本發(fā)明涉及半導(dǎo)體襯底晶片拋光加工，具體而言，尤其涉及一種基于多種波長長余輝發(fā)光粒子的半導(dǎo)體襯底晶片光電化學(xué)機(jī)械拋光裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、半導(dǎo)體襯底晶片是指用于半導(dǎo)體器件制造的基礎(chǔ)材料，其上會進(jìn)行各種半導(dǎo)體器件和電路的制造過程。襯底晶片在半導(dǎo)體制造過程中起著至關(guān)重要的作用。作為器件和電路的基礎(chǔ)，襯底晶片不僅支撐著整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)，還在電氣、熱和機(jī)械方面提供必要的支持。因此襯底的質(zhì)量直接影響到最終半導(dǎo)體器件的性能和可靠性。

2、這些材料優(yōu)越的性能為加工帶來了極大的困難，由于較高的硬度和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，使用機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光半導(dǎo)體襯底晶片的材料去除效率都極低；光電化學(xué)機(jī)械拋光是有效的解決辦法，但目前拋光盤遮擋光照、材料去除不均勻、設(shè)備對襯底晶片材料選擇性強(qiáng)、加工成本高以及設(shè)備要求高等顯著問題，嚴(yán)重制約了半導(dǎo)體器件制造技術(shù)的發(fā)展及其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3、申請公布號為cn?116079580?a的中國專利公開了“一種半導(dǎo)體晶圓無線光電化學(xué)機(jī)械拋光的方法及裝置”，采用在拋光盤上開孔的方式，解決了遮擋光照的問題。但孔洞影響了材料去除的均勻性和加工效率，該裝置結(jié)構(gòu)不適用于大批量的產(chǎn)線加工。

4、授權(quán)公告號為cn?109465739?b的中國專利公開了“一種半導(dǎo)體晶片光電化學(xué)機(jī)械拋光加工裝置”，設(shè)備只集成一種波長的光源，只能適配極少數(shù)半導(dǎo)體材料，若想使用光電化學(xué)機(jī)械拋光其他半導(dǎo)體材料的襯底晶片，只能拆卸更換光源或使用其他設(shè)備，加工效率低，成本極高，不適用于產(chǎn)業(yè)化批量拋光半導(dǎo)體晶片。

5、國外單位研究的在拋光過程中使用了一種特殊的拋光設(shè)備，其中拋光板等組件部分由透明材料制成(sadakuni,s.,et?al.,bias-assisted?photochemical?planarizationof?gan(0001)substrate?with?damage?layer.japanese?journal?of?applied?physics,2013.52(3r):p.036504.)，這導(dǎo)致拋光裝置的初始成本增加，不適用于產(chǎn)業(yè)化加工使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種基于多種波長長余輝發(fā)光粒子的半導(dǎo)體襯底晶片光電化學(xué)機(jī)械拋光方法并針對該方法設(shè)計(jì)出一套加工裝置，本發(fā)明所述的基于多種波長長余輝發(fā)光粒子的半導(dǎo)體襯底晶片光電化學(xué)機(jī)械拋光方法，是指在現(xiàn)有的光電化學(xué)機(jī)械拋光的基礎(chǔ)之上，引入長余輝發(fā)光粒子，其先在特殊環(huán)境下被激發(fā)并將吸收的能量儲存起來，然后混合入拋光液中輻照被拋光的半導(dǎo)體襯底晶片，并在外加電場的作用下協(xié)同紫外線產(chǎn)生光電化學(xué)氧化，進(jìn)而半導(dǎo)體襯底晶片的氧化改性層被機(jī)械拋光去除的一種加工方式。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、一種基于多種波長長余輝發(fā)光粒子的半導(dǎo)體襯底晶片光電化學(xué)機(jī)械拋光裝置，包括機(jī)架、龍門架、電化學(xué)工作站、拋光液回收槽、控制面板、頂升拋光盤以及轉(zhuǎn)盤式真空光照單元，所述龍門架、電化學(xué)工作站、拋光液回收槽、控制面板、頂升拋光盤以及轉(zhuǎn)盤式真空光照單元均安裝在機(jī)架上，所述龍門架上安裝有導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)吸盤，在導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)吸盤的末端設(shè)置待加工工件，所述頂升拋光盤設(shè)置于導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)吸盤的下方，通過高度的調(diào)整完成其上拋光盤與待加工工件距離的調(diào)節(jié)，所述轉(zhuǎn)盤式真空光照單元中設(shè)有配合待加工半導(dǎo)體襯底晶片材料的長余輝發(fā)光粒子，被激發(fā)的長余輝發(fā)光粒子混入拋光液中，完成半導(dǎo)體襯底晶片表面的光電化學(xué)機(jī)械拋光。

4、進(jìn)一步地，所述龍門架包括緊固螺釘、立柱、橫梁、伺服安裝座、絲桿和升降梁，所述立柱為兩個(gè)且兩個(gè)立柱均通過所述緊固螺釘固定安裝在所述機(jī)架上，所述橫梁固定安裝在兩個(gè)立柱的頂部，所述伺服安裝座通過螺栓安裝在所述橫梁的一端，所述絲桿安裝在橫梁上，在伺服安裝座處通過彈性聯(lián)軸器與電機(jī)相連，橫梁上滑動連接有橫移架，所述橫移架與絲桿相連，所述升降梁固定安裝在橫移架上，所述導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)吸盤安裝在升降梁上。

5、進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)吸盤通過真空吸附的方式完成待加工工件的裝夾，具體地，主軸箱以及吸盤泵支座固定安裝在龍門架的升降梁上，吸盤泵固定在吸盤泵支座上，吸盤氣管一端連接吸盤泵，另一端連接導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)吸盤；所述主軸箱上設(shè)置有吸盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)和臺階軸，導(dǎo)電滑環(huán)的內(nèi)圈通過螺釘緊定在臺階軸上，該內(nèi)圈導(dǎo)線能夠隨著臺階軸同步回轉(zhuǎn)，導(dǎo)電滑環(huán)的外圈導(dǎo)線連通內(nèi)圈導(dǎo)線進(jìn)而將待加工工件連通，所述臺階軸的端部連接有壓力傳感器。

6、進(jìn)一步地，所述拋光頭的輸出端設(shè)置有不銹鋼微孔芯，所述不銹鋼微孔芯陣列排布在拋光頭的微孔中，拋光頭上金屬部分接到導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)圈導(dǎo)線上，臺階軸的一個(gè)軸肩頂在球軸承的軸承內(nèi)圈上，所述球軸承用于適當(dāng)?shù)卣{(diào)心作用使得半導(dǎo)體襯底晶片與拋光墊能夠有效平行貼合接觸。實(shí)際工作中，拋光墊粘接在鑄鐵盤上。

7、進(jìn)一步地，所述頂升拋光盤包括轉(zhuǎn)接板、鑄鐵盤、直角電機(jī)和兩套頂升機(jī)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)接板通過螺栓固定安裝在機(jī)架上，所述頂升機(jī)構(gòu)包括氣缸座、頂升氣缸、氣缸推桿和法蘭，所述氣缸座固定安裝在轉(zhuǎn)接板的底部，頂升氣缸安裝在氣缸座的內(nèi)部，頂升氣缸的輸出端設(shè)置有氣缸推桿，氣缸推桿與法蘭連接，氣缸推桿的端部與鑄鐵盤相連，所述直角電機(jī)的電機(jī)軸通過彈性聯(lián)軸器連接在轉(zhuǎn)接板上，所述直角電機(jī)用于驅(qū)動鑄鐵盤轉(zhuǎn)軸，進(jìn)而帶動鑄鐵盤旋轉(zhuǎn)。

8、進(jìn)一步地，拋光液輸出機(jī)構(gòu)與頂升拋光盤相連，其包括拋光液罐和噴嘴，所述拋光液罐位于轉(zhuǎn)接板下端，所述拋光液罐的輸出端與噴嘴相連，所述噴嘴凸出于鑄鐵盤預(yù)設(shè)高度，所述拋光液噴嘴通過法蘭盤與鑄鐵盤相連。

9、進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)盤式真空光照單元包括轉(zhuǎn)盤主軸座、氣路分流壓環(huán)、負(fù)壓表、光源水冷管、真空光照室安裝盤、氣路盤氣管、支承立柱、輸料管、氣路盤、滑環(huán)、滑環(huán)抱緊塊、長余輝發(fā)光粒子儲存?zhèn)}、儲存?zhèn)}安裝盤、中間氣路安裝盤、光源、轉(zhuǎn)盤底板墊環(huán)、電氣控制單元、轉(zhuǎn)盤主軸和真空光照室，所述轉(zhuǎn)盤主軸座通過螺栓固定安裝在所述機(jī)架上，所述轉(zhuǎn)盤主軸固定安裝在所述轉(zhuǎn)盤主軸座上，并用所述轉(zhuǎn)盤底板墊環(huán)隔開，所述電氣控制單元固定安裝在所述轉(zhuǎn)盤主軸上；所述滑環(huán)安裝在所述轉(zhuǎn)盤主軸的頂部，通過所述滑環(huán)抱緊塊固定；所述氣路盤通過所述中間氣路安裝盤緊固在轉(zhuǎn)盤主軸上；所述氣路分流壓環(huán)固定安裝在所述氣路盤底部，所述氣路盤用于調(diào)控工作的真空光照室內(nèi)部壓強(qiáng)達(dá)到要求；所述真空光照室安裝盤套在所述轉(zhuǎn)盤主軸外圈并緊固，可隨主軸一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；所述真空光照室為多個(gè)且等間距地固定安裝在所述真空光照室安裝盤外側(cè)一周；不同波長的若干光源分別固定安裝在對應(yīng)的真空光照室內(nèi)部偏上位置，激發(fā)不同的長余輝發(fā)光粒子；所述負(fù)壓表固定安裝在真空光照室的頂部；所述支承立柱，位于兩個(gè)相鄰真空光照室之間，垂直固定安裝在真空光照室安裝盤上；所述儲存?zhèn)}安裝盤固定安裝在支承立柱的頂部，用于安裝所述長余輝發(fā)光粒子儲存?zhèn)}；所述輸料管的一端連接在長余輝發(fā)光粒子儲存?zhèn)}的底部，另一端連接真空光照室；所述氣路盤氣管的一端連接真空光照室，另一端氣路盤連接機(jī)架內(nèi)部的負(fù)壓泵，負(fù)壓泵保證真空光照室工作室的氣壓條件。

10、進(jìn)一步地，還包括腔室擺臂、腔室蓋和擺臂驅(qū)動馬達(dá)，所述腔室蓋與所述腔室擺臂連接，所述腔室蓋安裝在所述真空光照室的頂部；所述擺臂驅(qū)動馬達(dá)安裝在所述真空光照室的背部，驅(qū)動擺臂帶動腔室蓋，完成開關(guān)蓋動作，在光源激發(fā)發(fā)光粒子時(shí)，腔室蓋保持關(guān)閉保證真空光照室內(nèi)黑暗，拋光時(shí)，腔室蓋打開使被激發(fā)的發(fā)光粒子落下與拋光液混合。

11、進(jìn)一步地，還包括光源水冷管，所述光源水冷管一端連接位于機(jī)架內(nèi)部的冷水泵，另一端連接對應(yīng)的光源。

12、本發(fā)明還公開了基于上述多種波長長余輝發(fā)光粒子的半導(dǎo)體襯底晶片光電化學(xué)機(jī)械拋光裝置的拋光方法，包括如下步驟：

13、步驟1、半導(dǎo)體襯底晶片清洗：使用無水乙醇中超聲清洗半導(dǎo)體襯底晶片，去離子水反復(fù)沖洗。然后使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40％-60％wt％濃氫氟酸溶液中浸泡襯底晶片，再用去離子水反復(fù)沖洗10分鐘，最后用純氮?dú)獯蹈?。放置到所述?dǎo)電旋轉(zhuǎn)吸盤的不銹鋼微孔芯上，導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)吸盤氣路接通，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體襯底晶片吸附固定；

14、在進(jìn)行步驟1時(shí)，設(shè)備將同時(shí)完成以下工作，根據(jù)半導(dǎo)體襯底晶片材料的的禁帶寬度和以下公式，選擇對應(yīng)發(fā)射波長的長余輝發(fā)光粒子，該發(fā)光粒子通過所述輸料管進(jìn)入具有對應(yīng)激發(fā)波長光源的真空光照室；所述氣路盤氣管抽取腔室內(nèi)空氣使所述真空光照室內(nèi)達(dá)到真空；所述光源水冷管循環(huán)冷水以防止光源工作過程中過熱燒毀；所述光源輻照發(fā)光粒子，發(fā)光粒子被激發(fā)并將吸收的能量儲存起來；

15、

16、步驟2、移動并調(diào)整拋光盤的位置并與半導(dǎo)體襯底晶片接觸，通過壓力傳感器對拋光壓力進(jìn)行信號采集，對信號進(jìn)行處理。處理后的信號可以反饋給氣缸，調(diào)整拋光壓力；也可以反饋到電化學(xué)工作站，調(diào)整電化學(xué)工作站的陽極氧化電位，調(diào)節(jié)氧化速率。拋光壓力的加載依靠頂升拋光盤中的氣缸，在此過程中，通過壓力傳感器進(jìn)行壓力的監(jiān)測。

17、步驟3、所述真空主轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)使裝有被輻照后的長余輝發(fā)光粒子的真空光照室位于所述頂升拋光盤的上方；所述腔室擺臂帶動所述腔室蓋抬起，被激發(fā)的長余輝發(fā)光粒子混入拋光液中。

18、步驟4、通過拋光液使作為陽極的半導(dǎo)體襯底晶片表面和作為陰極的拋光盤形成閉合回路；電化學(xué)工作站施加陽極偏壓，分離發(fā)光粒子照射半導(dǎo)體襯底晶片表面產(chǎn)生的電子-空穴對，半導(dǎo)體襯底晶片表面改性生成軟質(zhì)氧化層。

19、步驟5、所述導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)吸盤主軸驅(qū)動半導(dǎo)體襯底晶片自轉(zhuǎn)，拋光墊壓覆磨粒和發(fā)光粒子(硬度介于氧化層和基體之間)去除半導(dǎo)體襯底晶片表面的氧化層，拋光壓力可調(diào)，表面氧化-機(jī)械去除往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體襯底晶片的高質(zhì)高效拋光。

20、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明使用不同長余輝發(fā)光粒子和不同光源，適合多種半導(dǎo)體材料。通過轉(zhuǎn)盤式真空光照單元旋轉(zhuǎn)，簡單快速實(shí)現(xiàn)更換不同波長的光照。使用普通鑄鐵盤并且不破壞拋光盤結(jié)構(gòu)的前提下解決了拋光盤遮擋光照問題，保證拋光盤結(jié)構(gòu)簡單低成本，并且保證了材料去除的均勻性。