一种应用于导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备的制作方法

本发明属于半导体集成电路芯片制造领域，尤其是涉及一种应用于导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备。

背景技术：

1、晶圆衬底和半导体器件制造过程包含抛光、表面平坦化等工艺，通常采用机械抛光，化学机械抛光或平坦化等技术，通过晶圆衬底载头(抛光头)向晶背加压，控制压力、抛光头转速、抛光盘转速、抛光液液体流量等参数，在抛光垫上对晶圆衬底正表面或薄膜表面进行抛光或平坦化处理。和机械抛光相比，化学机械抛光和化学机械抛光平坦化通过对抛光液配方的调整，在晶圆衬底表面产生化学反应，可以实现更高的抛光或平坦化处理效率，同时可以实现更好的抛光或平坦化处理效果，包括更高的平整度、更低的缺陷度等。

2、导电型晶圆衬底按导电类型分为体相导电型(导电型衬底)和表面导电型(表面层导电晶圆衬底)，体相导电型晶圆衬底材料本身具有较好导电特性，可以包括掺杂型4h-sic等。表面导电型晶圆衬底可以体相不导电、但是表面层导电，如硅晶圆衬底表面沉积的金属薄膜等。

3、导电型衬底或表面层导电晶圆衬底的抛光和平坦化工艺可以采取特殊的电化学机械抛光和平坦化技术。在化学机械抛光和平坦化的基础上，电化学机械抛光和平坦化可以进一步利用晶圆衬底或晶圆衬底表面薄膜的导电特性，形成电流通路，在晶圆衬底或薄膜表面进行电化学反应，通过电路系统的精密控制，提高表面化学反应速度，进而提高机械抛光和平坦化效率。在电化学机械抛光和抛光及平坦化设备工艺中，实现机械抛光和平台化功能的抛光液同时也是实现晶圆衬底表面电化学反应的电解液，液体化学组分、液体导电率等要做相应调整。

4、以碳化硅衬底材料抛光工艺为例：碳化硅材料硬度高，如使用简单机械抛光在抛光垫上对抛光面进行研磨，需要对晶背施加高压力，条件苛刻，去除率极低，设备生产效率低，抛光垫等损耗品消耗大、成本高。化学机械抛光加工可以对碳化硅衬底表面先进行化学改性如氧化，降低表面硬度，进而提高材料抛光速度，提升抛光设备生产效率。但是，因为碳化硅材料化学性质稳定、表面氧化速度慢，化学机械抛光工艺需要选择强氧化性的抛光液，对设备硬件抗腐蚀性等都提出了很高要求，直接影响设备制造成本和运营可靠性。同样因为碳化硅材料化学性质稳定、表面氧化速度慢，碳化硅化学机械抛光的去除率仍然很低，目前没有完全达到大规模生产的要求。对于导电型碳化硅衬底材料，为突破化学机械抛光效率的瓶颈，可以采用电化学机械抛光技术，通过电化学反应对碳化硅表面进行氧化，如果能够实现一定的电流密度，可以显著加快碳化硅表面氧化效率，继续配以同步的机械抛光，可以显著提升碳化硅材料去除率，相应提高设备运营效率，降低设备运营成本。同时，电化学机械抛光工艺无需依赖强氧化性抛光液/电解液，可以扩大设备材料选择范围，降低设备成本，增长零部件寿命，提高设备运营可靠性，延长持续运营时间，进一步降低运营成本。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种应用于导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，可实现导电型晶圆衬底抛光和平坦化的高性能，高效率、低成本。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，包括：

3、抛光台；

4、抛光垫，设于抛光台的上表面，其至少包括可与导电型晶圆衬底的抛光面相贴合的作用层，该作用层由绝缘材质制成；

5、抛光头，其下表面可与导电型晶圆衬底抛光面的背面相贴合；

6、所述导电型晶圆衬底具有第一工作状态和第二工作状态，在第一工作状态时，导电型晶圆衬底的抛光面在电化学通道形成电化学反应层，在第二工作状态时，抛光头带动导电型晶圆衬底相对抛光垫的作用层活动，以实现对电化学反应层的化学机械抛光。

7、进一步的，第一工作状态和第二工作状态先后独立进行；或者，第一工作状态和第二工作状态同时进行。

8、进一步的，在第一工作状态和第二工作状态先后独立进行时，导电型晶圆衬底在不同抛光单元分别进行第一工作状态和第二工作状态；或者，在第一工作状态和第二工作状态先后独立进行时，导电型晶圆衬底在同一抛光单元进行第一工作状态和第二工作状态。

9、进一步的，在通电状态下，导电型晶圆衬底的抛光面在电化学通道形成电化学反应层，同时对电化学反应层进行化学机械抛光；

10、或者，

11、在通电状态下，导电型晶圆衬底的抛光面先在电化学通道形成电化学反应层，然后对电化学反应层进行化学机械抛光；

12、或者，

13、在通电状态下，导电型晶圆衬底的抛光面先在电化学通道形成电化学反应层，在断电状态下，对电化学反应层进行化学机械抛光。

14、进一步的，还包括电源；

15、所述抛光台和抛光头分别与该电源连接，并具有导电性；

16、所述作用层设有贯穿厚度方向的孔洞，该孔洞内容置有化学液，该化学液具有导电性；

17、所述电源、抛光台、化学液、导电型晶圆衬底、抛光头可形成通电回路，以在导电型晶圆衬底的抛光面形成电化学反应层。

18、进一步的，所述孔洞的数量为多个。

19、进一步的，所述孔洞的总面积占作用层面积的5-50％。

20、进一步的，所述孔洞的直径大于等于3mm。

21、进一步的，所述抛光垫为作用层；或者，所述抛光垫为双层或多层结构，其最上面一层为作用层，其下部一层或多层为绝缘层，且所述孔洞贯穿抛光垫的整个厚度方向。

22、进一步的，所述抛光垫为双层或多层结构，其最上面一层为作用层，其下部一层或多层为导电层，该导电层封闭或带有与孔洞相连通的穿孔。

23、进一步的，所述电源为直流电或为交流电。

24、进一步的，所述抛光头包括，

25、第一压力介质腔体，用于控制导电型晶圆衬底上下移动行程；

26、第二压力介质腔体，用于控制吸附组件，通过改变第二压力介质腔体内部的气压，实现吸附组件对导电型晶圆衬底的吸附或释放；

27、所述吸附组件包括可发生形变的柔性件，及用于支撑柔性件的支撑件，该吸附组件设有电源的接入点。

28、进一步的，所述柔性件为导电柔性膜，所述支撑件为金属件，该金属件形成电源的接入点。

29、进一步的，所述柔性件包括轻质金属板和柔性膜，该轻质金属板上开设有多个用于安装柔性膜的开孔，该轻质金属板形成电源的接入点。

30、进一步的，所述柔性件包括轻质金属板，该轻质金属板形成电源的接入点。

31、进一步的，所述轻质金属板表面有一镀铂层。

32、进一步的，所述柔性件为绝缘柔性膜，柔性件的内部包覆有导电线圈，所述导电线圈形成电源的接入点。

33、进一步的，所述抛光台包括抛光上盘和抛光下盘，其同心同轴设置，抛光下盘与旋转中心轴连接。

34、进一步的，所述抛光上盘为金属材质或合金材料。

35、进一步的，所述抛光上盘表面有一镀铂层。

36、进一步的，所述电源连出的导线穿过旋转中心轴与抛光上盘连接。

37、进一步的，还包括化学液供应系统，其用于向抛光垫传输化学液，可将化学液传输至抛光垫上表面。

38、进一步的，还包括化学液供应系统，其可以将化学液自抛光上盘向孔洞底部传输。

39、进一步的，所述化学液为抛光液，其为研磨纳米颗粒分散于酸性或碱性溶液中，其ph>8或ph<5。

40、进一步的，所述电源为稳流电源，其电流≤20a；或者，所述电源为稳压电源，其电压≤220v。

41、绝缘材质的抛光垫贴合在导电抛光台上表面，具有贯穿厚度方向的孔洞，在孔洞内容置从供液臂输送于抛光垫上的化学液，化学液具有导电性。抛光垫上无需导电接触头设计，但是晶圆衬底载头(抛光头)具有导电性。在抛光头向晶背加压时，晶圆衬底正表面和抛光垫贴合，可以建立第一电极-导电抛光台-贯穿抛光垫厚度孔洞中的化学液-导电型晶圆衬底-导电抛光头-第二电极之间的通电回路。第一电极和第二电极的极性由设计的晶圆衬底表面电化学反应决定。如导电型碳化硅晶圆衬底为例，抛光垫孔洞中容置导电化学液，电化学反应中抛光台上盘是阴极、晶圆衬底表面(抛光头)是阳极时，可以对导电型碳化硅晶圆衬底表面进行氧化。

42、在导电型晶圆衬底电化学机械抛光/平坦化工艺中，抛光台及粘合在抛光台上表面的抛光垫绕着抛光台轴心旋转；抛光头衬底绕着抛光头轴心旋转，且可相对抛光台运动；晶圆衬底伴随抛光头旋转，贴合抛光垫但是相对抛光垫运动。导电型晶圆衬底表面在通过抛光垫上的孔洞区域时产生电化学反应，在通过抛光垫上的非孔洞区域时进行机械抛光/平坦化。在晶圆衬底伴随着抛光头旋转并相对抛光台运动时，在导电型晶圆衬底表面可以连续反复完成电化学反应和机械抛光/平坦化，从而实现导电型晶圆衬底表面的电化学机械抛光/平坦化。

43、本发明的有益效果是，1)电化学机械抛光导电型晶圆衬底，相较于机械抛光或常规化学机械抛光/平坦化，引入晶圆衬底表面电化学反应，衬底材料去除率、抛光/平坦化速度显著提高，设备运营成本显著降低；2)电路设计更为简单。没有抛光垫上表面导电接触头，可以显著降低晶圆衬底抛光表面缺陷率、提高表面光滑度、降低表面金属污染和颗粒污染，同时延长抛光垫寿命、降低耗材成本；3)电化学机械抛光工艺中电化学反应和机械抛光速率独立可控、可调，包括晶圆衬底表面分区域调节；4)第一工作状态和第二工作状态分步进行，可根据两个工作状态配置工艺条件，使得第一工作状态的电化学反应、第二工作状态化学机械抛光的两个工艺过程更稳定、均匀，单步的副反应对另一步的影响更小；而第一工作状态、第二工作状态同时进行抛光效率更高，无需在至少两个抛光台间进行传输，提高了单位时间的出片数量。