压板120将所述抛光板101夹在中间；

优选的，所述抛光液201中包括金刚石磨粒、双氧水和硫酸亚铁溶液，且所述抛光液经过稀盐酸调节PH值为4。

实施例2

如图1～3所示，本发明还公开了一种单晶金刚石加工工艺，采用实施例1所述的一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，包括：

将单晶金刚石晶片4通过石蜡固定在配重块102上，通过调节配重块102的重量控制抛光压力，所述配重块102经第二驱动机构108的驱动下，在主动导轮106和被动导轮107的辅助下单晶金刚石晶片4随配重块102一起旋转；

在第一驱动机构的作用下，抛光盘101随主轴117旋转，将粘接在配重块102上的单晶金刚石晶片4放在JGS1石英玻璃抛光盘101上，JGS1石英玻璃抛光盘101与单晶金刚石晶片4表面产生相对运动，从而实现材料的去除；

紫外光照射装置3放置在抛光盘101下方，紫外线透射过抛光盘101照射在单晶金刚石晶片4表面，使单晶金刚石晶片4产生空穴-电子对，从而促进金刚石的氧化；

在抛光液供给装置2的作用下，抛光液201滴在抛光盘101上，抛光液201随着抛光盘101的转动进入到单晶金刚石晶片4和JGS1石英玻璃抛光盘101的接触区域对单晶金刚石晶片进行氧化；

该方法采用对紫外线具有较好透光率的JGS1石英玻璃代替聚氨酯抛光垫作为抛光盘，对单晶金刚石晶片4进行抛光，抛光过程中紫外光透过抛光盘101辐照所述单晶金刚石晶片4，且抛光液201经供给装置作用进入到所述单晶金刚石晶片4和所述抛光盘101接触区域，从而实现单晶金刚石晶片4的光化学机械抛光。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，其特征在于，包括抛光装置、抛光液供给装置和紫外光照射装置；

所述抛光装置包括水平设置的抛光盘和第一驱动机构，所述第一驱动机构位于所述抛光盘下方，并与所述抛光盘连接，用于驱动所述抛光盘围绕其轴线转动；所述抛光盘为允许紫外光透过的材料制成，所述抛光盘用于对设置在所述抛光盘上表面的单晶金刚石晶片抛光；所述抛光液供给装置位于所述抛光盘的上方，用于向所述抛光盘供给抛光液，所述抛光液中具有氧化剂；所述紫外光照射装置位于所述抛光盘下方，所述紫外光照射装置用于产生紫外光，且所述紫外光透过所述抛光盘对所述单晶金刚石晶片进行照射，并使所述单晶金刚石晶片表面发生电子跃迁，促进所述单晶金刚石晶片表面氧化。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，其特征在于，所述抛光盘为玻璃材质制成。

3.根据权利要求2所述的一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，其特征在于，所述抛光盘为JGS1石英玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，其特征在于，所述抛光装置还包括：

配重块，位于所述抛光盘上方，用于施加抛光负载，所述单晶金刚石晶片粘结在所述配重块的底部；

支撑柱，位于所述抛光盘的一侧；

拨叉板，通过支撑柱夹具与所述支撑柱固定连接，且所述拨叉板位于所述配重块的上方；

主动导轮和被动导轮，分别与所述拨叉板的底部或侧壁连接，且所述主动导轮和所述被动导轮的侧壁分别与所述配重块的侧壁接触连接，用于驱动所述配重块围绕其轴线转动；以及

第二驱动机构，安装在拨叉板上方，其输出端与所述主动导轮连接，用于驱动所述主动导轮转动。

5.根据权利要求4所述的一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，其特征在于，所述抛光装置还包括：

光学平板，所述光学平板的底部通过多个地脚调平螺钉与刚性结构连接，所述支撑柱安装在所述光学平板上，且所述第一驱动机构处于所述光学平板上；

直角支撑板，竖直固定安装在所述光学平板上，并位于远离所述支撑柱的一侧；以及

转接板，其与所述直角支撑板的侧壁固定连接，且所述第一驱动机构与所述直角支撑板固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，其特征在于，所述第一驱动机构包括：

直角电机，其通过直角电机基座与所述转接板固定连接；

直角连板，位于所述直角电机基座上方；

主轴，其底端通过联轴器与所述直角电机的输出端连接，其顶端穿过所述直角连板并通过上压板和下压板与所述抛光盘固定连接或键连接，且所述主轴穿过所述直角连板处通过滚子交叉轴承与所述直角连板转动连接。

7.根据权利要求1所述的一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，其特征在于，所述抛光液中包括金刚石磨粒、双氧水和硫酸亚铁溶液，且所述抛光液经过稀盐酸调节PH值为4。

8.一种单晶金刚石加工工艺，其特征在于，采用权利要求1～7任一权利要求所述一种金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置，包括：

将所述单晶金刚石晶片设置在所述抛光盘上；

抛光液供给装置将所述抛光液滴在所述抛光盘上；

所述紫外光照射装置向所述单晶金刚石晶片照射紫外光；

所述第一驱动机构驱动所述抛光盘转动对所述单晶金刚石晶片进行抛光。

9.根据权利要求8所述的一种单晶金刚石加工工艺，其特征在于，所述抛光液滴在所述抛光盘上之前采用超声清洗器震荡五分钟。

Images