[发明专利]一种光化学与机械抛光相结合的半导体晶片加工装置

说明书

本发明公开了一种半导体晶片光化学机械抛光加工方法及其加工装置，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。

技术领域

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(chemical mechanical polishing(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，Hideo Aida等人(Applied Surface Science 292(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。

发明内容

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。