CN116038555A - 一种激光剥离碳化硅减薄片的串联抛光装置 - Google Patents

一种激光剥离碳化硅减薄片的串联抛光装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种激光剥离碳化硅减薄片串联抛光装置，所述串联抛光装置包括：工作台以及通过所述工作台依次串联连接的第i抛光机构，所述第i抛光机构包括第i抛光组件、第i供液组件、第i导向组件，其中，i为自然数且从1遍历至n，n为自然数且不小于2。本发明串联抛光装置采用全单片单面抛光，大幅度提升衬底的厚度均匀性，实现对单片晶片的精确控制。

Description

一种激光剥离碳化硅减薄片的串联抛光装置
技术领域
本发明涉及晶体材料加工技术领域，具体来讲，涉及一种激光剥离碳化硅减薄片的串联抛光装置。
背景技术
由于电动汽车和5G的发展和应用，对于第三代半导体材料如碳化硅、氮化镓等需求日益增加，但由于第三代半导体材料高硬度和高物理性质稳定性等特性，导致第三代半导体衬底的制造难度极高，其中尤其体现在晶片的化学机械抛光工序；为了使晶片达到外延标准，需对晶片进行超精密的化学机械抛光；因此需要一种第三代半导体化学机械抛光装置。
随着产业的发展，对于元器件的性能要求越来越高，逐步逼近硅材料的物理极限。碳化硅衬底由于其优异的物理特性，相比于Si材料，在高压、高频、高温等领域有着无可比拟的优势。目前广泛应用于电力电子，微波射频器件及高端照明等领域。
碳化硅晶体莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，物理化学性质及其稳定，是典型的硬脆材料，超精密加工一直是业界面临的难题。目前行业现状是，国内6英寸处于上量阶段，8寸处于研发阶段，国外6英寸已经量产，8英寸处于小批量阶段。8英寸必然是未来发展的趋势。目前国际上已经实现了8英寸衬底的小批量生产，国内衬底厂商也在进行8英寸碳化硅衬底的研发，随着尺寸向8英寸扩展，加工问题更加突出，严重制约着衬底产业化发展。
传统的抛光方式是4个并联的抛光头，每个抛光头放置多个晶片进行抛光。这种抛光盘面放置一批晶片进行批量加工的方式，无法实现单片晶片的精确控制。
发明内容
发明人表示：传统的抛光方式是4个并联的抛光组件，每个抛光组件放置多个晶片进行抛光，无法实现单个晶片质量的精确控制。本发明抛光装置采用依次串联的抛光组件，可以实现单晶片由第1抛光组件粗抛加工后，转移至第2抛光组件进行中抛，然后转移到第三个抛光组件进行精抛。本发明抛光装置采用全单片单面抛光，可以大幅度提升后续衬底的厚度均匀性同时改善晶片表面的粗糙度，实现对晶片质量的精确控制。此外本发明抛光装置可以根据想要达到的晶片质量进行2次以上抛光。
本发明提供一种激光剥离碳化硅减薄片串联抛光装置，所述串联抛光装置包括：工作台以及通过所述工作台依次串联连接的第i抛光机构，所述第i抛光机构包括第i抛光组件、第i供液组件、第i清扫组件、第i回收组件，其中，i为自然数且从1遍历至n，n为自然数且不小于2。
其中，所述第i抛光组件固定于工作台上并包括设置有第i抛光垫的能够自转的第i抛光盘以及第i抛光头；所述第i抛光头位于第i抛光盘的周边，抛光过程中第i抛光头能够固定待抛光的晶片实现把待抛光的晶片的一个面按在第i抛光盘上进行抛光操作；所述第i供液组件用于向第i抛光盘中注抛光液。所述第i清扫组件位于抛光盘的两侧能够在抛光过程中实现废渣清扫；所述第i回收组件位于抛光盘的下方，能够实现回收抛光后的废液和废渣；且第i+1抛光机构得到的晶片表面粗糙度小于第i抛光机构得到的晶片表面粗糙度。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明串联抛光装置采用全单片单面抛光，可以大幅度提升后续衬衬底的厚度均匀性同时改善衬底表面粗糙度，实现对晶片质量的精确控制。
(2)本发明串联抛光装置与现有技术相比，通过在抛光装置上设置自动移动组件，自动化程度高，得到的晶片一致性好。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明激光剥离碳化硅减薄片串联抛光装置整体结构示意图。
附图标记说明：
1-抛光盘、2-抛光头、3-供液组件、4-清扫组件、5-自动移动组件、6-待抛光晶片承载组件、7-抛光后晶片收纳组件、8-第1抛光机构，9-第2抛光机构，10-第3抛光机构。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“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。
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，还可以是通信；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。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的第一个实例性实施例中，本发明激光剥离碳化硅减薄片串联抛光装置包括：
工作台以及通过所述工作台依次串联连接的第i抛光机构，所述第i抛光机构包括第i抛光组件、第i供液组件、第i清扫组件、第i回收组件，其中，i为自然数且从1遍历至n，n为自然数且不小于2。例如，i为2时，包括依次串联连接的第1抛光机构和第2抛光机构。其中，第1抛光机构中包括第1抛光组件、第1供液组件、第1清扫组件、第1回收组件；第2抛光机构中包括第2抛光组件、第2供液组件、第2清扫组件、第2回收组件。然而，并发明并不限于此，可以根据所需晶片的质量情况进行多次抛光。
其中，所述第i抛光组件固定于工作台上并包括设置有第i抛光垫的能够自转的第i抛光盘以及第i抛光头；所述第i抛光头位于第i抛光盘的周边，第i抛光头的轴心与第i抛光盘轴心的距离范围为100～200mm。抛光过程中第i抛光头能够固定待抛光的晶片实现把待抛光的晶片的一个面按在第i抛光盘上进行抛光操作。例如，所述第i抛光头的上部设置有气缸结构；抛光过程中能够将待抛光的晶片吸附到第i抛光头上固定待抛光晶片，同时气缸结构能够给抛光头施加向下的压力实现待抛光晶片的单面抛光。此外第i抛光垫可以套装抛光盘上或真空吸附在抛光盘上，第i抛光垫的粗糙度高于第i+1抛光垫，有助于进一步降低晶片的表面粗糙度。此外，抛光过程中，一方面第i抛光盘能够沿轴心进行自转，第i抛光头也能够沿轴心进行自转，两方面的转动可以实现在单面抛光时能够使待抛光晶片处于相对旋转摩擦，更加保证粗糙度的同时保证晶片厚度均匀性。抛光过程中，第i抛光盘和第i抛光头可以同时顺时针自转也可以同时逆时针旋转，第i抛光盘的转动速度比第i抛光头高。
所述第i供液组件用于向第i抛光盘中注抛光液。例如，所述第i供液组件固定于第i抛光盘的上方且包括第i抛光液桶，所述抛光液桶与流速控制管道相连接可以实现抛光液以一定流速滴加入抛光盘中。或者第i供液组件可以通过吸管直接把抛光液滴加入抛光盘。然而，本发明并不限于此。
所述第i清扫组件位于抛光盘的两侧能够在抛光过程中实现废渣清扫。抛光过程中一直存在摩擦，若摩擦轨迹不是很均匀，就会导致抛光垫的一部分绒毛被磨损比较多，通过清扫组件可以把绒毛从抛光盘刮竖起来，保证一定程度的去除率。例如，清扫组件可以是毛刷构件，在抛光过程中能够呈一定角度摆动实现对抛光盘表面残渣的清除。例如180°角度摆动。
所述第i回收组件位于抛光盘的下方，能够实现回收抛光后的废液和废渣；且第i+1抛光机构得到的晶片表面粗糙度小于第i抛光机构得到的晶片表面粗糙度。例如，第i回收组件包括第i回收槽。第i抛光盘的下方及边缘设置有与第i回收组件相连通的通道用于将抛光后的废液及废渣收集到回收槽中。所述废液进行过滤后可以继续用于晶片抛光，但为了保证进一步保证晶片的质量，废液一般可以继续作为抛光液，重复使用1-2次。
其中，所述减薄片是通过碳化硅剥离片减薄得到。所述碳化硅剥离片的尺寸不小于8英寸，表面粗糙度10～50μm，GBIR为＜20μm，Bow≤60μm，Sori≤100μm，损伤层深度≤100μm且表面裂纹台阶高度最大值不超过损伤层深度的70％，表面按照激光扫描方向均匀布满微裂纹，此外，所述碳化硅剥离片的厚度为100～1000μm。
在本发明中Bow指的是弯曲度，代表晶片中心相对参考平面凹或凸的程度。Sori指的是基于最小二乘法前表面的翘曲度，代表衬底整体相对于中位面的偏差程度。GBIR(Global flatness back ideal range)指的是总厚度偏差。
所述减薄片表面粗糙度1～10nm，GBIR为＜5μm，Bow为＜30μm，Sori为＜60μm。
经串联抛光装置进行抛光后所得到的抛光片表面粗糙度不高于0.5nm，GBIR为＜3μm，Bow为＜20μm，Sori为＜40μm，表面无痕迹或裂纹或损伤。
在本发明的第二示例性实施例中，在第一实施例的基础上，所述串联抛光装置还包括自动移动组件，所述自动移动组件类似于机械手构件，能够将待抛光的晶片移动到第i抛光机构上、将晶片从第i抛光机构移动到第i+1抛光机构或者将晶片从i+1抛光机构上移入抛光后晶片收纳组件中。此外，自动移动组件能够直线移动或呈一定角度移动。例如，待抛光晶片进行3次串联抛光时，自动移动组件可以实现将待抛光晶片移动到第1抛光构件上，当第1次抛光结束后，自动移动组件可以将经1次抛光后的晶片从第1抛光构件上移动到第2抛光构件上，第2次抛光结束后，自动移动组件实现将经2次抛光后的晶片从第2抛光构件上移动到第3抛光构件上，第3次抛光结束后，自动移动组件实现将经3次抛光后的晶片移动到晶片收纳组件中或者进行该晶片另一面的抛光处理。其中，第1抛光机构为粗抛机构实现对晶片的粗抛，第2抛光机构为中抛机构实现对晶片的中抛，第3抛光机构为精抛机构实现对晶片的精抛。粗抛得到的晶片的粗糙度比中抛高，而中抛得到的晶片的粗糙度比精抛高。
在本发明的第三实例性实施例中，如图1所示，图1中示出了本发明激光剥离碳化硅减薄片串联抛光装置的结构示意图。
本实施例中，参考图1所示，激光剥离碳化硅减薄片串联抛光装置包括：工作台以及通过所述工作台依次串联连接的第1抛光机构8、第2抛光机构9以及第3抛光机构10，抛光过程中减薄片盛放在待抛光晶片承载组件6中，进行抛光时，自动移动组件5将待抛光减薄片移动到第1抛光机构8，先经过第1抛光机构8进行第1次抛光，然后将第1次抛光后的晶片在第2抛光机构9进行第2次抛光，最后将第2次抛光后的晶片在第3抛光机构10进行第3次抛光后得到我们所想要的抛光片，将所得到的抛光片经自动移动组件移动到抛光后晶片收纳组件7中。其中，所述自动移动组件可以设置为一个或多个，自动移动组件可以进行直线角度的移动也可以呈一定角度进行移动。例如，三个抛光机构可以顺次设置围成圆型，可以设置一个自动移动组件呈360℃角度移动，或者可以在每个步骤分别设置一个自动移动组件呈一定角度进行移动。然而，本发明并不限于此。参考图1所示，图中示出了2个自动移动组件分别设置在抛光开始和抛光结束阶段。另外本发明也可以通过人工取件的形式实现待抛光晶片制件的切换。
参考图1所示，抛光组件固定于工作台上并包括设置有抛光垫(图中未示出)的能够自转的抛光盘1以及抛光头2；所述抛光头2位于抛光盘1的边缘，抛光过程中抛光头2能够固定待抛光的晶片实现把待抛光的晶片的一个面按在抛光盘1上进行抛光操作。例如，抛光头2的上部设置有气缸结构；抛光过程中能够将待抛光的晶片吸附到抛光头2下方起到固定待抛光晶片的作用，同时气缸结构能够给抛光头1施加向下的压力实现待抛光晶片的单面抛光。此外抛光垫可以套装抛光盘1上或真空吸附在抛光盘1上，第1抛光垫的粗糙度高于第2抛光垫的粗糙度，有助于进一步降低晶片的表面粗糙度。此外，抛光过程中，抛光盘1能够沿轴心进行自转，抛光头2也能够沿轴心进行自转，抛光盘1和抛光头2的转动能够使待抛光晶片处于相对旋转摩擦状态，使抛光后的晶片保证粗糙度的同时保证晶片厚度均匀性。另外，抛光过程中，抛光盘1和抛光头2可以同时顺时针自转也可以同时逆时针旋转且抛光盘1的转动速度比第抛光头2高。
所述供液组件3固定于抛光盘1的上方且包括抛光液桶(图中未示出)，所述抛光液桶与流速控制管道相连接可以实现抛光液以一定流速滴加入抛光盘中。或者供液组件3可以通过吸管直接把抛光液滴加入抛光盘1中。然而，本发明并不限于此。
所述清扫组件3位于抛光盘1的边缘能够在抛光过程中实现抛光盘上废渣清扫。由于抛光过程中一直存在摩擦，若摩擦轨迹不是很均匀，就会导致抛光垫的一部分绒毛被磨损比较多，通过清扫组件可以把绒毛从抛光垫刮竖起来，保证一定程度的去除率。例如，本实施例中清扫组件可以是毛刷构件，在抛光过程中能够呈一定角度摆动实现对抛光盘表面残渣的清除。例如180℃角度摆动。
所述回收组件(图中未示出)位于抛光盘1的下方，能够实现回收抛光后的废液和废渣。例如，本实施例中回收组件包括回收槽。抛光盘1的下方及边缘设置有与回收组件相连通的通道用于将抛光后的废液及废渣收集到回收槽中。所述废液进行过滤后可以继续用于晶片抛光。
本发明源于泰山产业领军人才工程专项经费资助。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种激光剥离碳化硅减薄片串联抛光装置，其特征在于，所述串联抛光装置包括：工作台以及通过所述工作台依次串联连接的第i抛光机构，所述第i抛光机构包括第i抛光组件、第i供液组件、第i清扫组件、第i回收组件，其中，i为自然数且从1遍历至n，n为自然数且不小于2；
其中，所述第i抛光组件固定于工作台上并包括设置有第i抛光垫的能够自转的第i抛光盘以及第i抛光头；所述第i抛光头位于第i抛光盘的周边，抛光过程中第i抛光头能够固定待抛光的晶片，以实现把待抛光的晶片的一个面按在第i抛光盘上进行抛光操作；所述第i供液组件用于向第i抛光盘中注抛光液；所述第i清扫组件位于抛光盘的两侧能够在抛光过程中实现废渣清扫；所述第i回收组件位于抛光盘的下方，能够实现回收抛光后的废液和废渣；且第i+1抛光机构得到的晶片表面粗糙度小于第i抛光机构得到的晶片表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的串联抛光装置，其特征在于，所述第i抛光头的上部设置有气缸结构；抛光过程中能够将待抛光的晶片吸附到第i抛光头上固定待抛光晶片，同时气缸结构能够给抛光头施加向下的压力实现待抛光晶片的单面抛光。
3.根据权利要求2所述的串联抛光装置，其特征在于，所述第i抛光头能够自转，抛光过程中实现与第i抛光盘的相对旋转抛光。
4.根据权利要求1所述的串联抛光装置，其特征在于，所述第i回收组件包括第i回收槽；其中，第i抛光盘的下方及边缘设置有与第i回收组件相连通的通道用于将抛光后的废液及废渣收集到回收槽中。
5.根据权利要求1所述的串联抛光装置，其特征在于，所述第i清扫组件为设置于第i抛光盘周边的毛刷构件，能够呈一定角度摆动实现对第i抛光盘表面的清扫。
6.根据权利要求1所述的串联抛光装置，其特征在于，所述串联抛光装置还包括自动移动组件，能够将待抛光的晶片移动到第i抛光机构上；
或者能够将晶片从第i抛光机构移动到第i+1抛光机构；
或者能够将晶片从i+1抛光机构上移入抛光后晶片收纳组件。
7.根据权利要求6所述的串联抛光装置，其特征在于，所述自动移动组件能够直线移动或呈一定角度移动。
8.根据权利要求1所述的串联抛光装置，其特征在于，所述i为2，所述串联抛光装置包括依次串联连接的第1抛光机构和第2抛光机构；
其中，所述第1抛光机构为粗抛机构；所述第2抛光机构为精抛机构。
9.根据权利要求1所述的串联抛光装置，其特征在于，所述i为3，所述串联抛光装置包括依次串联连接的第1抛光机构、第2抛光机构、第3抛光机构；
其中，所述第1抛光机构为粗抛机构；所述第2抛光机构为中抛机构；所述第3抛光机构为精抛机构。
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