一种硅晶片循环抛光装置及循环抛光方法
【专利摘要】本发明涉及一种硅晶片循环抛光装置及循环抛光方法。该装置包括抛光液处理系统，其包括：第一储液槽中设有分液漏斗和精密PH计，通过管路与抛光系统连通，在管路上设有滤芯和恒流泵；第二储液槽通过抛光系统的一出液管路与抛光系统连通，第三储液槽通过管路分别与第一、第二储液槽连通，在连通的管路上均设有滤芯和恒流泵；抛光系统包括抛光头和抛光垫，其上设有两个出液管路；抛光垫清洗系统包括储液槽，通过管路和抛光系统的一出液管与抛光系统连通，在管路上设有恒流泵。采用本发明循环抛光装置及方法可以维持硅晶片循环抛光过程中粗糙度的稳定，延长抛光液的使用时间，节约了成本。本发明方法简单可控，易于实现大规模的工业生产。
【专利说明】一种硅晶片循环抛光装置及循环抛光方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，特别涉及硅晶片抛光领域。
【背景技术】
[0002]集成电路产业是信息技术产业的核心，国家重要的基础性、先导性和战略性产业。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。随着集成电路向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进，作为目前唯一单晶硅的全局平坦化技术，人们对化学机械抛光技术的要求日益提高。
[0003]在化学机械抛光过程中主要涉及两个方面的内容:抛光液的选择和抛光工艺的优化。为了提高抛光后硅晶片的表面质量，研宄人员将抛光分为粗抛光、细抛光和精抛光三个步骤，并根据不同的步骤开发适应工艺的抛光液。在硅晶片抛光液开发方面，研宄人员做了大量的工作，并成功开发出适应不同步骤的抛光液，如专利CN102766406 A、CN102766408A.CN102093820 A及CN102127373 A等。在工艺的开发方面，各生产厂家也积极探索，如专利 CN103144011 A、CN102403212A、CN101733697 B 及 CN102172878 B 等。
[0004]实际生产过程中，绝大多数单晶硅抛光液都是循环利用以节约成本。然而，在循环抛光过程中，由于产物的沉积，抛光液PH值变化、磨粒粒径的团聚及不断产生的不溶解的产物等原因，引起循环后抛光液的化学机械平衡被破坏。这些微小的变化会引起抛光后的硅片表面的粗糙度不断地增加，直到产生较严重的腐蚀及划伤等缺陷。为了解决这一问题有两种方案:一是开发新型抛光液，需要向其中加入其他助剂如分散剂、PH稳定剂等，这不仅会带来抛光液体系的不稳定还会带来其他杂质进而影响抛光后的表面质量。二是减少抛光液循环使用的次数，这无疑会带来较大的成本压力。本发明循环抛光装置及方法可以减少循环中抛光产物的沉积，维持抛光体系PH值的稳定，减少大颗粒物的形成。可以有效缓解硅晶片循环抛光过程中粗糙度不稳定的问题，延长抛光液循环使用次数。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种硅晶片的循环抛光装置及方法。本发明包括化学机械抛光、抛光垫清洗以及抛光液处理三个步骤，使用本发明有效地解决了硅晶片循环抛光过程中粗糙度不稳定的问题，延长抛光液的使用时间。
[0006]本发明的一种硅晶片的循环抛光装置，其特征在于，该装置包括抛光液处理系统、抛光系统、抛光垫清洗系统；所述抛光液处理系统包括第一储液槽，在第一储液槽中设有分液漏斗和精密PH计，通过管路与抛光系统连通，在连通管路上设有第一滤芯和第一恒流泵，第二储液槽通过抛光系统的一出液管路与抛光系统连通，第三储液槽通过管路分别与第一、第二储液槽连通，在连通的管路上均设有滤芯第二、第三滤芯和第二、第三恒流泵；所述抛光系统包括抛光头、硅晶片和抛光垫，其上设有两个出液管路；所述抛光垫清洗系统包括第四储液槽和管路，第四储液槽通过管路和抛光系统的一出液管路与抛光系统连通，连通管路上设有第四恒流泵。
[0007]本发明的一种硅晶片的循环抛光方法，其特征在该方法包括以下步骤:
[0008]首先打开第一恒流泵使配制好的抛光液经过管路和第一滤芯进入抛光系统；
[0009]打开抛光系统进行抛光；
[0010]在抛光后打开第二恒流泵，使循环后的抛光液经过第二滤芯实现初次过滤；
[0011]再打开第三恒流泵，使循环后的抛光液经过第三滤芯实现二次过滤；
[0012]待抛光液每次完全回流到第一储液槽后，使用精密PH计测量第一储液槽中循环后抛光液的PH值，并通过分液漏斗及时补加一定浓度的碱性腐蚀剂(乙二胺)至PH值恢复至初始PH值。
[0013]在每一次循环抛光完成后，抛光液处理系统的恒流泵停止工作，打开第四恒流泵对抛光垫进行清洗。
[0014]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0015]1、应用于本发明的抛光液仅含有碱性腐蚀剂及金属螯合剂，不需要加入其它稳定剂就可以保持抛光过程中抛光液体系的稳定。
[0016]2、通过对每一次循环抛光后的PH值进行监控和校正有利于抛光体系的稳定。
[0017]3、通过对每一次循环抛光后的PH值进行监控和校正有利于抛光过程中去除速率的稳定和化学机械平衡。
[0018]4、通过对每一次循环抛光后使用清洗液对抛光垫的清洗有利于保持抛光垫的洁净，减少沉积在抛光垫上颗粒物对抛光过程的影响。
[0019]5、通过过滤系统对对每一次循环抛光后的金属氢氧化物沉淀、硅酸盐沉淀、大颗粒的团聚硅溶胶及其他杂质的过滤，可以维持抛光液磨粒的稳定保证抛光后表面质量的稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明循环抛光装置示意图。
[0021]图2为使用本发明的装置及方法和对比工艺抛光后单晶硅片粗糙度变化示意图。
[0022]主要元件符号说明
[0023]第一储液槽 I 第二恒流泵 12
[0024]抛光液2 第二滤芯 13
[0025]分液漏斗 3 第三储液槽 14
[0026]碱性腐蚀剂 4 第三恒流泵 15
[0027]精密PH计 5 第三滤芯 16
[0028]管路6 第四储液槽 17
[0029]第一恒流泵 7 清洗液18
[0030]抛光头8 第四恒流泵 19
[0031]硅晶片9 第一滤芯 20
[0032]抛光垫10出液管路 21
[0033]第二储液槽 11
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明详细说明如下:
[0035]本发明的一种硅晶片的循环抛光装置，如图1所示。包括抛光液处理系统、抛光系统、抛光垫清洗系统。
[0036]其中，抛光液处理系统用于对抛光液的输送和处理，包括储液槽、管路、滤芯及恒流泵；第一储液槽I中有分液漏斗3、精密PH计5和管路6，第一恒流泵7启动，通过管路6、第一滤芯20，对抛光液进行第一次过滤，将抛光液输送到抛光系统；通过抛光系统的一出液口 21 (此时，连通抛光垫清洗系统的出液口关闭)，将使用后的抛光液输送到第二储液槽11，启动第二恒流泵12，通过管路、第二滤芯13过滤后将抛光液输送到第三储液槽14 ;启动第三恒流泵15，通过管路和第三滤芯16再过滤后将抛光液输送到第一存液槽；第一、二、三恒流泵用来控制抛光液的流速；
[0037]抛光系统用于对硅晶片的抛光，包括抛光头8、硅晶片9和抛光垫10，抛光系统上有两个出液口并设有闭合装置，抛光系统可选用现市售的任一款；一个出液口与第二储液槽11连通，另一个出液口与第四储液槽17连通；
[0038]抛光垫清洗系统用于对抛光垫的清洗，包括第四储液槽17和设在其中的管路6，通过管路6和第四恒流泵19将抛光垫清洗液输送到抛光系统中完成清洗工作，抛光系统的储液槽一出液口 21与第四储液槽连通(此时，连通抛光系统的出液口关闭)。
[0039]第一滤芯20和第三滤芯16孔径优选为0.2 μ m，第二滤芯13孔径优选为2 μ m。
[0040]本发明可以采用任一市售的能够精确测量抛光液PH值的精密PH计，本发明实施例采用的是上海雷磁公司生产的型号为PHS-3C型精密PH计；
[0041 ] 本发明可以采用任一市售的能够准确的控制碱性腐蚀剂的加入速度的分液漏斗，本发明实施例采用的常州普天仪器制造有限公司生产的容量为IL的梨形分液漏斗；
[0042]本发明可以采用任一市售的能够精确测量抛光液的流量的恒流泵，本发明实施例采用的保定兰格恒流泵有限公司生产的型号为BT100-1F型恒流泵；
[0043]本发明可以采用任一市售的可以准确的过滤抛光液中大粒径的磨粒及其它杂质的滤芯，本发明实施例中采用的3M公司生产型号为PolyPro-Klean型滤芯；
[0044]本发明可以采用任一市售的可以满足连续稳定抛光要求的抛光机，本发明实施例采用的创技电子机械(上海)有限公司生产型号为SpeedFAM36型单面抛光机；
[0045]本实施例米用的抛光垫清洗液及抛光方法是本 申请人:在先专利申请(专利申请号201210592020.3)公开的清洗液及方法，非本发明保护的内容在此不在赘述，本发明也可适用其它抛光垫清洗液。
[0046]本实施例采用的抛光液的组分包括粒径为50nm，固含量40%胶体二氧化硅磨粒、10%碱性抛光试剂乙二胺、1%金属螯合剂酒石酸，去离子水余量。抛光液PH值为10-12。本系统也适用其它抛光垫清洗液。
[0047]本实施例的硅晶片循环抛光方法包括以下步骤:
[0048]首先按照稀释比例配制抛光液于储液槽I中。
[0049]然后打开第一恒流泵7使配制好的抛光液经过管路系统6和第一滤芯20进入抛光系统，然后打开抛光装置进行抛光，优选设第一恒流泵7的流量为3.5L/min。在抛光Imin后打开第二恒流泵12，使循环后的抛光液经过第二滤芯13实现初次过滤，优选设第二恒流泵12的流量设定为3L/min。在第二恒流泵12打开Imin后打开第三恒流泵15，使循环后的抛光液经过第三滤芯16实现二次过滤，优选设第三恒流泵15的流量设定为2.5L/min。在每一次抛光完成后，抛光液处理系统的恒流泵停止工作。
[0050]打开第四恒流泵19使用专利申请号201210592020.3披露的清洗液及清洗方法对抛光垫进行清洗。
[0051]待抛光液完全回流到第一储液槽I中后，使用精密PH计5测量第一储液槽I中循环后的抛光液的PH值，并通过分液漏斗3及时补加一定浓度的碱性腐蚀剂至PH值恢复到起始PH值为止。
[0052]本发明所述的抛光方法的抛光压力0.3MPa，抛光液流量3.5L/min，下盘转速50rpm，抛光温度控制在38°C以下。在循环抛光过程中，通过冷水机提供循环冷却水来控制抛光温度。
[0053]每次抛光完成之后，轮廓仪测量抛光后硅晶片表面的粗糙度。具体测量方法为:在每一个抛光头上选取一片硅片测量，每一片硅片沿着其直径分别均匀测量三个点。最后得到的每一次抛光后的粗糙度值为十二个点的平均值，结果如图2所示。其中，所述的清洗步骤同专利申请201210592020.3中清洗方法。
[0054]实验条件:本实验中使用的抛光机为SpeedFAM36型单面抛光机；每次循环抛光时间为30min ;抛光压力0.3MPa，抛光液流量3.5L/min，下盘转速50rpm，使用Suba800抛光垫，抛光温度控制在38°C以下，抛光液体积比1:25稀释使用，每次同时抛12个6寸(100) P型单晶娃片。
[0055]对比例
[0056]对比例使用的抛光液、抛光方法及测量方法与实施例相同。不同之处在于没有抛光液过滤、PH值稳定及抛光垫清洗三个步骤，结果如图2所示。值得注意的是抛光液在循环使用第三次的时候，硅晶片表面就已经出现了划伤缺陷，循环使用第七次硅晶片表面出现了严重腐蚀。
[0057]实施例充分说明本发明的抛光装置及方法维持硅晶片循环抛光过程中粗糙度的稳定，并延长了抛光液的使用时间，节约了成本，易于实现大规模的工业生产，本发明方法简单可控。
【权利要求】
1.一种硅晶片循环抛光装置，该装置包括抛光系统、所述抛光系统包括抛光头、硅晶片和抛光垫，其上有两个出液口并设有闭合装置；抛光垫清洗系统；其特征在于，该装置还包括抛光液处理系统，所述抛光液处理系统包括第一储液槽，在第一储液槽中设有分液漏斗和精密PH计，通过管路与抛光系统连通，在连通管路上设有第一滤芯和第一恒流泵，第二储液槽通过抛光系统的一出液口与抛光系统连通，第三储液槽通过管路分别与第一、第二储液槽连通，在连通的管路上均设有滤芯第二、第三滤芯和第二、第三恒流泵；所述抛光垫清洗系统包括第四储液槽和管路，第四储液槽通过管路和抛光系统的另一出液口与抛光系统连通，连通管路上设有第四恒流泵。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第三滤芯孔径为0.2 μπι，第二滤芯孔径为2 μπι。
3.一种利用权利要求1或2所述装置对硅晶片循环抛光方法，其特征在该方法包括以下步骤: 首先打开第一恒流泵使配制好的抛光液经过管路和第一滤芯进入抛光系统； 打开抛光系统进行抛光； 在抛光后打开第二恒流泵，使循环后的抛光液经过第二滤芯实现初次过滤； 再打开第三恒流泵，使循环后的抛光液经过第三滤芯实现二次过滤； 待抛光液每次完全回流到第一储液槽后，使用精密PH计测量第一储液槽中循环后抛光液的PH值，并通过分液漏斗及时补加一定浓度的碱性腐蚀剂(乙二胺)至PH值恢复至初始PH值； 在每一次循环抛光完成后，抛光液处理系统的恒流泵停止工作，打开第四恒流泵对抛光垫进行清洗。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一恒流泵的流量为3.5L/min，所述第二恒流泵的流量为3L/min，所述第三恒流泵的流量设定为2.5L/min。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述抛光系统的抛光压力0.3MPa，抛光液流量3.5L/min，下盘转速50rpm，抛光温度控制在38°C以下，通过冷水机提供循环冷却水控制抛光温度。
【文档编号】B24B37/04GK104476383SQ201410676567
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】潘国顺, 陈高攀, 罗桂海, 顾忠华 申请人:深圳市力合材料有限公司, 清华大学, 深圳清华大学研究院