CN114986384A - 多晶硅环的化学机械抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多晶硅环的化学机械抛光方法，依次包括将硅环和无纺布抛光垫安装在抛光机上、粗抛、精抛步骤；粗抛中的粗抛液的成分为氧化铝（0.23‑0.26μm）10%‑40%，金刚石（0.32‑0.34μm）0.2%‑5%，水60%‑90%；精抛中的精抛液成分为胶体SiO2（90‑120nm）0.8%‑1%，SiO2（40‑45nm）0.3%‑0.5%，哌嗪0.08%‑0.12%，氢氧化四甲基铵0.01%‑0.05%,纯水＞98%；在粗抛过程中将含有纳米金刚石的抛抛液分散在无纺布抛光垫上，粗抛液中氧化铝微粉能够降低硅环表面粗糙度，减小亚表面损伤层深度，提高抛光效率，在精抛过程中，精抛液能够实现化学作用与机械作用的良好匹配，保证抛光硅晶片高去除速率的同时，避免抛光雾等缺陷的形成，提高抛光后表面质量，抛光方法后硅环平面度＜20μm，破损层DOD=0um，经检测抛光合格。
Description
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种多晶硅环的化学机械抛光方法。
背景技术
硅环在通过磨削加工之后，其表面的破损层厚度较厚，并且平面度也不符合集成电路制造过程中的标准，因此需要对硅环进行抛光处理，以提高硅片表面的平面度，减少硅环表面存在的损伤。
目前实现平坦化技术主要有以下几种：离子轰击抛光技术、化学气相沉积、电化学抛光技术、浮法抛光技术、化学机械抛光技术等。离子轰击抛光技术采用轰击离子接近平行于工件表面的方法可以实现表面的纳米级抛光，但是其缺点是很难实现大面积的均匀抛光,特别是对于非均质表面，另外,其去除率小、成本高。化学气相沉积与物理气相沉积法、电镀法同属于一类,就是利用沉积原子逐步填充凹陷部分,使光刻表面逐步接近于平整，这些方法不能完全达到表面的平整度要求,必须与其它方法相结合,才能实现全局平坦化。电化学抛光技术利用阳极氧化牺牲的原理实现对阳极工件的抛光。其优点在于,电化学抛光是非接触的,无压力抛光,在抛光过程中不会发生工件变形、表面硬化等，但它目前还存在表面平整度不够高(一般在亚微米级),晶界腐蚀等问题，要达到亚纳米级的抛光精度,还有较大的困难。
多晶硅环的化学机械抛光方法通过表面化学作用和机械研磨的技术结合来实现晶元表面微米/纳米级不同材料的去除，从而达到硅环的表面的高度平坦化效应，并且破损层的厚度降低至纳米级，使下一步的光刻工艺得以进行，是目前唯一能兼顾表面全局和局部平坦化的技术，但是，现有的多晶硅环的化学机械抛光方法仍然存在抛光效率低及抛光合格率低的问题。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种多晶硅环的化学机械抛光方法，实现硅环表面的高度平坦化以及将硅环表面的破损层厚度降低至纳米级。
一种多晶硅环的化学机械抛光方法，包括以下步骤：
a、将硅环和无纺布抛光垫安装在抛光机上：将硅环固定在抛光机的转台上，用转台底部的负压真空吸盘将硅环吸附固定，将无纺布抛光垫粘贴在抛光机的刀头上，抛光机开启后，刀头带动无纺布抛光垫接触到待抛光硅环的上表面进行转动抛光；
b、粗抛：向待抛光的硅环上表面滴加粗抛液，对硅环进行10-20min粗抛光形成粗抛后的硅环,上述粗抛液包括氧化铝、金刚石、水，氧化铝、金刚石和水的质量百分比为10%-40%、0.2%-5%、60%-90%，氧化铝的粒径为0.23-0.26μm，金刚石的粒径为0.32-0.34μm；
c、精抛：停止滴加粗抛液，开始向粗抛后的硅环上表面滴加精抛液，对硅环进行20-30min精抛光，上述精抛液包括胶体SiO2、SiO2、哌嗪、氢氧化四甲基铵和纯水，胶体SiO2、SiO2、哌嗪、氢氧化四甲基铵和纯水的质量百分比为0.8%-1%、0.3%-0.5%、0.08%-0.12%、0.01%-0.05%、98.33%-98.81%，胶体SiO2的粒径为90-120nm，SiO2的粒径为40-45nm。
优选的，在a步骤中，无纺布抛光垫厚度为5±1mm，直径为2英吋或3英吋，硬度为50Ha。
优选的，在a步骤中，刀头的材质为316L不锈钢，直径为3英吋。
优选的，在b步骤中，粗抛过程中刀头压力为196-245N。
优选的，在b步骤中，刀头转速为1500-2000rpm。
优选的，在b步骤中，转台转速为10-20rpm。
优选的，在b步骤中，粗抛液滴加速度为0.01L/min-0.05L/min。
优选的，在c步骤中，精抛过程中刀头压力为147-245N。
优选的，在c步骤中，刀头转速为1000-1500rpm，转台转速为10-20rpm,精抛液滴加速度为1.0L/min-2.0L/min。
优选的，经过精抛光后获得硅环平面度＜20μm，破损层DOD=0um。
由上述技术方案可知，在粗抛过程中，通过刀头给予无纺布抛光垫一定压力、转台和刀头同时转动，使无纺布抛光垫和硅环上表面之间的界面处形成动态接触，将含有纳米金刚石的抛抛液分散在无纺布抛光垫上，粗抛液中氧化铝微粉的莫氏硬度低于金刚石和单晶硅，并且形貌较为圆滑，能够降低硅环表面粗糙度，减小亚表面损伤层深度，所述抛光液无毒无害，对人体没有损伤，采用所述抛光液对硅环进行机械抛光，能够在抛光过程中改善金刚石微粉作为磨料带来的划痕和损伤层的问题，在粗抛过程中可以很快去除晶环锯切和成形操作中留下的明显缺陷，大大缩短加工时间，提高加工效率，获得基本无划痕、损伤层小、粗糙度低的硅环表面，为后续进行精抛光提供条件；在精抛过程中，精抛液能够实现化学作用与机械作用的良好匹配，保证抛光硅晶片高去除速率的同时，避免抛光雾等缺陷的形成；精抛液中含有多个羟基，与二氧化硅表面羟基及水分 子相互作用形成氢键，从而达到控制抛光磨粒在硅晶片间的机械作用，降低形成硬损伤的机率，提高抛光后表面质量；硅环采用本发明的抛光方法后，硅环平面度＜20μm，破损层DOD=0um，经检测抛光合格。
附图说明
图1是本发明对硅环进行抛光的结构示意图。
图2是采用本发明的抛光方法对硅环抛光后DOD破损层厚度测试图。
图3是本发明对硅环进行抛光过程中滴加抛光液的结构示意图。
图4是本发明提供的抛光机用重力供液系统的立体图。
图5是本发明提供的抛光机用重力供液系统的剖视图。
图中：硅环10、转台20、无纺布抛光垫30、刀头40、抛光机用重力供液系统50、桶体100、盖体110、排气管120、把手130、气体空腔140、溶液空腔150、出液管200、阀门210、鼓泡组件300、进气管310、透气板320、通孔321。
具体实施方式
以下结合本发明的附图，对发明实施例的技术方案及技术效果做进一步的详细阐述。
请参阅图1，多晶硅环的化学机械抛光方法包括以下步骤：
a、将硅环10固定在抛光机的转台20上，用转台20底部的负压真空吸盘将硅环10吸附固定，将无纺布抛光垫30粘贴在抛光机的刀头40上，抛光机开启后，刀头40带动无纺布抛光垫30接触到待抛光硅环10的上表面进行转动抛光；进一步的，刀头40和转台20的转动方向相同，该刀头40和转台20的转动方向即可以为顺时针转动、也可以为逆时针转动。
b、向待抛光的硅环10上表面滴加粗抛液，对硅环10进行10-20min粗抛光形成粗抛后的硅环10,上述粗抛液包括氧化铝、金刚石、水，氧化铝、金刚石和水的质量百分比为10%-40%、0.2%-5%、60%-90%，氧化铝的粒径为0.23-0.26μm，金刚石的粒径为0.32-0.34μm；
c、停止滴加粗抛液，将抛光机停止后更换无纺布抛光垫30，开始向粗抛后的硅环10上表面滴加精抛液，对硅环10进行20-30min精抛光，上述精抛液包括胶体SiO2、SiO2、哌嗪、氢氧化四甲基铵和纯水，胶体SiO2、SiO2、哌嗪、氢氧化四甲基铵和纯水的质量百分比为0.8%-1%、0.3%-0.5%、0.08%-0.12%、0.01%-0.05%、98.33%-98.81%，胶体SiO2的粒径为90-120nm，SiO2的粒径为40-45nm。
进一步的，在a步骤中，无纺布抛光垫30厚度为5±1mm，直径为2英吋或3英吋，硬度为50Ha，该硬度属于邵氏硬度计A类。
进一步的，在a步骤中，刀头40的材质为316L不锈钢，直径为3英吋，上述不锈钢的刀头40有较好的耐碱性，不会因刀头40被抛光液腐蚀将不锈钢中的金属元素进入硅环10中；同时该不锈钢的刀头40便于清洗，便于后续抛光工序的顺利进行。
进一步的，在b步骤中，粗抛过程中刀头40压力为196-245N。
进一步的，在b步骤中，刀头40转速为1500-2000rpm。
进一步的，在b步骤中，转台20转速为10-20rpm。
进一步的，在b步骤中，粗抛液滴加速度为0.01L/min-0.05L/min。
进一步的，在c步骤中，精抛过程中刀头40压力为147-245N。
进一步的，在c步骤中，刀头40转速为1000-1500rpm，转台20转速为10-20rpm,精抛液滴加速度为1.0L/min-2.0L/min。
进一步的，经过精抛光后获得硅环10平面度＜20μm，破损层DOD=0um。对编号1-10的硅环10采用本发明的抛光方法抛光后，对该10件抛光硅环10的平面度及破损层厚度进行测试，结果如表1所示。
表1 硅环10抛光后的平面度及破损层厚度测试表
| 序号 | 平面度/μm | DOD/um |
| 1 | 10 | 0 |
| 2 | 15 | 0 |
| 3 | 8 | 0 |
| 4 | 12 | 0 |
| 5 | 12 | 0 |
| 6 | 12 | 0 |
| 7 | 8 | 0 |
| 8 | 11 | 0 |
| 9 | 5 | 0 |
| 10 | 10 | 0 |
将旋转的被抛光晶环压在与其同方向旋转的无纺布抛光垫30下，上述粗抛液和精抛液分别先后添加至晶环上表面。转动带动晶环转动，被拋光晶环上表面的反应产物被不断地剥离，新粗抛液或精抛液补充进来，反应产物随粗抛液或精抛液带走。新裸露的晶环上表面又发生化学反应，产物再被剥离下来而循环往复，在无纺布抛光垫30和粗抛液或精抛液机械及化学反应的联合作用下，形成超精表面。
请参阅图1、图3、图4和图5，本发明还提供一种抛光机用重力供液系统50，包括桶体100、出液管200、鼓泡组件300，所述鼓泡组件300包括进气管310、透气板320，所述透气板320开设数个通孔321，所述透气板320与所述桶体100的内环壁连接，所述透气板320与所述桶体100的底部形成气体空腔140，所述透气板320与桶体100的上部形成溶液空腔150，所述进气管310的一端插入所述气体空腔140，气体能够从所述气体空腔140进入溶液空腔150，所述出液管200位于所述透气板320的上方，所述出液管200与所述溶液空腔150连通，出液管200的端部安装输液管400，输液管400的前端位于转台20的上方，当转台20上固定硅环10后，输液管400的前端位于硅环10的上方且靠近硅环10的表面，便于将抛光液滴加到硅环10的上表面上。
与现有技术相比，该系统的有益效果在于：当抛光液倒满桶体100后，透气板320将抛光液隔离在所述溶液空腔150内，当液体量大时，液体自动从所述出液管200流出，当液体量少时，液体无法自动流出，通过所述进气管310，将气体输入至所述气体空腔140内，气体从所述气体空腔140透过所述透气板320进入所述溶液空腔150进行鼓泡，使液体压力增大进入所述出液管200，从而进入所述抛光机中；一方面，本发明提供的抛光机用重力供液系统50不再需要用真空泵进行输送，减少能源的损耗，更加环保；另一方面，当需要的抛光液流量较大时，通过所述鼓泡组件300在抛光液底部进行鼓泡，以增加抛光液的压力，使得抛光液的流量增大；再一方面，当所述抛光液在所述桶体100时间较长时，经过长时间的堆积，导致桶体100内抛光液的浓度分布不均匀，将气体通过所述进气管310进入气体空腔140内，气体从所述气体空腔140透过所述透气板320进入所述溶液空腔150进行鼓泡，使得抛光液进一步混合均匀，使得流出的抛光液浓度一致。
进一步的，所述通孔321在所述透气板320上均匀设置。
进一步的，所述桶体100的体积为25L~100L，所述进气管310的直径为20mm~25mm，所述进气管310输入的气体为氮气，鼓泡气压为0.1Mpa-0.3Mpa。
进一步的，所述通孔321的直径为2mm~6mm。
进一步的，所述出液管200位于所述透气板320距桶体100顶部的中间。
具体的，现有技术中，为保证液体不会断液，所述出液管200经常设置在桶体100的底部，但是，将所述出液管200设置在桶体100的底部时，由于抛光液的长时间堆积，会导致出液管200的管口被堵塞，从而导致出液管200断液，为保证出液管200不断液，通常会在出液管200之前设置过滤装置，以使抛光液澄清，再从出液管200流出，但是设置过滤虽然会使抛光液澄清，不会堵塞出液管200，但是会使抛光液的浓度与配置的浓度不同，影响产品抛光。因此，本发明通过鼓泡组件300的设置以及出液管200位置的设置，先将气体通过所述进气管310进入气体空腔140内，气体从所述气体空腔140透过所述透气板320进入所述溶液空腔150进行鼓泡，使得沉积在桶体100底部的液体晃动，使得抛光液变浑浊，由于抛光液的粘性较大为25.6-45.6cps（#SC4-21，37℃，60rpm），因此通过鼓泡，使得抛光液变浑浊，不会轻易沉积，然后通过设置在桶体100中间的出液管200将浑浊的抛光液输送出去，如此，既不会使出液管200堵塞，并且使输送出去的抛光液浓度均匀。
进一步的，所述出液口管的直径为15mm~18mm。
进一步的，所述桶体100的顶部设置盖体110，所述盖体110与所述桶体100的顶部螺纹连接，所述进气管310的另一端与所述盖体110连接，进气管310从桶体100的顶部插入所述气体空腔140，使得气体从所述进气管310出来先与桶体100底部接触，再分散进入气体空腔140的四周，使得气体在气体空腔140内经过压缩均匀的从透气板320的通孔321中进入所述溶液空腔150内，使得与透气板320接触的抛光液均被鼓泡，使得抛光液混合的更加均匀。
进一步的，所述盖体110设置排气管120，所述排气管120与所述盖体110连接。
进一步的，所述透气板320的材质为PVDF、PP、氯乙烯、四氟乙烯中的一种，所述透气板320为单相透气板，气体仅能从所述气体空腔140进入所述溶液空腔150。
进一步的，所述桶体100的外壁设置把手130。
进一步的，所述出液管200上设置阀门210。
具体的，通过以下实验说明本发明的内容。
通过本发明设置的抛光机用重力供液系统50进行抛光机供液，与现有技术中通过真空泵进行抛光机供液，将两者进行对比，如表2所示：
表2
| 类别 | 功率/KW | 数量/台 | 电耗（万元/月） | 单价/元 |
| 真空泵 | 8.5 | 40 | 7.16 | 2600 |
| 重力供液系统 | 0 | 40 | 0 | 100 |
由表2可知，通过使用本发明的抛光机用重力供液系统50大大降低了能源的消耗，更加环保。
Claims (10)
1.一种多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将硅环和无纺布抛光垫安装在抛光机上：将硅环固定在抛光机的转台上，用转台底部的负压真空吸盘将硅环吸附固定，将无纺布抛光垫粘贴在抛光机的刀头上，抛光机开启后，刀头带动无纺布抛光垫接触到待抛光硅环的上表面进行转动抛光；
b、粗抛：向待抛光的硅环上表面滴加粗抛液，对硅环进行10-20min粗抛光形成粗抛后的硅环,上述粗抛液包括氧化铝、金刚石、水，氧化铝、金刚石和水的质量百分比为10%-40%、0.2%-5%、60%-90%，氧化铝的粒径为0.23-0.26μm，金刚石的粒径为0.32-0.34μm；
c、精抛：停止滴加粗抛液，开始向粗抛后的硅环上表面滴加精抛液，对硅环进行20-30min精抛光，上述精抛液包括胶体SiO2、SiO2、哌嗪、氢氧化四甲基铵和纯水，胶体SiO2、SiO2、哌嗪、氢氧化四甲基铵和纯水的质量百分比为0.8%-1%、0.3%-0.5%、0.08%-0.12%、0.01%-0.05%、98.33%-98.81%，胶体SiO2的粒径为90-120nm，SiO2的粒径为40-45nm。
2.如权利要求1所述的多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：在a步骤中，无纺布抛光垫厚度为5±1mm，直径为2英吋或3英吋，硬度为50Ha。
3.如权利要求1所述的多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：在a步骤中，刀头的材质为316L不锈钢，直径为3英吋。
4.如权利要求1所述的多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：在b步骤中，粗抛过程中刀头压力为196-245N。
5.如权利要求1所述的多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：刀头转速为1500-2000rpm。
6.如权利要求1所述的多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：在b步骤中，转台转速为10-20rpm。
7.如权利要求1所述的多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：在b步骤中，粗抛液滴加速度为0.01L/min-0.05L/min。
8.如权利要求1所述的多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：在c步骤中，精抛过程中刀头压力为147-245N。
9.如权利要求1所述的多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：在c步骤中，刀头转速为1000-1500rpm，转台转速为10-20rpm,精抛液滴加速度为1.0L/min-2.0L/min。
10.如权利要求1至9任意一项所述的多晶硅环的化学机械抛光方法，其特征在于：经过精抛光后获得硅环平面度＜20μm，破损层DOD=0um。
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