CN115648054A - 一种多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置及方法，包括：基座、工作台、龙门单元、抛光盘单元、主轴单元及抛光液槽，所述工作台固定安装在基座上；龙门单元、主轴单元及抛光液槽分别固定安装在工作台上；所述抛光盘单元固定安装在龙门单元上，所述抛光盘单元包括具有多工位的真空导电吸盘和LED紫外灯，通过抛光液使工位中作为阳极的晶片表面和作为阴极的抛光盘形成闭合回路，完成晶片表面的光电化学抛光。本发明的装置与方法相辅相成，自动化程度高，可同时实现多工位抛光，节约加工时间，能够实现宽禁带半导体晶片的高质高效抛光。
Description
技术领域
本发明属于抛光加工领域，更具体地说是一种多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置及方法。
背景技术
近年来，随着5G通讯、新能源汽车、大功率器件、超高压输电、超高速铁路等民用和军事关键领域对高性能半导体器件需求的提升，致使半导体器件朝着高度集成化以及特征尺寸缩小化趋势发展，以SiC、GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料成为功率电子行业的研发和产业化应用的重点。而这些半导体晶片表面质量直接影响器件的使用性能。因此，用于制备半导体器件的宽禁带半导体晶片必须具有超光滑无损伤表面。
SiC、GaN等宽禁带半导体材料硬度极高，化学惰性极强，属典型的超硬脆难加工材料，采用常规化学机械抛光方法加工时加工效率极低(单工位加工，且晶片固定、拆卸工序繁琐)，GaN晶片的材料去除率仅为17nm/h(Hideo Aida,et al.Chemical MechanicalPolishing of Gallium Nitride with Colloidal Silica.Journal of TheElectrochemical Society,158(12),H1206.)，SiC晶片的材料去除率小于100nm/h(Zhou,et al.Chemomechanical polishing of silicon carbide.J.electrochem.soc,1997,144(6):L161-L163.)，这样的材料去除率不足以用于实际制造，严重制约了第三代半导体器件制造技术的发展及其在相关领域的应用，成为第三代半导体基片加工中亟待解决的瓶颈问题。
申请公布号为CN 107877352 A的中国专利公开了“半导体晶片光电化学机械抛光装置”，采用光化学机械抛光方法，半导体晶片需要通过石蜡粘接固定，安装和拆卸均需要对石蜡进行加热处理，工序繁琐。此外，该装置抛光垫直径小于晶片直径，不能实现多工位同时加工且抛光后表面质量不均匀。不能实现多工位同时加工，不适用于产业化批量抛光半导体晶片。
授权公告号为CN 109465739 B的中国专利公开了“一种半导体晶片光电化学机械抛光加工装置”采用导电胶将晶片固定后并用石蜡进行密封，晶片固定安装工序更为繁琐。发明人在使用该专利装置的过程中，发现了晶片固定及拆卸两个过程都需要对石蜡进行融化，融化加热时间长，且需要将抛光头拆卸；通过石蜡密封会出现熔融石蜡流动到工件表面，需要对工件进行二次清洗，延长加工时间等问题。该装置结构不适用于大批量的产线加工。
专利申请公布号CN113134784A公开了“一种半导体晶圆无线光电化学机械抛光的方法及装置”，单工位加工，跑光盘上若干个小孔据需要正负极布置，需要人工手动布置，花费时间长，且不能量产。对晶片抛光过程中，晶片表面氧化正负极无序化，存在晶片表面加工质量不均匀等问题。同样，需要使用石蜡融化固定晶片，工艺繁琐，不适用于产业化加工使用。
此外，现有光电化学机械抛光装置不具备抛光压力的测量与反馈调节的功能，不能控制材料去除形式，影响加工质量。
发明内容
本发明针对以上背景技术提出的问题而研究设计出一种多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置及方法。本发明的技术手段如下：
一种多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，包括：基座、工作台、龙门单元、抛光盘单元、主轴单元及抛光液槽。所述工作台固定安装在基座上；龙门单元、主轴单元及抛光液槽分别固定安装在工作台上；所述抛光盘单元固定安装在龙门单元上，所述抛光盘单元包括具有多工位的真空导电吸盘和LED紫外灯，通过抛光液使工位中作为阳极的晶片表面和作为阴极的抛光盘形成闭合回路，完成晶片表面的光电化学抛光。
所述龙门单元包括：直线导轨、滑台、龙门基架。所述直线导轨固定安装在龙门基架上，所述滑台能够在直线导轨上滑动。
所述抛光盘单元包括：支撑架、气缸、抛光盘电机、支撑轴、轴承、大带轮、仿形座、缓冲阻尼器、传递销、转接盘、LED紫外灯、抛光盘、法兰轴、LED紫外灯座、碳刷、连接架、V带、小带轮。所述气缸固定安装在龙门单元的滑台上，气缸推杆与支撑架相连；所述抛光盘电机固定安装在支撑架上，抛光盘电机主轴与小带轮连接；所述支撑轴通过轴承固定安装在支撑架上。所述仿形座为外球面轴承带有方形座，外球面轴承的外圈与方形座固定连接，仿形座的方形座通过螺栓固定安装在转接盘上；仿形座的外球面轴承内圈与支撑轴的另一端固定连接。大带轮固定安装在支撑轴上，通过V带与小带轮连接，大带轮上与转接盘对应面上呈180度布置2根传递销，以2根传递销为中线，两侧各均布2根缓冲阻尼器，传递销、缓冲阻尼器均与转接盘浮动连接；转接盘上带有小孔，传递销伸入小孔，通过小孔传递圆周方向扭矩，但与小孔底部留有间隙。缓冲阻尼器为可伸缩杆，通过弹簧将缓冲阻尼器接头与转接盘连接。法兰轴法兰端与转接盘固定连接；LED紫外灯通过紫外灯座固定安装在抛光盘上表面，抛光盘与法兰轴固定连接。所述抛光盘与法兰轴之间垫有特氟龙绝缘纸，防止电路通过法兰轴与上端接通；
所述抛光盘带有叶序状(或其他周期排列)通孔，抛光盘边缘带有台阶，用于存储待添加抛光液及防止液体飞溅。所述抛光盘上粘接带有同样通孔的抛光垫，所述抛光垫为聚氨酯抛光垫，无纺布抛光垫，绒布抛光垫中的一种；所述碳刷与抛光盘外圈滑动连接，碳刷通过连接架固定安装在支撑架上，碳刷与电化学工作站阴极相连。所述的LED紫外灯波长为365nm，光照强度可调；
所述主轴单元包括：吸盘转接盘、真空导电吸盘基座、不锈钢微孔芯、电导线、液体密封圈、气路密封圈、电动回转台、气体旋转接头、中空导电滑环、薄膜压力传感器。所述电动回转台固定安装在工作台上，中空导电滑环的旋转端与电动回转台固定连接实现一同旋转，中空导电滑环的固定端与电化学工作站的阳极相连；气体旋转接头通过螺纹连接在吸盘转接盘上，吸盘转接盘上贴有薄膜压力传感器并固定安装在电动回转台上；不锈钢微孔芯固定安装在真空导电吸盘基座上，并通过导线将各个工位上的不锈钢微孔芯实现电路导通，汇总的导线与中空导电滑环连接；所述真空导电吸盘基座与吸盘转接盘通过液体密封圈和气路密封圈实现液体和气体密封；所述真空导电吸盘基座共有六个工位。每个工位上的抛光件应为同一种规格尺寸，工件数量可根据实际需求小于等于工位数量。若实际加工数量小于工位数量，需要用薄膜将工位不锈钢微孔芯覆盖，防止短路。本发明仅以多工位为例，可通过改变真空导电吸盘基座及不锈钢微孔芯的尺寸比例和微孔芯在真空导电吸盘基座上的位置来调节工件尺寸、工位数量等。
本发明还提供了上述多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光方法，包括以下步骤：
步骤1、电化学抛光液配置：粒径为20–30nm的SiO2悬浮液(质量浓度为7wt％)+K2SO4水溶液(0.15M)，本发明中，选用粒径为20–30nm的SiO2悬浮液可以保证抛光质量，浓度为7wt％是为了保证透光性，减少对紫外光的遮挡。
步骤2、晶片清洗：首先，将晶片浸入无水乙醇中超声清洗5分钟，去离子水反复冲洗3分钟。然后，将其浸入浓HF溶液(50wt％)中10分钟，用去离子水反复冲洗10分钟。最后，用纯氮气吹干。
步骤3、晶片放置到真空导电吸盘的不锈钢微孔芯上，真空导电吸盘气路接通，实现晶片吸附固定；
步骤4、移动并调整抛光盘的位置并与晶片接触，通过压力传感器对抛光压力进行信号采集，对信号进行处理。处理后的信号可以反馈给气缸，调整抛光压力；也可以反馈到电化学工作站，调整电化学工作站的阳极氧化电位，调节氧化速率。
步骤5、抛光液通过抛光盘上的通孔滴加到晶片表面，并形成液膜；
步骤6、LED紫外灯通过抛光盘上的通孔直接照射到晶片表面；
步骤7、通过抛光液使作为阳极的晶片表面和作为阴极的抛光盘形成闭合回路；电化学工作站施加阳极偏压，分离紫外光照射晶片表面产生的电子-空穴对，晶片表面改性生成软质氧化层；
步骤8、主轴驱动晶片自转，转速为200rpm，抛光盘旋转并往复移动，转速为120rpm，抛光垫压覆抛光粒子(硬度介于氧化层和基体之间)去除晶片表面的氧化层，抛光压力可调，表面氧化-机械去除往复循环，实现晶片的高质高效抛光。
步骤9、依次采用丙酮，酒精，2wt％氢氟酸，去离子水清洗后用纯氮气吹干晶片。
本发明提供一种多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置及方法，该装置自动化程度高，可同时实现多工位抛光，加工效率高，能够实现宽禁带半导体晶片的高质高效抛光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用真空导电吸盘固定晶片，保证晶片固定的同时可以对晶片施加阳极偏压，工序简单，不需要导电胶粘接固定并配合石蜡密封，节省人力成本，减少加工时间，尤其是对工件进行二次清洗的时间。
2)采用多工位同时加工，现有加工装置加工1片晶片时间，本发明可以同时加工多片，节省加工时间，提高加工效率。
3)本发明在抛光过程中可实现抛光压力信号的采集、处理与反馈。气缸通过反馈信号及时调整抛光压力，能够去除上一道工序产生的亚表面损伤的同时不会出现新的损伤层，保证抛光质量；电化学工作站可以通过反馈信号调整阳极氧化电位，调节氧化速率，保证氧化速率与机械去除速率平衡，实现近无损伤的加工表面。
4)采用光电化学机械抛光的方法，真空导电吸盘对晶片施加阳极偏压，进一步分离紫外光源照射到晶片表面激发的电子-空穴对，晶片表面发生氧化生成软化层，机械去除，表面氧化-机械去除往复循环，实现晶片的高质高效抛光。
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部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明隐藏了部分抛光液槽的多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置结构示意图；
图2为本发明实施例中龙门单元示意图；
图3为本发明实施例中抛光盘单元示意图；
图4为本发明实施例中叶序状抛光盘示意图
图5为本发明实施例中主轴单元示意图；
图6为本发明实施例中加工工艺流程图；
图中：1-基座；2-工作台；3-龙门单元；4-抛光盘单元；5-主轴单元；6-抛光液槽；7-直线导轨；8-滑台；9-龙门基架；10-支撑架；11-气缸；12-抛光盘电机；13-支撑轴；14-轴承；15-大带轮；16-仿形座；17-连接装置；18-转接盘；19-LED紫外灯；20-抛光盘；21-法兰轴；22-LED紫外灯座；23-碳刷；24-连接架；25-V带；26-小带轮；27-吸盘转接盘；28-真空导电吸盘基座；29-不锈钢微孔芯；30-电导线；31-液体密封圈；32-气路密封圈；33-电动回转台；34-气体旋转接头；35-中空导电滑环；36-薄膜压力传感器
具体实施方式
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。
如图1所示，一种多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，工作台2固定安装在基座1上；龙门单元3、主轴单元5及抛光液槽6分别固定安装在工作台2上；抛光盘单元4固定安装在龙门单元3上。
参见图1，图2，所述直线导轨7固定安装在龙门基架8上。
参见图1，图2，图3，所述气缸11固定安装在龙门单元3的滑台8上，气缸推杆与支撑架10相连；所述抛光盘电机12固定安装在支撑架10上，抛光盘电机12主轴与小带轮26连接；所述支撑轴13通过轴承14固定安装在支撑架10上。所述仿形座为外球面轴承带有方形座，外球面轴承的外圈与方形座固定连接，仿形座16的方形座通过螺栓固定安装在转接盘18上；仿形座16的外球面轴承内圈与支撑轴13的另一端固定连接。大带轮15固定安装在支撑轴13上，通过V带25与小带轮26连接，大带轮15上与转接盘18对应面上呈180度布置连接装置17，具体为2根传递销，以2根传递销为中线，两侧各均布2根缓冲阻尼器，传递销、缓冲阻尼器均与转接盘18浮动连接；转接盘18上带有小孔，传递销伸入小孔，通过小孔传递圆周方向扭矩，但与小孔底部留有间隙。缓冲阻尼器为可伸缩杆，通过弹簧将缓冲阻尼器接头与转接盘18连接。法兰轴21法兰端与转接盘18固定连接；LED紫外灯19通过紫外灯座22固定安装在抛光盘20上表面，抛光盘20与法兰轴21固定连接。所述抛光盘20与法兰轴21之间垫有特氟龙绝缘纸，防止电路通过法兰轴21与上端接通；
参见图4，所述抛光盘20带有叶序状(或其他周期排列)通孔，抛光盘20边缘带有台阶，用于存储待添加抛光液及防止液体飞溅，待添加抛光液可以存储在抛光盘内，这样可以保证抛光液滴加均匀。所述抛光盘20上粘接带有同样通孔的抛光垫，所述抛光垫为聚氨酯抛光垫，无纺布抛光垫，绒布抛光垫中的一种；所述碳刷23与抛光盘外圈滑动连接，碳刷23通过连接架24固定安装在支撑架10上，碳刷与电化学工作站阴极相连。所述的LED紫外灯19波长为365nm，光照强度可调；
参见图1，图5，电动回转台33固定安装在工作台2上，中空导电滑环35的旋转端与电动回转台33固定连接实现一同旋转，中空导电滑环35的固定端与电化学工作站的阳极相连；气体旋转接头34通过螺纹连接在吸盘转接盘27上，吸盘转接盘27上贴有薄膜压力传感器36并固定安装在电动回转台33上；不锈钢微孔芯29固定安装在真空导电吸盘基座28上，并通过电导线30将各个工位上的不锈钢微孔芯29实现电路导通，汇总的导线与中空导电滑环35连接；所述真空导电吸盘基座28与吸盘转接盘27通过液体密封圈31和气路密封圈32实现液体和气体密封；所述真空导电吸盘基座28共有六个工位；每个工位上的抛光件应为同一种规格尺寸，工件数量可根据实际需求小于等于工位数量。若实际加工数量小于工位数量，需要用薄膜将工位不锈钢微孔芯覆盖，防止短路。本发明仅以六工位为例，可通过改变真空导电吸盘基座及不锈钢微孔芯的尺寸比例和微孔芯在真空导电吸盘基座上的位置来调节工件尺寸、工位数量等。
参见图1，图6，为本发明基于多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置的工艺流程。
最后应说明的是：以上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实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，包括：基座、工作台、龙门单元、抛光盘单元、主轴单元及抛光液槽，所述工作台固定安装在基座上；龙门单元、主轴单元及抛光液槽分别固定安装在工作台上；所述抛光盘单元固定安装在龙门单元上，所述抛光盘单元包括具有多工位的真空导电吸盘和LED紫外灯，通过抛光液使工位中作为阳极的晶片表面和作为阴极的抛光盘形成闭合回路，完成晶片表面的光电化学抛光。
2.根据权利要求1所述多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述龙门单元包括：直线导轨、滑台、龙门基架，所述直线导轨固定安装在龙门基架上，所述滑台能够在直线导轨上滑动。
3.根据权利要求1所述多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述抛光盘单元包括：支撑架、气缸、抛光盘电机、支撑轴、轴承、大带轮、仿形座、LED紫外灯、转接盘、抛光盘、法兰轴、LED紫外灯座、V带和小带轮，所述气缸固定安装在龙门单元的滑台上，气缸的推杆与支撑架相连；所述抛光盘电机固定安装在支撑架上，抛光盘电机主轴与小带轮连接；所述支撑轴通过轴承固定安装在支撑架上，所述仿形座为外球面轴承带有方形座，外球面轴承的外圈与方形座固定连接，仿形座的方形座通过螺栓固定安装在转接盘上；仿形座的外球面轴承内圈与支撑轴的另一端固定连接，大带轮固定安装在支撑轴上，通过V带与小带轮连接，大带轮的输出端通过转接盘与法兰轴相连，法兰轴法兰端与转接盘固定连接；LED紫外灯通过LED紫外灯座固定安装在抛光盘上表面，抛光盘与法兰轴固定连接；
还包括碳刷和连接架，碳刷与抛光盘外圈滑动连接，碳刷通过连接架固定安装在支撑架上，碳刷与电化学工作站阴极相连，所述抛光盘与法兰轴之间垫有特氟龙绝缘纸，用于防止电路通过法兰轴与上端接通。
4.根据权利要求3所述多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，大带轮与转接盘对应面上呈180度布置2根传递销，以2根传递销为中线，两侧各均布2根缓冲阻尼器，传递销、缓冲阻尼器均与转接盘浮动连接；转接盘上带有小孔，传递销伸入小孔，通过小孔传递圆周方向扭矩，但与小孔底部留有间隙，缓冲阻尼器为可伸缩杆，通过弹簧将缓冲阻尼器接头与转接盘连接。
5.根据权利要求3所述多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述抛光盘带有周期排列的通孔，抛光盘边缘带有台阶，用于存储待添加抛光液及防止液体飞溅，所述抛光盘上粘接带有同样通孔的抛光垫，所述抛光垫为聚氨酯抛光垫，无纺布抛光垫，绒布抛光垫中的任一种。
6.根据权利要求1所述多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述主轴单元包括：吸盘转接盘、真空导电吸盘基座、不锈钢微孔芯、导线、液体密封圈、气路密封圈、电动回转台、气体旋转接头、中空导电滑环、薄膜压力传感器，所述电动回转台固定安装在工作台上，中空导电滑环的旋转端与电动回转台固定连接实现一同旋转，中空导电滑环的固定端与电化学工作站的阳极相连；气体旋转接头通过螺纹连接在吸盘转接盘上，吸盘转接盘上贴有薄膜压力传感器并固定安装在电动回转台上；不锈钢微孔芯固定安装在真空导电吸盘基座上，并通过导线将各个工位上的不锈钢微孔芯实现电路导通，汇总的导线与中空导电滑环连接；所述真空导电吸盘基座与吸盘转接盘通过液体密封圈和气路密封圈实现液体和气体密封。
7.根据权利要求6所述多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，所述真空导电吸盘基座具有多个工位，每个工位上的抛光件为同一种规格尺寸，工件数量可根据实际需求小于等于工位数量，若实际加工数量小于工位数量，需要用薄膜将工位不锈钢微孔芯覆盖。
8.根据权利要求1或6所述多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光装置，其特征在于，还包括抛光压力信号采集单元，所述抛光压力信号采集单元用于采集抛光过程中抛光盘与晶片接触压力，气缸基于采集的信号及时调整抛光压力，电化学工作站通过反馈信号调整阳极氧化电位，进而调节氧化速率。
9.一种多工位宽禁带半导体晶片光电化学机械抛光方法，其他特征有，包括以下步骤：
步骤1、电化学抛光液配置；
步骤2、晶片清洗；
步骤3、晶片放置到真空导电吸盘的不锈钢微孔芯上，真空导电吸盘气路接通，实现晶片吸附固定；
步骤4、移动并调整抛光盘的位置并与晶片接触，通过压力传感器对抛光压力进行信号采集，对信号进行处理，反馈给气缸，调整抛光压力；
步骤5、抛光液通过抛光盘上的通孔滴加到晶片表面，并形成液膜；
步骤6、LED紫外灯通过抛光盘上的通孔直接照射到晶片表面；
步骤7、通过抛光液使作为阳极的晶片表面和作为阴极的抛光盘形成闭合回路；电化学工作站施加阳极偏压，分离紫外光照射晶片表面产生的电子-空穴对，晶片表面改性生成软质氧化层；
步骤8、主轴驱动晶片自转，抛光盘旋转并往复移动，抛光垫压覆抛光粒子去除晶片表面的氧化层，抛光压力可调，表面氧化-机械去除往复循环，实现晶片的高质高效抛光；
步骤9、清洗晶片后吹干。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，电化学抛光液包括粒径为20–30nm的SiO2悬浮液和K2SO4水溶液，其中，SiO2悬浮液的质量浓度为7wt％，K2SO4水溶液的浓度为0.15M；
所述步骤2中，首先，将晶片浸入无水乙醇中超声清洗5分钟，去离子水反复冲洗3分钟，然后，将其浸入浓HF溶液中10分钟，用去离子水反复冲洗10分钟，最后，用纯氮气吹干。
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