CN117961656A - 一种基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，通过制备的带有软质磨粒和金属颗粒的抛光垫，控制脉冲电源可使工件与抛光垫表层的金属颗粒间形成电火花放电通道，放电产生高温仅诱导半导体晶圆表层氧化而不产生裂纹，再由软质磨粒对应去除氧化层，显著提高大尺寸半导体晶圆的抛光效率，获取无损伤半导体晶圆表面，实现半导体晶圆的超精密加工，结合磨粒放电和特制抛光垫，对半导体晶圆表面氧化层的高效去除，同时确保了抛光过程中的无损伤，在半导体制造中提供更高效、更可控的抛光工艺。
Description
技术领域
本发明涉及抛光工艺技术领域，具体而言，涉及一种基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法。
背景技术
半导体材料的发展可谓是现代科技领域中的重大突破之一。从最初的硅晶体探索，到如今多种多样的半导体材料应用，这一过程经历了漫长而曲折的历史。半导体材料不仅为计算机、通信、光电等诸多领域提供先进的器件，同时也对社会产生了根本性的变革，推动着人们步入智能化时代。随着科学技术的不断进步，半导体材料也在不断的创新和完善。第三代半导体晶圆，因其禁带宽度大、高热导率、化学稳定性好、饱和电子迁移率高、导电性好等诸多优点，是高频、高温、高效大功率电子元器件的理想材料。
而要加工出质量好的半导体晶圆，抛光是至关重要的加工步骤。由于半导体晶圆硬度高、脆性大且化学性能稳定，导致它的抛光速率慢。目前，半导体晶圆的抛光方法有很多，比如机械抛光、化学机械抛光、离子束抛光、磁流变抛光等。虽然目前半导体晶圆的抛光方法有很多，但这些抛光方法都有一定的不足。应用于半导体晶圆的抛光技术，需要保证加工后表面达到近无损伤，传统的抛光方法目前仍有很多问题需要解决。
其中，机械抛光是常用的半导体晶圆抛光方式，这种方法效率高，但是存在一定的表面不均匀和机械划痕问题。化学机械抛光是使用化学剂和抛光工具结合的方法对晶圆片表面进行抛光，能得到精度高的加工表面，但加工后的废液对环境污染严重且抛光成本较高。离子束抛光，磁流变抛光等抛光方法便于加工一些曲面工件，但加工半导体晶圆效率太低且成本较高。而通过磨粒放电诱导半导体晶圆氧化后抛光，可使工件材料更易于去除，同时可以避免加工后的半导体晶圆表面产生裂纹及亚表面损伤，实现半导体晶圆的超精密加工。
例如，在中国申请号CN1974125A公开了电弧放电光纤研磨截面高精度抛光方法及装置，该方法是利用在电压控制下的两电极放电电弧所产生的高温效应，将研磨光纤的表面进行熔化。以及，在中国申请号CN104108054A公开了大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置，该装置加工原理是在放电电极和金属材料加工工件的加工凸点处形成气体放电等离子体电弧。而上述中的抛光工艺仍然难以满足加工效率及防护目的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，以解决上述问题。
本发明采用了如下方案：
本申请提供了一种基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，包括如下步骤：
S1：通过将软质磨粒、金属颗粒和结合剂进行均匀混合以形成分散料；
S2：获取到具有多孔特性的基材，对应铺平在模具内，再均匀倒入分散料至模具中并完全浸没基材，利用重力流平且等待结合剂固化后，对应脱模以制备出所需的抛光垫；
S3：控制脉冲电源，在抛光垫的表层金属颗粒与半导体晶圆工件之间的间隙中形成电火花通道，在放电瞬间产生的高温用于氧化半导体晶圆的表面，形成硬度较低的氧化硅层，随后由软质磨粒在高速划擦作用下去除氧化硅层，得到无损伤的半导体晶圆。
作为进一步改进，在步骤S1中，
所述分散料被配置成百分比为1-20％的软质磨粒、1-20％的金属颗粒和60-98％结合剂。
作为进一步改进，在步骤S3中，
将抛光头电性连接至脉冲电源的正极，将旋转基座电性连接至脉冲电源的负极，半导体晶圆放置在抛光头上，抛光垫放置在旋转基座上，使得半导体晶圆与抛光垫相互正对相向设置。
作为进一步改进，所述脉冲电源的电压范围为15-120V，脉宽为0.2-100μs，脉间为0.2-100μs。
作为进一步改进，在步骤S3中，
通过工作液辅助抛光垫对半导体晶圆工件进行抛光10-40min，且抛光垫与半导体晶圆工件的相对线速度为0.5-5m/s，以及抛光垫与半导体晶圆工件之间的压强为10-100kPa。
作为进一步改进，所述工作液为氯化钠溶液、氯化钾溶液中的至少一种。
作为进一步改进，所述半导体晶圆为碳化硅。
作为进一步改进，所述软质磨粒为氧化硅、氧化铈、氧化铝中的至少一种，其粒径为W0.5-W5。
作为进一步改进，所述金属颗粒为铜、铁和铝中的至少一种，其粒径为W0.5-W5；且金属颗粒的粒径小于软质磨粒的粒径，抛光垫表面上的软质磨粒凸出于金属颗粒。
作为进一步改进，所述结合剂包括环氧树脂、酚醛树脂和海藻酸钠凝胶中的至少一种；以及，所述基材为发泡聚氨酯、纤维垫中的至少一种。
通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：
本申请的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，通过制备的带有软质磨粒和金属颗粒的抛光垫，控制脉冲电源可使工件与抛光垫表层的金属颗粒间形成电火花放电通道，放电产生高温仅诱导半导体晶圆表层氧化而不产生裂纹，再由软质磨粒对应去除氧化层，显著提高大尺寸半导体晶圆的抛光效率，获取无损伤半导体晶圆表面，实现半导体晶圆的超精密加工，结合磨粒放电和特制抛光垫，对半导体晶圆表面氧化层的高效去除，同时确保了抛光过程中的无损伤，在半导体制造中提供更高效、更可控的抛光工艺。
附图说明
图1为本发明实施例的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法的流程框图；
图2为本发明实施例中所用模具的示意图；
图3是图2在其他视角下的剖示图；
图4为本发明实施例中抛光方法的使用场景图；
图5是图4中的抛光垫的结构示意图；
图6为本发明实施例中的抛光方法的工艺示意图；
图7为本发明实施例中在60V电压下碳化硅加工后的表面形貌；
图8为本发明实施例中在125V电压下碳化硅加工后的表面形貌；
图9为本发明实施例中在60V电压下碳化硅抛光后表面粗糙度测量图，其中采用白光干涉仪zygo 7300测量；
图10为本发明的抛光垫加工后的碳化硅衬底表面的检测结果；
图11为本发明的对比例中碳化硅抛光后表面粗糙度测量图，其中采用白光干涉仪zygo 7300测量。
图标：
1-软质磨粒；2-金属颗粒；3-结合剂；4-基材；5-模具；6-抛光垫；7-半导体晶圆工件；8-抛光头；9-旋转基座。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例
结合图1至图10，本实施例提供了一种基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，包括如下步骤：
S1：通过将软质磨粒1、金属颗粒2和结合剂3进行均匀混合以形成分散料；
S2：获取到具有多孔特性的基材4，对应铺平在模具5内，再均匀倒入分散料至模具5中并完全浸没基材4，利用重力流平且等待结合剂固化后，对应脱模以制备出所需的抛光垫6；
S3：控制脉冲电源，在抛光垫6的表层金属颗粒2与半导体晶圆工件7之间的间隙中形成电火花通道，在放电瞬间产生的高温用于氧化半导体晶圆的表面，形成硬度较低的氧化硅层，随后由软质磨粒1在高速划擦作用下去除氧化硅层，得到无损伤的半导体晶圆。
上述中，通过利用磨粒放电的高温效应，成功形成硬度较低的氧化硅层，使得软质磨粒1在后续高速划擦作用下能够有效去除氧化层，提高抛光效率。并且通过在放电瞬间产生的高温控制氧化过程，以及软质磨粒1的使用，能够避免在抛光过程中对半导体晶圆表面产生损伤、裂纹或亚表面损伤，保持晶圆表面的完整性。而制备具有多孔特性的抛光垫6，可以确保金属颗粒2与半导体晶圆之间形成适当的电火花通道，从而优化抛光效果。相对于一些传统抛光方法可能产生的环境问题，这种方法使用的金属颗粒2和软质磨粒1能够大大减少对环境的负面影响，而控制脉冲电源和抛光垫6的相互配合对抛光过程的可控性，使得可以在更加精确的条件下进行半导体晶圆的抛光，特别是可以满足大尺寸半导体晶圆的工艺需求。
其中，在步骤S1中，
所述分散料被配置成百分比为1-20％的软质磨粒1、1-20％的金属颗粒2和60-98％结合剂。
需要指出的是，软质磨粒1的硬度远远低于金属颗粒2，通过软质磨粒1对半导体晶圆表面的柔性接触，可以做到抛光工作时的有效防护。
其中，在步骤S3中，
将抛光头8电性连接至脉冲电源的正极，将旋转基座9电性连接至脉冲电源的负极，半导体晶圆放置在抛光头8上，抛光垫6放置在旋转基座9上，使得半导体晶圆与抛光垫6相互正对相向设置，具体如图4和图5所示。
更进一步地，所述脉冲电源的电压范围为15-120V，脉宽为0.2-100μs，脉间为0.2-100μs。
其中，在步骤S3中，
通过工作液辅助抛光垫6对半导体晶圆工件7进行抛光10-40min，且抛光垫6与半导体晶圆工件7的相对线速度为0.5-5m/s，以及抛光垫6与半导体晶圆工件7之间的压强为10-100kPa。
在本实施例中，所述工作液为氯化钠溶液、氯化钾溶液中的至少一种。
优选地，所述半导体晶圆为碳化硅。
优选地，所述软质磨粒1为氧化硅、氧化铈、氧化铝中的至少一种，其粒径为W0.5-W5。
优选地，所述金属颗粒2为铜、铁和铝中的至少一种，其粒径为W0.5-W5；且金属颗粒2的粒径小于软质磨粒1的粒径，抛光垫6表面上的软质磨粒1凸出于金属颗粒2。
优选地，所述结合剂包括环氧树脂、酚醛树脂和海藻酸钠凝胶中的至少一种；以及，所述基材4为发泡聚氨酯、纤维垫中的至少一种。
以下进一步对本实施例中的优选方式做阐述说明。
其中，将W0.5氧化铝磨粒、W0.3铜颗粒、环氧树脂依次置于烧杯中，再使用搅拌器搅拌2h混合均匀，以形成均匀的分散料，其中氧化铝磨粒、铜颗粒和环氧树脂的质量百分比依次为15％、15％和70％。
将直径为300mm，厚度为2mm的圆形发泡聚氨酯基材4置于模具5中，再将均匀分散料倒入其中，完全浸没该多孔聚氨酯基材4，依靠重力流平，使其在80℃下加热固化2h，带完全干燥后得到抛光垫6。
将所得的抛光垫6安装于机台装置上，在0.6mol/L的氯化钠工作液的辅助下对直径2英寸的碳化硅晶圆进行抛光30min。其中，脉冲电源的电压分别为10V、15V、60V、120V、125V，脉宽为20μs，脉间为20μs。抛光垫6与碳化硅晶圆的相对线速度为1m/s，抛光垫6与碳化硅晶圆之间的压强为50kPa。
上述抛光的材料去除过程包括：首先在接入脉冲电源后，铜颗粒同工件产生电火花放电通道，放电瞬间产生高温诱导碳化硅氧化为氧化硅，然后软质磨料在高速划擦的作用下去除氧化硅层，以达到快速去除材料及保证表面质量目的，如图6所示。
当脉冲电源为10V的时候，由于电压过小，无法维持稳定放电过程，碳化硅氧化不均匀。
当脉冲电源为15V的时候，碳化硅表面被均匀氧化。当脉冲电源为60V的时候，碳化硅表面被均匀氧化且氧化速度较快，且表面质量好，如图7所示。
当脉冲电源为120V的时候，碳化硅表面被均匀氧化且氧化速度快，但表面残留氧化过多。当脉冲电源为125V的时候，碳化硅表面因电压过大，碳化硅表面有熔坑及裂纹产生，如图8所示。
脉冲电压为60V时的材料去除率为5μm/h，抛光前平均表面粗糙度约为50nm，抛光后平均表面粗糙度约为0.5nm。抛光后的表面粗糙度如图9所示。进一步的利用拉曼光谱仪检测样品表面发现有氧化硅产生如图10所示。
以下提供对比例做参考。
其中，将W0.5氧化铝磨粒、环氧树脂依次置于烧杯中，再使用搅拌器搅拌2h混合均匀，以形成均匀的分散料，其中氧化铝磨粒、环氧树脂的质量百分比依次为15％、85％。
将直径为300mm，厚度为2mm的圆形发泡聚氨酯基材4置于模具5中，再将分散料均匀倒入其中，完全浸没该多孔聚氨酯基材4，依靠重力流平，使其在80℃下加热固化2h，带完全干燥后得到抛光垫6。
将所得的抛光垫6安装于机台装置上，在0.6mol/L的氯化钠工作液的辅助下对直径2英寸的碳化硅衬底进行抛光30min，其中，抛光垫6与碳化硅衬底的相对线速度为1m/s，抛光垫6与碳化硅衬底之间的压强为50kPa。
由此所得，对比例的材料去除率为0.13μm/h，抛光前平均表面粗糙度约为53nm，抛光后平均表面粗糙度约为5.41nm。抛光后的表面粗糙度如图11所示，其表面粗糙度明显大于上述优选实施方式中的抛光后的表面粗糙度。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过将软质磨粒、金属颗粒和结合剂进行均匀混合以形成分散料；
S2：获取到具有多孔特性的基材，对应铺平在模具内，再均匀倒入分散料至模具中并完全浸没基材，利用重力流平且等待结合剂固化后，对应脱模以制备出所需的抛光垫；
S3：控制脉冲电源，在抛光垫的表层金属颗粒与半导体晶圆工件之间的间隙中形成电火花通道，在放电瞬间产生的高温用于氧化半导体晶圆的表面，形成硬度较低的氧化硅层，随后由软质磨粒在高速划擦作用下去除氧化硅层，得到无损伤的半导体晶圆。
2.根据权利要求1所述的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，在步骤S1中，
所述分散料被配置成百分比为1-20％的软质磨粒、1-20％的金属颗粒和60-98％结合剂。
3.根据权利要求1所述的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，在步骤S3中，
将抛光头电性连接至脉冲电源的正极，将旋转基座电性连接至脉冲电源的负极，半导体晶圆放置在抛光头上，抛光垫放置在旋转基座上，使得半导体晶圆与抛光垫相互正对相向设置。
4.根据权利要求3所述的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，所述脉冲电源的电压范围为15-120V，脉宽为0.2-100μs，脉间为0.2-100μs。
5.根据权利要求1所述的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，在步骤S3中，
通过工作液辅助抛光垫对半导体晶圆工件进行抛光10-40min，且抛光垫与半导体晶圆工件的相对线速度为0.5-5m/s，以及抛光垫与半导体晶圆工件之间的压强为10-100kPa。
6.根据权利要求5所述的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，所述工作液为氯化钠溶液、氯化钾溶液中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，所述半导体晶圆为碳化硅。
8.根据权利要求1所述的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，所述软质磨粒为氧化硅、氧化铈、氧化铝中的至少一种，其粒径为W0.5-W5。
9.根据权利要求8所述的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，所述金属颗粒为铜、铁和铝中的至少一种，其粒径为W0.5-W5；且金属颗粒的粒径小于软质磨粒的粒径，抛光垫表面上的软质磨粒凸出于金属颗粒。
10.根据权利要求1所述的基于磨粒放电诱导去除半导体晶圆表面的抛光方法，其特征在于，所述结合剂包括环氧树脂、酚醛树脂和海藻酸钠凝胶中的至少一种；以及，所述基材为发泡聚氨酯、纤维垫中的至少一种。
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