一种处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，包括电源；抛光台，有导电性，和电源连接；抛光垫，至少包括可与导电型晶圆衬底的一抛光面相贴合的作用层，作用层由绝缘材质制成，具有孔洞，该孔洞内置有导电化学液；抛光头，具有导电性，并和电源连接，其下表面可与导电型晶圆衬底相贴合；电源、抛光台、化学液、导电型晶圆衬底、抛光头形成通电回路，导电型晶圆衬底的抛光面形成电化学反应层；抛光头带动导电型晶圆衬底相对抛光垫移动，实现对电化学反应层的化学机械抛光。本实用新型专利技术引入晶圆衬底表面电化学反应，衬底材料去除率、抛光/平坦化速度提高，设备运营成本降低。营成本降低。营成本降低。

【技术实现步骤摘要】
一种处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备


[0001]本技术属于半导体集成电路芯片制造领域，尤其是涉及一种处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]电路架构设计是电化学机械抛光、平坦化设备的关键。目前市场上尚无适合大规
模量产的电化学机械抛光、平坦化设备。既有电化学机械抛光、平坦化设备/装置可以大致归为两类。第一类沿用常规化学机械抛光、平坦化设备基本设计：抛光台水平放置，并可周向旋转；抛光垫放置于抛光台上表面，抛光垫的下表面与抛光台顶面相贴合，供液臂输送抛光液于抛光垫上表面；抛光台/抛光垫上方是晶圆衬底载头(抛光头)，抛光头下方是晶圆衬底，抛光面(正面)朝下放置，抛光头向晶圆衬底背面加压，在抛光垫上对晶圆衬底正表面或进行抛光或平坦化处理。在常规化学机械抛光、平坦化设备设计的基础上，第一类电化学机械抛光、平坦化设备通过改变抛光台和抛光垫设计实现通过导电晶圆衬底表面的电路架构：一个导电的抛光台和第一电极相连，抛光台上贴附的抛光垫本身是由绝缘材质制成，但是设计有贯穿厚度方向的孔洞，抛光垫浸润时孔洞内充满化学液。同时，绝缘材质的抛光垫上表面另外安装有多个导电接触头，通常是金属导体材质，并同抛光垫旋转。多个导电接触头相互连接后最终和第二电极相连。在第一类电化学机械抛光、平坦化设备运行时，晶圆衬底载头(抛光头)向晶背加压，晶圆衬底正表面和抛光垫贴合，抛光垫孔洞内的化学液和抛光垫上表面的导电接触头分别和导电晶圆衬底正表面实现电接触，可以完成第一电极
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导电抛光台
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抛光垫孔洞中的导电化学液
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导电晶圆衬底正表面
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抛光垫上表面的导电接触头
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第二电极的通电回路。第一类电化学机械抛光、平坦化设备设计适用于导电型晶圆衬底的抛光，也适用于表面层导电晶圆衬底的平坦化工艺。其设计的最大难点是抛光垫上表面导电接触头的设计和材料选择。由于抛光台和抛光头分别独立旋转，同时抛光头向晶背加压，经常碰到的问题包括导电接触头材料表面的化学稳定性及其和晶圆衬底之间电接触的可靠性，导电接触头引起的晶圆衬底表面刮伤、颗粒污染和金属污染，导电接触头材料自身的磨损以及抛光垫的成本、使用寿命等。
[0007]第二类电化学机械抛光装置基于常规机械减薄、表面抛光系统设计：晶圆衬底在抛光台朝上水平放置，抛光台/晶圆衬底上方是抛光头，抛光头下方粘接有抛光垫，抛光垫没有也无须有贯穿厚度方向的孔洞。抛光头/抛光垫旋转，同时向晶圆衬底正面加压，对晶圆衬底进行减薄或表面抛光处理。在第二类电化学机械抛光装置中，导电晶圆衬底通过导电抛光台和第一电极相连。同时，抛光台，晶圆衬底和抛光头下部均浸没在导电化学液里，可以通过一个同样浸没在导电化学液里的通电电极和第二电极连接。通过这样的设计可以在第一电极
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导电抛光台
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导电晶圆衬底
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导电化学液
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通电电极
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第二电极之间形成一个通电回路。在第二类电化学机械抛光装置中，晶圆衬底完全浸没在导电化学液里，导电化学液通常需要一定深度以放置通电电极，很难快速、有效地去除晶圆衬底表面电化学抛光产生的副产物，晶圆衬底的快速装卸也是一个挑战。

技术实现思路

[0008]为了克服现有技术的不足，本技术提供一种新的电化学机械抛光及平坦化设备设计，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。
[0009]本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，包括：
[0010]电源；
[0011]抛光台，和电源连接，并具有导电性；
[0012]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一抛光面相贴
合的作用层，该作用层由绝缘材质制成，作用层具有贯穿其厚度方向的孔洞，该孔洞内容置有具有导电性的化学液；
[0013]抛光头，和电源连接，并具有导电性，其下表面可与导电型晶圆衬底相贴合；
[0014]所述电源、抛光台、化学液、导电型晶圆衬底、抛光头形成通电回路，以在导电型晶圆衬底表面形成电化学反应层；
[0015]所述抛光头可带动导电型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于，包括：电源；抛光台，和电源连接，并具有导电性；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一抛光面相贴合的作用层，该作用层由绝缘材质制成，作用层具有贯穿其厚度方向的孔洞，该孔洞内容置有具有导电性的化学液；抛光头，和电源连接，并具有导电性，其下表面可与导电型晶圆衬底相贴合；所述电源、抛光台、化学液、导电型晶圆衬底、抛光头形成通电回路，以在导电型晶圆衬底的抛光面形成电化学反应层；所述抛光头可带动导电型晶圆衬底相对抛光垫移动，以实现对电化学反应层的化学机械抛光。2.根据权利要求1所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：所述抛光台可绕着抛光台轴心旋转；所述抛光头可绕着抛光头轴心旋转，且可相对抛光台移动。3.根据权利要求1或2所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：所述孔洞的数量为多个。4.根据权利要求3所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：所述孔洞的总面积占作用层面积的5
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70％。5.根据权利要求3所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：所述孔洞的总面积占作用层面积的5
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50％。6.根据权利要求1所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：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。7.根据权利要求1所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：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。8.根据权利要求1所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：所述抛光头包括，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；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；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。9.根据权利要求8所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：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。10.根据权利要求8所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：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。11.根据权利要求8所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特
征在于：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。12.根据权利要求11所述的处理导电型晶圆衬底的电化学机械抛光及平坦化设备，其特征在于：所述轻质金属板表面有一镀铂层。...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓耀敏，朱政挺，王东辉，
申请(专利权)人：杭州众硅电子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：