一种光化学与机械抛光相结合的半导体晶片加工装置的制作方法

本发明涉及抛光加工技术领域，更具体地说是一种半导体晶片的光化学机械抛光加工方法及其加工装置。

背景技术：

以氮化镓(gan)、碳化硅(sic)和金刚石为代表的第三代半导体晶体材料具有热导率好、击穿电场高、电子饱和速率大等优异的性能，与第二代半导体材料(如：砷化镓等)相比，更适合于用作高温、高频、高功率器件。

当采用gan、sic等半导体晶元制造器件时，要求晶元必须具有较高的表面质量，包括：超平滑的表面无任何划痕、微裂纹和残余应力，以及无表面/亚表面损伤，否则会影响器件的最终性能。然而，gan、sic半导体晶体材料的化学键能大，化学性质极为惰性，在常温下几乎不与任何酸碱试剂发生化学反应，属于典型的硬脆难加工的半导体晶体材料。因此，目前加工这些晶元的主要方法是：首先采用超硬的金刚石磨粒对其进行磨削、研磨以获得较好的表面平整度，再采用传统的化学机械抛光技术(chemicalmechanicalpolishing(cmp))抛光加工。由于金刚石磨粒硬度大，不可避免地会对晶片造成表面/亚表面损伤。虽然，hideoaida等人(appliedsurfacescience292(2014)531–536)发现降低gan研磨加工中的金刚石粒径，可降低gan晶片的损伤深度，如：采用500nm和50nm粒径的金刚石磨粒，对gan晶片所产生的表/亚表面损伤深度可从1.6μm降至0.26μm，但是，为了完全去除金刚石研磨加工所产生的表/亚表面损伤，后续必须采用较软的sio2磨粒进行cmp加工。虽然软质sio2磨粒不会在cmp过程中对晶片引入表面/亚表面损伤，但是对这些化学性质极为惰性的半导体材料，采用传统的cmp加工虽能除去表面/亚表面损伤，但加工效率极低，加工时间通常长达35至135小时，这使得采用传统cmp方法存在成本极高等一系列问题。

技术实现要素：

本发明针对以上背景技术问题的提出而研究设计出一种半导体晶片的光化学机械抛光加工方法并针对该方法设计出一套加工装置，本发明所述的光化学机械抛光方法，是指在现有的化学机械抛光基础之上，引入紫外线直接辐照被抛光半导体工件，半导体工件在紫外线的辅助下产生光化学改性后被机械抛光去除的一种加工方式。

本发明的技术方案为，一种半导体晶片光化学机械抛光的方法，采用具有通孔的抛光盘带动具有通孔的抛光垫，对半导体晶片进行机械抛光；抛光过程中紫外光透过抛光盘和抛光垫的通孔辐照所述晶片，且化学抛光液透过抛光盘和抛光垫的通孔滴在晶片表面；所述化学抛光液中包括磨粒和氧化剂。

作为优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：

⑴将晶片固定抛光头上，经驱动，晶片随抛光头轴向旋转；

⑵将抛光垫固定于抛光盘，经驱动，抛光垫与晶片表面接触，并产生相对运动；

⑶抛光过程中，紫外光透过抛光盘和抛光垫的通孔辐照所述晶片；抛光液经抛光盘和抛光垫的通孔浸渍晶片与抛光垫的接触区。

作为优选的技术方案，所述抛光盘的通孔与抛光垫的通孔的布局一致。

作为优选的技术方案，所述方法的光化学与机械作用的面积比为1:12～1:1。

本发明所述的光化学与机械作用的面积比是指：根据抛光垫和抛光盘的通孔直径和数量，计算与晶片接触的通孔面积，即晶片表面上被通孔暴露的面积(被紫外光照射部分的晶片表面发生光化学氧化作用)与晶片表面上剩余的被抛光垫遮盖的面积(该部分被抛光垫进行机械抛光作用)的比值记为光化学与机械作用的面积比。

作为优选的技术方案，所述抛光盘和抛光垫位于半导体晶片的上方，紫外光源位于抛光盘和抛光垫的上方。

作为优选的技术方案，所述抛光液中包括氧化剂，所述的氧化剂为过硫酸钾，过硫酸钠，过硫酸氢钾，过硫酸氢钠；优选所述氧化剂浓度为0.05-0.2mol/l。

作为优选的技术方案，所述抛光液中包括磨粒，磨粒优选氧化铈，氧化硅；优选所述磨粒的粒径为6nm-100nm；优选所述磨粒的浓度为0.05-10wt％。

作为优选的技术方案，所述抛光液的供给流量为50ml/min～100ml/min。

作为优选的技术方案，所述晶片转速100-250rpm，抛光盘转速60-150rpm，抛光压力4-6.5psi，紫外光强50～175mw·cm^-2；优选晶片的转速250rpm，抛光盘转速150rpm，抛光压力6.5psi，紫外光强175mw·cm^-2，抛光时长优选1-2h。

作为优选的技术方案，所述的半导体晶片为氮化镓晶片。

作为优选的技术方案，所述紫外光源为低压汞灯、高压汞灯，led汞灯，氘灯，氙灯中的一种或几种，所述的紫外光源波长<400nm。

相应地，为了实现上述的光化学机械抛光加工方法，本发明另一方面，研究设计出光化学机械抛光加工装置，晶片固定在抛光头上，抛光垫粘贴在抛光盘底部且与抛光盘对应位置加工有通孔，紫外光源发出的紫外光可以透过通孔照射到晶片表面；抛光液通过通孔进入晶片与抛光垫的接触区。本发明设计的光化学机械抛光加工装置可较好地实现本发明中涉及的加工方法，加工装置具有操作简单，实现容易，工艺参数可灵活调节的优点。

半导体晶片光化学机械抛光装置，包括具有通孔的抛光垫；具有通孔的抛光盘，用于带动抛光垫对晶片表面进行机械抛光；

抛光液源，用于供给抛光液，抛光液透过抛光盘和抛光垫的通孔滴于晶片表面；和紫外光源，用于供给紫外光，紫外光透过抛光盘和抛光垫的通孔辐射晶片。

所述抛光液优选化学抛光液，化学抛光液中优选包括磨粒和氧化剂。

作为优选的技术方案，所述抛光盘和抛光垫位于晶片的上方，紫外光源位于抛光盘和抛光垫的上方。

作为优选的技术方案，所述抛光液源为抛光液喷头，抛光液喷头位于所述抛光盘上方。

所述抛光盘的通孔呈从中心向外周的放射状布局。优选通孔在抛光盘的径向上呈周期性分布；优选抛光盘的中心部不设通孔，仅于抛光盘的外周部的与晶片接触的位置设通孔。

作为优选的技术方案，仅在抛光垫与晶片接触区域的一圈圆环上加工通孔，优选该圆环宽度即为晶片直径大小。

作为优选的技术方案，通孔在抛光垫上的分布可以是从抛光垫圆心向外放射状分布在不同直径的圆周上，也可以不按照放射状而是在不同直径的圆周上一定数量地均匀分布。

作为优选的技术方案，所述抛光盘的通孔与抛光垫的通孔的布局一致。

作为优选的技术方案，所述抛光垫的为聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、绒布抛光垫中的一种。

作为优选的技术方案，所述抛光垫的面积大于晶片的面积。

作为优选的技术方案，所述装置还包括抛光液收集槽，所述抛光头和抛光盘设置于抛光液收集槽内。

作为优选的技术方案，所述装置的光化学与机械作用的面积比为1:12～1:1。

作为优选的技术方案，所述抛光垫的半径大于晶片的直径。

作为优选的技术方案，所述抛光盘的半径大于晶片的直径。

作为优选的技术方案，所述抛光垫的通孔设置于与晶片接触的部位。

与现有技术相比：本发明涉及的光化学机械抛光方法及其抛光装置具有以下优点：

(1)抛光去除效率高

本发明采用了紫外光通过通孔照射到晶片表面的方式，结合合适的氧化剂，高效地氧化改性晶片，再通过抛光垫和磨粒机械性地去除氧化改性层，加工过程中，晶片与抛光盘各自旋转产生相对运动，同时紫外线的照射和抛光液的送入使得光化学改性作用和机械抛光作用交替进行，可对晶片进行光化学机械加工。光化学改性作用与机械抛光作用交替进行，该方法采用光化学改性与机械抛光结合的方式，可以取得抛光去除速率快，抛光加工后晶片粗糙度低的优点。整个抛光过程中的去除速率可以明显提高。

(2)光化学改性作用和机械抛光作用比例可调节

抛光盘及底部抛光垫上的通孔直径以及通孔在抛光盘上的排布均可以依据工艺要求进行优化布局，使得晶片在光化学机械抛光加工过程中的光化学改性作用与机械抛光作用比例(即光化学与机械作用的面积比)可以任意调节优化。

(3)加工装置简单，加工方法实现容易

本加工装置中的加工参数如：抛光压力、晶片转速、抛光垫转速、溶液种类和浓度，紫外光源强度，均可以根据实际的工件类型调节以达到较好的加工效果。

(4)取得有效的加工效果，获得比传统cmp更高的去除速率。

附图说明

图1中，(a)是本发明光化学机械抛光示意图；

图1中，(b)是抛光垫与晶片相对运动的示意图；

图2是抛光盘结构示意图；

图3是本发明光化学机械抛光装置示意图；

图4是本发明光化学机械抛光加工装置俯视图；

图5是本发明光化学机械抛光加工装置轴视图。

图6是gan晶片表面原始形貌，表面粗糙度值ra为1.2nm。

图7是实施例7加工条件下，光化学机械抛光加工后的gan晶片表面形貌图，晶片表面粗糙度值ra为0.21nm；

图8是实施例7加工条件下，光化学机械抛光加工后，gan晶片表面存在部分晶须状凸起，关闭紫外光源，继续使用该装置对晶片进行抛光加工1.5小时后的表面形貌图，晶片表面粗糙度值ra为0.1nm；

图中：抛光液槽1，抛光垫2，抛光盘3，通孔4，抛光液喷头5，紫外光源6，晶片7，抛光头8，f为抛光压力，±wp为抛光盘转动速度，±ww为抛光头转动速度；调平螺钉9，直角固定板i10，转接板i11，l形支撑板12a(12b)，法兰盘13，外球面轴承14，直角电机15，电机支架i16，弹性联轴器i17，交叉滚子轴承18a(18b)，台阶轴i19，台阶轴ii20，弹性联轴器ii21，电机支架ii22，电机23，转接板ii24，模组面板25，弹簧26，导轨27，滑块28，模组底板29，立支板30a(30b)，支架固定板ii31，底板32。

具体实施方式

光化学机械抛光方法，包括以下步骤：

⑴将晶片固定抛光头上，经驱动，晶片随抛光头轴向旋转；

⑵将抛光垫固定于抛光盘，经驱动，抛光垫与晶片表面接触，并产生相对运动；

⑶抛光盘上加工有通孔，抛光垫(优选粘贴在抛光盘底部)也对应地加工有通孔；抛光过程中，抛光过程中紫外线位于抛光盘上方，紫外光可透过抛光盘和抛光垫的通孔直接照射在所述晶片表面；抛光液经抛光盘和抛光垫的通孔浸渍晶片表面。所述半导体晶片优选为氮化镓晶片

本发明所述的光化学机械抛光方法，是指在现有的化学机械抛光基础之上，紫外线可以通过抛光盘上的通孔直接辐照被抛光半导体工件，工件在紫外线的照射下发生光化学改性，紧接着改性层被抛光垫机械性地抛光去除的一种加工方式。

光化学机械抛光方法装置包括：抛光头，用于固定晶片；抛光盘，位于所述抛光头的上方，用于与晶片表面相接触并进行加压；所述抛光盘设有通孔；

抛光液喷头，位于所述抛光盘上方，用于喷射抛光液；供给的抛光液可以通过通孔进入到抛光区域；第一驱动传动部，连接抛光盘，用于带动抛光盘定轴回转；第二驱动传动部，连接抛光头，用于带动抛光头进而带动晶片定轴回转；紫外光源，位于抛光盘的上方，相应地位于晶片上方，发出的紫外线可以通过所述抛光盘的通孔向下辐照到晶片表面；支撑部，用于支撑和固定所述第一驱动传动部、第二驱动传动部、抛光头、抛光盘、抛光液喷头。

抛光盘与晶片表面接触的一面设有抛光垫，所述抛光垫设有通孔，优选所述抛光垫粘贴于抛光盘底部，且与抛光盘对应地加工有通孔。

抛光盘和底部粘贴的抛光垫上都加工有通孔，晶片在加工的过程中，位于抛光盘上方的紫外线可以在抛光过程中，通过通孔到达晶片表面，对晶片进行光化学氧化作用，使得被紫外线照射部分的工件发生改性。

抛光盘依次连接台阶轴，弹性联轴器与驱动电机连接，驱动电机可以驱动抛光轴绕定轴回转。

抛光过程中抛光压力可通过抛光盘进行加载。

所述装置还包括抛光头，所述晶片通过(加热的)石蜡粘接在抛光头上。抛光头可带动晶片旋转。

抛光头通过螺钉安装在台阶轴上，穿过外球面轴承与弹性联轴器连接，弹性联轴器另一端是驱动电机，驱动电机可驱动抛光头旋转。

抛光垫与晶片各自回转时二者可产生相对速度。

作为优选的技术方案，所述抛光头上加工有一个与晶片直径接近的浅槽，对晶片起定位作用。

所述装置还包括线性模组i，线性模组i包括底板i、滑动面板i和导轨i，导轨i固定在底板i上，滑动面板i在竖直方向上沿导轨i做直线滑动；所述抛光盘和第一驱动传动部安装在滑动面板i上。

作为优选，装置还包括线性模组，线性模组包括模组面板，导轨，导轨滑块，模组底板，导轨固定在模组底板上，滑块与模组面板固定，可在导轨上直线滑动。电机和转接板以及线性模组部分的自重可作为光化学机械抛光的加工压力来源。

进一步地，模组面板与模组底板之间设有弹簧，可通过更换不同劲度系数的弹簧来定量调整抛光过程中的加工压力，当整个部分的自重都不满足抛光压力时，可额外增加配重实现较大抛光压力的加载。

优选地，抛光盘与抛光垫上通孔的位置与大小均可进行优化设计；

抛光加工时，晶片和抛光垫分别由其驱动电机驱动，二者产生相对运动，抛光盘及其驱动装置的自重提供加工压力，紫外线可通过通孔照射到晶片表面，光化学机械抛光加工中，光化学改性作用与机械抛光作用不断交替进行对晶片进行抛光加工。

所述抛光压力通过抛光盘进行加载。

所述抛光头上加工有一个与晶片直径接近的浅槽。

所述装置还包括线性模组i，线性模组i包括底板i、滑动面板i和导轨i，导轨i固定在底板i上，滑动面板i在竖直方向上沿导轨i做直线滑动；所述抛光盘和第一驱动传动部安装在滑动面板i上。下面结合附图和具体实施例对为方法和装置进行详细说明。

实施例1半导体晶片的光化学机械抛光方法

方法采用具有通孔的抛光盘带动具有通孔的抛光垫，对半导体晶片进行机械抛光；抛光过程中紫外光透过抛光盘和抛光垫的通孔辐照所述晶片，且抛光液经抛光盘和抛光垫的通孔浸渍晶片表面，从而实现半导体晶片的光化学机械抛光。

参照图1(a)、图1(b)和图2，抛光垫2固定在抛光盘3底部，抛光垫2和抛光盘3都加工有通孔4；晶片7固定在抛光头8上，随抛光头8旋转运动；紫外光源6发出的紫外光线可以通过通孔4照射到晶片7表面，同时抛光液喷头5喷出的抛光液也可以通过通孔4进入晶片7与抛光垫2的接触区域。

抛光垫和抛光盘上的通孔的大小和分布位置可以进行优化设计，通过改变通孔的大小和位置(即改变光化学与机械作用的面积比)可以使得在加工过程中，晶片被紫外光辐照部分和机械抛光部分时间比例面积比例可调节。如图2所示，抛光盘上的不同直径同心圆上，均匀地分布着通孔，每一圈通孔所对应的同心圆半径(d1或dn)可以进行优化设计，每一圈通孔所在的同心圆之间的距离也可以优化设计，同时每一个通孔的直径大小(d1)，通孔的个数均可以进行优化设计。

抛光加工方法的过程如下：抛光垫2粘贴在抛光盘3底部，由电机驱动旋转，晶片7通过加热融化的石蜡粘接固定到抛光头8上，随抛光头8一起由电机驱动旋转，抛光垫2的旋转与晶片7的旋转产生相对运动。通过抛光盘3上的通孔，紫外光源6发出的紫外线，照射到晶片7表面，抛光液喷头5喷出的抛光进入晶片7与抛光垫2接触区，紫外光辐照可对晶片7产生光化学改性作用。抛光压力f可以通过抛光盘3加载到晶片与抛光垫接触区。加载压力后，晶片7与抛光垫2的相对运动可以对晶片7进行机械抛光作用，光化学作用和机械抛光作用的交替进行可以对晶片7进行光化学机械抛光加工。

实施例2半导体晶片的光化学机械抛光装置

如图1(a)、图1(b)和图2所示，抛光垫2粘贴在抛光盘3底部，抛光盘3和抛光垫2均加工有一定数量的通孔(抛光盘3的通孔由图4俯视图示意出)。紫外光源6位于抛光盘3上方，发出的紫外线可以通过通孔照射到底部的晶片7，抛光液也可以透过通孔到达晶片7与抛光垫2的接触区。抛光液槽1示意性地表示出，抛光液槽容纳抛光液废液。

如图3所示，四个调平螺钉9支撑起底板32，直角固定板i10通过螺钉安装在底板32上，支撑抛光头8及其驱动传动部分。转接板i11通过螺钉固定在直角支撑板i10上，电机支架i16通过螺钉安装在转接板i11上，直角电机15安装在电机支架i16上。l形支撑板12a通过螺钉固定在转接板i11上，交叉滚子轴承18a的外圈通过螺钉固定在l形支撑板12a上，法兰盘13通过螺钉安装在交叉滚子轴承18a的内圈上，外球面轴承14通过螺钉固定在法兰盘13上，台阶轴i19的一个轴肩顶在外球面轴承14的轴承内圈上，抛光头8通过螺钉安装在台阶轴i19上，晶片7通过加热的石蜡粘接在抛光头8上。外球面轴承14可承载一定量的轴向载荷，且具有适当的调心作用，能够让晶片7与抛光垫2接触时，由于安装误差或晶片7与抛光头8存在的面型误差较小时，通过外球面轴承14适当地调心作用使得晶片7与抛光垫2可以较好平行贴合接触。

台阶轴i19轴肩顶在外球面轴承14的轴承内圈上，依次穿过法兰盘13(轴径小于法兰盘孔径)，交叉滚子轴承18a(轴径小于轴承内圈孔径)和l形支撑板12a(轴径小于l形支撑板孔径)通过弹性联轴器与直角电机15的电机轴连接，台阶轴i19起到传递驱动扭矩和支撑抛光头8的作用。

如图4和图5所示，抛光盘3固定在台阶轴ii20上，台阶轴ii20的轴肩顶在交叉滚子轴承18b的内圈上，台阶轴ii20穿过l形支撑板12b与弹性联轴器21连接，弹性联轴器21的另一端连接电机23的电机轴。电机23安装在电机支架22上，电机支架22通过螺钉固定在转接板ii24上，转接板ii24通过螺钉安装在模组面板25上，模组面板25与多个滑块28连接，滑块28可在导轨27上直线运动，导轨27安装在模组底板29上。模组面板25和模组底板29之间串接有一个弹簧26。抛光垫2，抛光盘3，台阶轴ii20，交叉滚子轴承18b，弹性联轴器ii21，电机支架ii22,电机23，转接板ii24，模组面板25，弹簧26，滑块28这些零件自重可以做为抛光加工时的抛光压力来源，如果需要改变抛光压力，可以通过改变弹簧26的劲度系数来实现。模组底板29固定在立支板30a上，立支板30a固定在立支板30b上，立支板30b通过螺钉固定在直角支撑板31上，直角支撑板31安装固定在底板32上。

实施例3-实施例10

下面结合表1以具体实施例来对本发明的技术效果进行说明。

表1的实施例中采用晶片面积记为sw，当晶片在加工过程中与抛光垫接触而抛光垫上加工有通孔，由于抛光垫上的通孔直径大小(d1)，数量均可以进行调节。。实施例3-实施例10中采用的gan晶片为由hvpe方法生长出的gan自支撑晶片，晶片形貌采用原子力显微镜(atomicforcemicroscopy(afm))进行测量，晶片初始形貌如图6所示。图6中，自支撑的gan晶片经过金刚石磨粒的研磨后，表面粗糙度ra为1.2nm，虽然表面粗糙度值较低，但是晶片表面存在大量的划痕，同时在晶片亚表面还存在大量的损伤，不能作为器件直接使用，需要将划痕和亚表面损伤去除。

晶片去除率采用精密天平称量加工前后的质量，计算加工前后质量差的方式进行折算。称量前，依次采用丙酮，酒精，去离子水清洗gan晶片，去除晶片表面上附着的尘埃或石蜡等粘附物对晶片质量称量造成的误差。

(1)将gan晶片用石蜡粘接抛光头上，将抛光头安装在台阶轴上；抛光垫为聚氨酯纤维抛光垫(suba800)。

(2)紫外光源位于抛光盘正上方，开启光源后，紫外光源发出的紫外光线可以透过抛光盘和抛光垫的通孔照射到晶片表面；

(3)抛光液喷头将抛光液通过通孔送入晶片与抛光垫接触区，抛光液供给流量为80ml/min，抛光液具体成分如表1所示；

(4)gan晶片转速250rpm，抛光盘转速150rpm，抛光压力6.5psi，紫外光强175mw·cm^-2，抛光时长1h。

(5)加热融化石蜡，取下晶片依次采用丙酮，酒精，去离子水清洗后用氮气吹干晶片，称量质量，测量抛光后的表面粗糙度。

表1.实施例条件及抛光效果

取实施例7加工后的晶片，对其表面质量进行测量，测量结果如图7所示。图7显示了光化学机械抛光加工后的晶片形貌，对比原始晶片的形貌(图6)，可发现晶片经加工后表面改善明显，表面粗糙度值从1.2nm降低到0.21nm，但是光化学机械抛光加工后的晶片，由于晶片材料本身存在位错缺陷，位错缺陷作为光生电子-空穴复合中心导致该处有效空穴数量低于周围有效空穴数量，所以位错缺陷处去除速率慢于周围材料，因此加工后晶片表面有晶须状凸起。针对这个情况，加工完成后，关闭紫外线，在进行时长约为1.5小时的无紫外线抛光加工，测试晶片表面形貌如图8所示，发现晶须状凸起大量消失，且表面粗糙度值进一步地降低到0.1nm，且晶片表面较为平整，原始晶片表面形貌特征中的：划痕和一些凸起的形貌消失。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。