CN115194564A - 一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超精密抛光技术领域，更具体地，涉及一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘及其使用方法，包括金属基体、若干磁流变弹性体、磁场发生装置、磁场隔离板、底座，若干磁流变弹性体均装设于所述金属基体中，所述磁场发生装置装设于所述底座且位于磁流变弹性体下方，所述磁场隔离板可拆卸安装于金属基体与底座之间，金属基体与底座可拆卸连接。本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，可实现一个工具盘能够满足晶片研磨和抛光两种工艺要求，在确保研磨质量与抛光质量的同时，可有效地减小更换工具盘和工件安装的时间，实现半导体晶片高效平坦化加工。

Description

一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘及其使用方法
技术领域
本发明涉及超精密抛光技术领域，更具体地，涉及一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘及其使用方法。
背景技术
随着电子信息技术的发展，半导体晶片由第一代半导体材料单晶硅(Si)、发展到第二代半导体材料砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)以及现在的第三代半导体碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。同时对晶片表面平坦化加工的要求也越来越高。例如SiC半导体器件的基片，需要控制晶片表面厚度变化(TTV)小于1μm、Si面的表面粗糙度Ra≤0.3nm、C面Ra≤0.5nm，且要求加工表面低损伤和残余应力，同时需要满足几何完整性和性能完整性等要求。然而这些光电晶片材料的硬度高、化学性质稳定，使得其平坦化加工难度极大，成本较高。
目前，半导体晶片平坦化加工一般先研磨后抛光，研磨加工主要是快速的将晶片表面切割痕迹去除，降低晶片表面粗糙度和TTV，一般采用陶瓷、铸铁、树脂铜等硬度较大的刚性研磨盘。抛光加工主要是对晶片表面材料微量去除，进一步降低晶片表面粗糙度和表面/亚表面损伤，一般采用硬度较低聚氨酯、尼龙布、弹性体等柔性抛光垫。抛光加工也是晶片平坦化加工最后一道工艺，其加工质量极大地影响晶片制造电子元器件的性能。为了高效获得超光滑抛光表面，一般在抛光过程中会加入化学作用，利用抛光液在基片表层发生化学反应，形成一层相对于基体硬度较软、强度较低、结合力较弱的表面软化层，然后通过抛光垫上的磨料与工件之间的相对运动，对工件表面进行去除。其中工件表面化学反应形成的软化层可以极大地降低抛光作用力，从而获得高质量的加工表面。
然而，由于研磨和抛光采用的研磨盘和抛光盘存在材质和硬度等差异，很难在一个盘上实现两种工艺，现有技术CN113770816A、CN111906683也公开了磁流变弹性体的制备和复合研抛放的运用，但他们只是简单利用磁流变弹性硬度会随着磁场发生变化，改变抛光盘的硬度，使得抛光盘硬度介于硬质抛光盘和柔性抛光盘之间，将研磨和抛光两工艺合并为一个工艺。这样虽然能够缩减工艺，但该方法相比于研磨加工，由于盘表面硬度远低于普通硬质研磨盘，导致材料去除率较低，表面TTV更大，并且整个加工的材料去除率较低，去除晶片表面切割痕迹需要很长的时间。该方法虽然将抛光和研磨两个工艺合并，但其获得超光滑表面的时间可能会远大于研磨和抛光两种工艺加起来的总时间。CN113118967A公布了一种利将磁控磨料和固相反应结合的研磨盘，能够利用磁场作用将磨料定向，同时结合固相反应等化学作用，实现高效研磨，但该方法磨料为固结磨料，其对晶片表面上损伤较大，不适合用于抛光。因此，解决晶片研磨和抛光两个工艺所用研/抛盘之间差异问题，实现晶片研磨抛光之间的快速转换和提高晶片平坦化加工效率是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，可实现一个工具盘能够满足晶片研磨和抛光两种工艺要求，在确保研磨质量与抛光质量的同时，有效的减小更换工具盘和工件安装的时间，实现半导体晶片高效平坦化加工。。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，包括金属基体、若干磁流变弹性体、磁场发生装置、磁场隔离板、底座，若干磁流变弹性体均装设于所述金属基体中，所述磁场发生装置装设于所述底座且位于磁流变弹性体下方，所述磁场隔离板可拆卸安装于金属基体与底座之间，金属基体与底座可拆卸连接。
本发明的金属基体用于承载磁流变弹性体，同时加工过程中在研磨液的作用下和晶片表面发生金属接触腐蚀，在晶片表面形成硬度低的反应层。磁流变弹性体可按照一定规律排布镶嵌于金属基体表面，在磁场作用下弹性模量变大。在抛光过程中能够控制晶片表面与金属基体之间的作用力，也能够发生部分金属接触反应。磁场发生装置用于产生磁场，进一步改变磁流变弹性体的弹性模量。磁场隔离板能够改变磁流变弹性体所在区域的磁场，实现该盘研磨、抛光功能转换。底座用于安装金属基体、磁流变弹性体、磁场发生装置及磁场隔离板，并能够与抛光机主轴连接。
本发明将金属接触反应原理和磁流变弹性模量的变化规律相互结合，研发了一种能够同时满足研磨加工和抛光加工需求的两用研磨和抛光一体盘。利用晶片表面与金属发生接触反应将晶片表面材料软化，提高加工效率和表面质量。并且该盘既能在磁场隔离板将磁场与磁流变弹性体隔离，使磁流变弹性体的弹性模量较小时，当成刚性研磨盘使用，快速去除晶片表面切割痕迹，大幅度的降低晶片表面粗糙度和TTV；又能在无磁场隔离板时，磁场作用将磁流变弹性体的弹性模量变大，避免晶片和金属基体接触，当成柔性抛光垫使用，获得超光滑低表面/亚表面损伤抛光表面。本发明能够实现碳化硅、单晶硅、金刚石、氮化镓、蓝宝石、磷化铟等半导体晶片研磨和抛光两种功能。本发明通过磁场调整磁流变弹性体的弹性模量以改变工件与金属基体的接触面积来实现研磨或抛光，与传统的用气缸驱动修磨头实现上下移动从而改变工件与修磨工具的接触面积的技术方案不同，若用气缸驱动只能调整进给量来进行控制，而修磨工具无法实现与工件的良好接触，尤其是当工件具有曲面结构时，而本发明则可在研磨或抛光过程中均使工件与金属基体和/或磁流变弹性件具有良好的接触。
优选地，在所述金属基体上开设有若干用于装设所述磁流变弹性体的第一安装孔，在金属基体上表面还开设有若干用于存储研磨液或抛光液的第一沟槽，所述第一沟槽与所述第一安装孔错位设置。
优选地，所述磁流变弹性体在所述第一安装孔安装后凸出所述金属基体上表面设置，在磁流变弹性体上表面设有若干第二沟槽。
优选地，所述磁场发生装置形成的磁场的方向与磁流变弹性体的轴向平行，磁场发生装置为若干磁铁或电磁线圈，在底座中开设有若干第二安装孔，所述磁场发生装置安装于所述第二安装孔中，所述第二安装孔位于所述第一安装孔下方，所述磁场发生装置的轴线与所述磁流变弹性体的轴线对齐。
优选地，所述第一沟槽截面为矩形、V形、U形、梯形的其中一种。
优选地，所述第一沟槽沿一定轨迹延伸，所述轨迹为直线网格型、同心环型、渐开线型、螺旋型的其中一种。
优选地，若干磁流变弹性体在所述金属基体上沿矩形、环形、渐开线形的其中一种结构排布。
优选地，所述金属基体采用的金属材料为铸铁、铝合金、树脂铜、锡合金的其中一种；磁场隔离板为黄铜、铝合金、不锈钢材料的其中一种。
优选地，在所述第一安装孔底部设有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述金属基体底部设置，所述第一安装孔的孔径大于第一通孔的孔径；在所述第二安装孔底部设有第二通孔，所述第二通孔贯穿所述底座底部设置，所述第二安装孔的孔径大于第二通孔的孔径。
优选地，所述磁流变弹性体由预聚体、磁性粒子、发泡剂和增塑剂在磁场下硫化制成，磁性粒子在硫化过程中受到磁场作用会沿着磁场线方向定向排布，发泡剂在硫化过程中形成气孔。
本发明还提供一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘的使用方法，包括以下具体步骤：
S1：安装磁场隔离板，往金属基体的第一沟槽及磁流变弹性体的第二沟槽中滴入研磨液，开始研磨；
S2：研磨完毕后，清除研磨液；
S3：抽离磁场隔离板，往磁流变弹性体的第二沟槽中滴入抛光液，开始抛光；
S4：抛光完毕，结束。
本发明作为研磨盘使用的原理：
如图7所示，需要在底座上安装磁场隔离板，磁场发生装置产生的磁场不能作用于磁流变弹性体，此时磁流变弹性体的弹性模量较低，在研磨压力下，磁流变弹性体变形较大，凸出于金属基体的磁流变弹性体被压至与金属基体平齐，晶片能够充分和金属基体接触，在研磨液的作用下发生金属接触反应，同时磁流变弹性体中的磁性粒子也能与晶片表面形成金属接触反应，在晶片表面形成硬度较低反应层，降低晶片表面材料去除难度，实现晶片表面材料快速去除。
本发明作为抛光盘使用的原理：
如图8所示，需要拆除底座上的磁场隔离板，没有磁场隔离板的屏蔽，磁场发生装置产生的磁场作用于磁流变弹性体使得其弹性模量显著增大，在抛光压力作用下，弹性体的变形量小，能够避免工件和金属基体接触，此时只有磁流变弹性表面的金属颗粒能与晶片发生金属接触反应，反应速率较慢，由于磁流变弹性体的硬度远小于金属基体，抛光过程中对晶片表面的材料去除速率较小，能够有效获得超光滑无表面/亚表面损伤的加工表面。
本发明的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，在运用于研磨加工时，晶片表面和金属基体、磁流变弹性体都有接触，能够同时与金属基体和磁流变弹性体表面磁性粒子发生金属接触反应，其反应速率较快。而用于抛光加工时，晶片表面只和磁流变弹性体表面接触，只有金属磁性粒子能与晶片表面发生金属接触反应，其反应速率较慢。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)能够在一个盘上完成研磨和抛光两道工艺。该盘既能在磁场隔离板将磁场与磁流变弹性体隔离，磁流变弹性体的弹性模量较小时，当成刚性研磨盘使用，快速去除晶片表面切割痕迹，大幅度的降低晶片表面粗糙度和TTV；又能在无磁场隔离板时，磁场作用将磁流变弹性的弹性模量变大，避免晶片和金属基体接触，当成柔性抛光垫使用，获得超光滑低表面/亚表面损伤抛光表面。
(2)本发明能有效的减少了平坦化加工过程中晶片装夹的次数，极大提高了晶片平坦化加工的效率。
(3)本发明在加工过程通过金属与晶片表面的金属接触反应，在晶片表面生成的反应层硬度远低于半导体晶片材料，同时反应层与半导体晶片材料结合强度较低，在研磨和抛光加工时，极易被磨料去除，也降低磨料对半导体晶片表面的作用力，有效的提高加工效率和表面质量。
(4)目前晶片抛光常用的聚氨酯抛光垫磨损后难以修整，都为一次性的耗材。本发明在使用磨损后，能够将磁流变弹性体拆下进行更换，或者采用机械加工对磁流变弹性体表面进行修整。能够实现抛光垫反复多次使用，同时还能够在弹性体表面加工出一些表面微结构，如第二沟槽，有利于储存研磨液或抛光液促进与金属接触反应，同时也能储存团聚的磨料和大颗粒的切屑，有效避免大颗粒对晶片表面划伤。
(5)本发明可以通过改变磁场强度来改变晶片与金属基体、金属磁性粒子的接触状态，进而控制金属接触反应的速率，更好的实现化学作用于机械作用的协调，获得超光滑无损伤的技工表面。
附图说明
图1为本发明一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘第一视角的结构示意图；
图2为本发明一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘第二视角的结构示意图；
图3为图1的A-A剖视图；
图4为图3的B出局部放大图；
图5为本发明金属基体的剖视图；
图6为本发明底座的剖视图；
图7为研磨时的加工原理图；
图8为抛光时的加工原理图；
图9为第一沟槽截面为V形的结构示意图；
图10为第一沟槽截面为U形的结构示意图；
图11为第一沟槽截面为梯形的结构示意图；
图12为第一沟槽截面为方形的结构示意图；
图13为第一沟槽轨迹分布为网格形的结构示意图；
图14为第一沟槽轨迹分布为同心圆形的结构示意图；
图15为第一沟槽轨迹分布为渐开线形的结构示意图；
图16为第一沟槽轨迹分布为螺旋线形的结构示意图；
图17为磁流变弹性体在金属基体上环形排布的结构示意图；
图18为磁流变弹性体在金属基体上直线排布的结构示意图；
图19为磁流变弹性体在金属基体上渐开线排布的结构示意图；
图20为磁流变弹性体在金属基体上大小组合渐开线排布的结构示意图。
图示标记说明如下：
1、金属基体；11、第一沟槽；12、第一安装孔；13、第一通孔；2、磁流变弹性体；21、预聚体；22、第二沟槽；23、磁性粒子；24、气孔；3、销钉；4、磁场隔离板；5、磁场发生装置；6、底座；61、第二安装孔；62、第二通孔；7、反应层；8、磁场线；9、工件。
图示F处箭头为受力方向；V1和V2处箭头为运动方向。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1至图20所示为本发明一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘的第一实施例，包括金属基体1、若干磁流变弹性体2、磁场发生装置5、磁场隔离板4、底座6，若干磁流变弹性体2均装设于金属基体1中，磁场发生装置5装设于底座6且位于磁流变弹性体2下方，磁场隔离板4可拆卸安装于金属基体1与底座6之间，金属基体1与底座6可拆卸连接。
本发明半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，能够通过磁场隔离板4来控制磁流变弹性体2安装区域的磁场，改变磁流变弹性体2的弹性模量，进而控制晶片加工过程与金属基体1接触状态，实现刚性研磨盘和柔性抛光垫的功能转换。使得该盘既能用于晶片研磨加工，又能用于晶片抛光加工。
本发明的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘在研磨或抛光加工过程中能够使得晶片与磁性颗粒、金属基体1之间发生金属接触反应，其原理如下，金属失去电子变成金属离子(公式1)，而抛光液中的水、氧化剂等物质得到电子会发生如公式2所示。金属与半导体晶片接触，金属失去电子会形成电流，导致半导体晶面上的电子也会定向运动，形成带正点的空穴，并发生金属接触反应，形成硬度较低的反应层7，其反应过程如公式3-4所示：
M-xe-→Mx+ (1)
4H2O+O2+4e-→4OH- (2)
N+xH2O+2xh+→NOx+2xH+ (3)
H2O+2e-→H2+2OH- (4)
其中M为金属，N为半导体晶片中的非金属元素，x为正整数。
在晶片表面生成的反应层7硬度远低于半导体晶片材料，同时反应层7与半导体晶片材料结合强度较低，在研磨和抛光加工时，极易被磨料去除，也降低磨料对半导体晶片表面的作用力，有效的提高加工效率和表面质量。
本发明的金属基体1用于承载磁流变弹性体2，同时在加工过程在研磨液或抛光液的作用下和晶片表面发生金属接触腐蚀，在晶片表面形成硬度低的反应层7。优选地，磁场发生装置5装设于底座6且位于磁流变弹性体2的正下方。
作为本发明的一个实施方式，在金属基体1上开设有若干用于装设磁流变弹性体2的第一安装孔12，在金属基体1上表面还开设有若干用于存储研磨液或抛光液的第一沟槽11，第一沟槽11与第一安装孔12错位设置。
第一安装孔12为从金属基体1的上表面开设，向金属基体1的底部延伸；金属接触反应是会受到金属标准电极电位影响，标准电极电位越高，金属接触反应越快。优选地，金属基体1采用的金属材料为铸铁、铝合金、树脂铜的其中一种。第一安装孔12的直径为5-50mm，深度为3-30mm。
作为本发明的一个实施方式，磁流变弹性体2在第一安装孔12内安装后凸出金属基体1上表面设置。
磁流变弹性体2通过机械加工成圆块，优选地，圆块直径与金属基体1上的第一安装孔12直径一致，圆块高度略高于第一安装孔12深度。磁流变弹性体2安装在金属基体1时上表面略高于金属基体1，当这个高度差过大时，该一体盘用于研磨时，难以保证晶片与金属基体1充分接触，导致研磨加工过程化学反应速率降低和材料去除率降低；当高度过小时，该盘用于抛光时，磁流变弹性体2变形易导致晶片与金属基体1接触，硬质的金属容易对晶片表面造成损伤，影响抛光质量。优选地，磁流变弹性体2安装于金属基体1中与金属基体1上表面高度差为0.2-0.5mm之间。
进一步地，在磁流变弹性体2上表面设有若干第二沟槽22。第二沟槽22与第一沟槽11的作用类似，均用于存储抛光液。第二沟槽22的形状与尺寸可与第一沟槽11的形状及尺寸相同。
作为本发明的一个实施方式，第一沟槽11截面为矩形、V形、U形、梯形的其中一种。第一沟槽11沿一定轨迹延伸，轨迹为直线网格型、同心环型、渐开线型、螺旋型的其中一种。在本领域技术人员的认知范围内，第一沟槽11的截面积和第一沟槽11的轨迹不限于上述列举的情况。优选地，第一沟槽11宽度为1-3mm，深度为0.5-3mm，间距为5-30mm。
作为本发明的一个实施方式，磁场发生装置5形成的磁场的方向与磁流变弹性体2的轴向平行，磁场发生装置5为若干磁铁或电磁线圈，在底座6中开设有若干第二安装孔61，磁铁或电磁线圈安装于第二安装孔61中，第二安装孔61位于第一安装孔12下方，磁铁或电磁线圈的轴线与磁流变弹性体2的轴线对齐。
本发明的底座6用于安装金属基体1、磁流变弹性体2、磁场发生装置5及磁场隔离板4，并能够与抛光机主轴连接。进一步地，底座6边沿安装有定位销钉3，用于安装金属基体1和传递扭矩，同时也便于拆开，取出磁场隔离板4。第二安装孔61用于安装磁铁。
本发明的磁场发生装置5用于产生磁场，进而改变磁流变弹性体2的弹性模量。磁场发生装置5能够使得磁流变弹性体2所在区域有一定强度的磁场，磁场线8方向与磁流变弹性体2轴向平行。优选地，磁铁可以选用永磁体或电磁铁。
作为本发明的一个实施方式，若干磁流变弹性体2在金属基体1上沿矩形、环形、渐开线形的其中一种结构排布。在本领域技术人员的认知范围内，磁流变弹性体2在金属基体1上的排布不限于上述列举的情况。若干磁流变弹性体2的大小可以不相等，可以采用渐开线形排布，越靠近金属基体1外沿处的磁流变弹性体2越大。
本发明的磁场隔离板4安装于底座6上，介于磁流变弹性体2和磁场发生装置5之间，能够改变磁流变弹性体2所在区域的磁场。
优选地，磁场隔离板4为黄铜、铝合金、不锈钢材料的其中一种。为了便于磁场隔离板4的拆装，金属基板和底座6之间采用销钉3定位和连接，拆装磁场隔离板4时只需将金属基体1抬起即可。或者在底座6水平方向开有通槽，直接将磁场隔离板4平行抽取出即可，但这样容易导致底座6刚性变差，不适用于大型盘使用。也可以将隔离板做成小块的，通过拼接而成。
作为本发明的一个实施方式，磁流变弹性体2由预聚体21、磁性粒子23、发泡剂和增塑剂在磁场下硫化制成，磁性粒子23在硫化过程中受到磁场作用会沿着磁场线8方向定向排布，发泡剂在硫化过程中形成气孔24。
磁流变弹性体2中的预聚体21可以为聚氨酯、橡胶、尼龙等，金属磁性粒子23可以为羰基铁粉、四氧化三铁、氧化铁等导磁性较好的金属粒子，粒径在1-50μm之间。
实施例2
以下为本发明一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘的第二实施例，本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，如图5所示，在第一安装孔12底部设有第一通孔13，第一通孔13贯穿金属基体1底部设置，第一安装孔12的孔径大于第一通孔13的孔径；如图6所示，在第二安装孔61底部设有第二通孔62，第二通孔62贯穿底座6底部设置，第二安装孔61的孔径大于第二通孔62的孔径。
第一通孔13可便于取出更换磁流变弹性体2，第二通孔62可便于取出磁铁。
进一步地，在底座6下表面加工有螺纹孔，可便于和研磨机或抛光机的主轴连接。
实施例3
以下为本发明一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘的使用方法的实施例，本发明能够用于碳化硅、单晶硅、金刚石、氮化镓、蓝宝石、磷化铟等半导体晶片研磨和抛光。
在研磨或抛光加工前，需要配制对应的研磨、抛光液。以单晶SiC为例，研磨液或抛光液大致成分如表1所示。
表1研磨/抛光液的主要成分
种类 磨料 磨料粒径 磨料浓度 氧化剂 氧化剂浓度 电解质 电解质浓度
研磨液 金刚石 1μm 3wt％ H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> 4.5vl％ Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> 1wt％
抛光液 硅溶胶 0.2μm 5wt％ H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> 3vl％ Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> 0.5wt％
包括以下具体步骤：
S1：安装磁场隔离板4，通过蠕动泵往金属基体1的第一沟槽11及磁流变弹性体2的第二沟槽22中输送研磨液，开始研磨；
用于单晶SiC研磨加工时，需要在底座6上安装磁场隔离板4，磁场发生装置5产生的磁场不能作用于磁流变弹性体2，此时磁流变弹性体2的弹性模量较低，在抛光压力下，磁流变弹性体2变形较大，凸出于金属基体1的磁流变弹性体2被压至与金属基体1平齐，单晶SiC能够充分和金属基体1接触，在研磨液的作用下发生金属接触反应，同时磁流变弹性体2中的磁性粒子23也能与晶片表面形成金属接触反应，在晶片表面形成硬度较低反应，降低单晶SiC表面材料去除难度，实现单晶SiC表面材料快速去除。
S2：研磨完毕后，清除研磨液；
研磨液与抛光液一般均由磨料、氧化剂、电解质、基液等组成。由于研磨需要快速去除晶片表面材料，需要金属接触反应的速率较快，故研磨液中氧化剂和电解质浓度都较高，磨料硬度、粒径、浓度也较大。而抛光是为了进一步降低表面粗糙度和表面/亚表面损伤，故抛光液选用的磨料硬度较低，粒径和浓度较小。优选的磨料可以为金刚石、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化锌、氧化硅、硅溶胶等，磨料粒径在0.1-10μm，磨料浓度在0.1-10wt％之间。可选用的氧化剂可以为双氧水、高锰酸钾、高磷酸、高铁酸钾等，浓度在1-10wt％之间。
由于研磨液与抛光液的有些成分是通用的，只是浓度与比例不同，因此，也可以通过在原有研磨液的基础上，通过改变不同成分的浓度与比例使原研磨液变为抛光液，可实现节约资源，二次利用的目的；
S3：抽离磁场隔离板4，通过蠕动泵往磁流变弹性体2的第二沟槽22中输送抛光液，开始抛光；
用于单晶SiC抛光加工时，需要在拆除底座6上的磁场隔离板4，没有磁场隔离板4的屏蔽，磁场发生装置5产生的磁场作用于磁流变弹性体2使得其弹性模量显著增大，在抛光压力作用下，磁流变弹性体2的变形量小，能够避免单晶SiC和金属基体1接触，此时只有磁流变弹性体2表面的金属颗粒能与晶片发生金属接触反应，反应速率较慢，由于磁流变弹性体2的硬度远小于金属基体1，抛光过程中对单晶SiC表面的材料去除速率较小，能够有效获得超光滑无表面/亚表面损伤的加工表面。
S4：抛光完毕，结束。
研磨和抛光加工的机械作用参数如表2所示。
表2研磨/抛光加工机械作用参数
类型 压力 盘转速 工件转速 液体流量
研磨 0.4MPa 60rmp 60rmp 15mL/min
抛光 0.2MPa 50rmp 30rmp 30mL/min
在运用于研磨加工时，单晶SiC表面和金属基体1、磁流变弹性体2都有接触，能够同时与金属基体1和磁流变弹性体2表面磁性粒子23发生金属接触反应，其反应速率较快。而用于抛光加工时，单晶SiC表面只和磁流变弹性体2表面接触，只有金属磁性粒子23能与晶片表面发生金属接触反应，其反应速率较慢。
本发明的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘在使用磨损后，可以将磁流变弹性体2取下，采用机械加工的方式分别对金属基体1和磁流变弹性体2进行修整，保证盘面平整度和第一沟槽11与第二沟槽22的完整。
在金属基体1中设置的第一安装孔12与第一通孔13形成阶梯孔，便于磁流变弹性体2的取出。当磁流变弹性体2通过机械修整后，其厚度变小，难以保证与金属基体1的之间的高度差，此时需要采用机械加工对金属基体1表面去除，保证磁流变弹性上表面与金属基体1上标的高度差。
对于金属基体1和磁流变弹性体2表面微结构，即第一沟槽11与第二沟槽22，由于抛光加工过程中，单晶SiC表面不与金属基体1直接接触，但又为了保证单晶SiC与抛光液表面接触良好，所以在表2中抛光加工时液体流量大于研磨加工，同时磁流变弹性体2表面微结构即第二沟槽22不直接贯穿磁流变弹性体2整个上表面，便于储存抛光液，保证金属接触反应的速率和抛光效率以及表面质量。
本发明将金属接触反应和磁流变弹性体2弹性规律相互结合。在半导体晶片平坦化加工过程中，先利用晶片与金属间的金属接触反应，在晶片表面生成硬度较低、结合力较弱的反应层7。便于磨料去除半导体晶片表面材料。通过磁场作用和磁场隔离板4的作用，该盘既能作为刚性研磨盘，又能作为柔性抛光垫，在一个盘上能够完成研磨和抛光两种工艺，极大减小工件9装夹时间，提高半导体晶片表面平坦化效率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，其特征在于，包括金属基体(1)、若干磁流变弹性体(2)、磁场发生装置(5)、磁场隔离板(4)、底座(6)，若干磁流变弹性体(2)均装设于所述金属基体(1)中，所述磁场发生装置(5)装设于所述底座(6)且位于磁流变弹性体(2)下方，所述磁场隔离板(4)可拆卸安装于金属基体(1)与底座(6)之间，金属基体(1)与底座(6)可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，其特征在于，在所述金属基体(1)上开设有若干用于装设所述磁流变弹性体(2)的第一安装孔(12)，在金属基体(1)上表面还开设有若干用于存储研磨液或抛光液的第一沟槽(11)，所述第一沟槽(11)与所述第一安装孔(12)错位设置。
3.根据权利要求2所述的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，其特征在于，所述磁流变弹性体(2)在所述第一安装孔(12)内安装后凸出所述金属基体(1)上表面设置，在磁流变弹性体(2)上表面设有若干第二沟槽(22)。
4.根据权利要求3所述的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，其特征在于，所述磁场发生装置(5)形成的磁场的方向与磁流变弹性体(2)的轴向平行，磁场发生装置(5)为若干磁铁或电磁线圈，在底座(6)中开设有若干第二安装孔(61)，所述磁场发生装置(5)安装于所述第二安装孔(61)中，所述第二安装孔(61)位于所述第一安装孔(12)下方，磁场发生装置(5)的轴线与所述磁流变弹性体(2)的轴线对齐。
5.根据权利要求2至4任一项所述的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，其特征在于，所述第一沟槽(11)截面为矩形、V形、U形、梯形的其中一种；所述第一沟槽(11)沿一定轨迹延伸，所述轨迹为直线网格型、同心环型、渐开线型、螺旋型的其中一种。
6.根据权利要求5所述的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，其特征在于，若干磁流变弹性体(2)在所述金属基体(1)上沿矩形、环形、渐开线形的其中一种结构排布。
7.根据权利要求1所述的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，其特征在于，所述金属基体(1)采用的金属材料为铸铁、铝合金、树脂铜、锡合金的其中一种；磁场隔离板(4)为黄铜、铝合金、不锈钢材料的其中一种。
8.根据权利要求4所述的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，其特征在于，在所述第一安装孔(12)底部设有第一通孔(13)，所述第一通孔(13)贯穿所述金属基体(1)底部设置，所述第一安装孔(12)的孔径大于第一通孔(13)的孔径；在所述第二安装孔(61)底部设有第二通孔(62)，所述第二通孔(62)贯穿所述底座(6)底部设置，所述第二安装孔(61)的孔径大于第二通孔(62)的孔径。
9.根据权利要求1所述的半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘，其特征在于，所述磁流变弹性体(2)由预聚体(21)、磁性粒子(23)、发泡剂和增塑剂在磁场下硫化制成，磁性粒子(23)在硫化过程中受到磁场作用会沿着磁场线(8)方向定向排布，发泡剂在硫化过程中形成气孔(24)。
10.一种半导体晶片磁控研磨和抛光一体盘的使用方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1：安装磁场隔离板(4)，往金属基体(1)的第一沟槽(11)及磁流变弹性体(2)的第二沟槽(22)中滴入研磨液，开始研磨；
S2：研磨完毕后，清除研磨液；
S3：抽离磁场隔离板(4)，往磁流变弹性体(2)的第二沟槽(22)中滴入抛光液，开始抛光；
S4：抛光完毕，结束。
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