IPC分类号 : B24B29/02,B24B57/02,B01F3/04,B01F5/00,H01L21/306,H01L21/67
专利摘要
本实用新型涉及抛光领域，公开了一种抛光介质制备装置和机械化学抛光设备。其中，所述一种抛光介质制备装置包括用于储存抛光液的储液罐、用于向所述储液罐内释放预定压力气体的气压泵、第一管道和第二管道；所述第一管道的一端与所述气压泵的出气口连接，另一端从所述储液罐的进液口延伸至所述储液罐的底部；所述第二管道从所述储液罐的底部延伸至所述储液罐外；所述第一管道延伸至所述储液罐的底部的一端设置有螺旋增压结构，所述螺旋增压结构用于促进从所述第一管道释放的气体与所述储液罐内的抛光液充分混合，以形成抛光介质。通过上述技术方案，能够有效提高半导体材料的机械化学抛光效率和加工后的材料表面的精度。
权利要求
1.一种抛光介质制备装置，其特征在于，所述抛光介质制备装置包括用于储存抛光液的储液罐(1)、用于向所述储液罐(1)内释放预定压力气体的气压泵(2)、第一管道(3)和第二管道(4)；所述第一管道(3)的一端与所述气压泵(2)的出气口连接，另一端从所述储液罐(1)的进液口延伸至所述储液罐(1)的底部；所述第二管道(4)从所述储液罐(1)的底部延伸至所述储液罐(1)外；所述第一管道(3)延伸至所述储液罐(1)的底部的一端设置有螺旋增压结构(5)，所述螺旋增压结构(5)用于促进从所述第一管道(3)释放的气体与所述储液罐(1)内的抛光液充分混合，以形成抛光介质；所述抛光介质制备装置还包括第三管道(6)和设置储气罐(7)，所述第三管道(6)的一端与所述气压泵(2)的进气口连接，另一端与所述储气罐(7)的出气口连接，所述储气罐(7)上设置有用于检测所述储气罐(7)压力的压力表(14)。
2.根据权利要求1所述的抛光介质制备装置，其特征在于，所述第二管道(4)上设置有用于控制所述第二管道(4)中流体的流量的阀门(8)。
3.根据权利要求1所述的抛光介质制备装置，其特征在于，所述螺旋增压结构(5)包括本体(51)和设置在所述本体(51)的侧壁上的通孔(52)，所述本体(51)内沿着所述本体(51)的轴线方向设置有螺旋通道(53)，所述通孔(52)与所述螺旋通道(53)连通；所述螺旋通道(53)至少满足以下条件之一：
a所述螺旋通道(53)的螺距沿所述本体(51)的轴线方向递减；
b所述螺旋通道(53)的截面直径沿所述本体(51)的轴线方向递减；
c所述螺旋通道(53)的直径沿所述本体(51)的轴线方向递减。
4.根据权利要求1所述的抛光介质制备装置，其特征在于，所述螺旋增压结构(5)包括本体(51)和设置在所述本体(51)的侧壁上的通孔(52)，所述本体(51)的内壁设置有沿所述本体(51)的轴向分布的螺旋通道(53)，所述本体(51)内沿所述本体(51)的轴向设置有中心柱(54)，所述中心柱(54)的侧壁紧贴于所述螺旋通道(53)或所述中心柱(54)的侧壁与所述中心柱(54)的侧壁之间设有一定空隙；所述通孔(52)与所述螺旋通道(53)连通；
所述螺旋通道(53)至少满足以下条件之一：
a所述螺旋通道(53)的螺距沿所述本体(51)的轴线方向递减；
b所述螺旋通道(53)的截面直径沿所述本体(51)的轴线方向递减；
c所述螺旋通道(53)的直径沿所述本体(51)的轴线方向递减。
5.一种机械化学抛光设备，其特征在于，所述机械化学抛光设备包括机械化学加工室以及权利要求1-4中任意一项所述的抛光介质制备装置；
所述机械化学加工室还包括支架(9)、设置在所述支架(9)上的抛光盘(10)、设置在所述抛光盘(10)下方并用于驱动所述抛光盘(10)转动的电机(11)、粘贴于所述抛光盘(10)上表面的抛光垫(12)、位于所述抛光盘(10)上方的压力砝码(13)以及用于驱动所述压力砝码(13)转动的驱动机构；所述抛光介质能够经过第二管道(4)流至所述抛光垫(12)的上表面。
说明书
技术领域
本实用新型涉及抛光技术领域，具体地涉及一种抛光介质制备装置和机械化学抛光设备。
背景技术
随着工业产品，自动化、智能化的进程不断加深，半导体芯片在尖端领域以及民生领域的应用市场快速成长。据统计，我国每年进口芯片2000亿美元以上，超过石油成为第一大进口产品。然而我国虽然具有比较完善的半导体产业链，但制造能力却只能满足低密度晶体管芯片的生产，在新能源汽车、大功率电器、5G通讯网络以及航空航天等尖端科技领域，还无法自给自足，需求上存在着巨大缺口。高端电子芯片严重依赖于进口，其主要原因是制造能力无法满足设计要求。因此，对于半导体产业链的构建以及关键工艺的自主突破，已经势在必行。
随着芯片布线的微细化、3D多层配线以及外延层生长的需要，对于半导体基板的表面必须具有TTV<1um、Ra<0.3nm、无划痕、无损伤层等等，极为严格的要求。为实现上述要求，作为半导体制程前端的机械化学抛光工艺，成为半导体从材料到芯片的至关重要的一步。机械化学抛光需要将前道工序，如切割、研磨、研销等工艺过程中，在半导体基板表面产生的划伤、表面损伤等，必须全部清除并且不能产生新的损伤，因此对抛光时使用的抛光液、抛光垫以及抛光设备的要求极为严格，这样就造成加工后半导体表面基板的精度和品质极高，但加工效率极为低下，根据半导体材料的不同，机械化学抛光效率通常为数纳米/分～数微米/分的范围，尤其是近年第三代半导体材料的出现，由于其物理化学特性极为稳定，硬度也仅次于金刚石，其机械化学抛光效率只有几十纳米/小时。这使得机械化学抛光成为半导体前段工程耗材消耗成本最高的一道工序。因此，迫切需要一种既能保证半导体基板表面高品质，又具有高效率的抛光介质和抛光设备。
实用新型内容
针对现有半导体材料机械化学抛光技术的不足，本实用新型提出一种抛光介质制备装置和机械化学抛光设备，以实现对半导体材料进行高效率、高品质的机械化学抛光。
为了实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种抛光介质制备装置，所述抛光介质制备装置包括用于储存抛光液的储液罐、用于向所述储液罐内释放预定压力气体的气压泵、第一管道和第二管道；所述第一管道的一端与所述气压泵的出气口连接，另一端从所述储液罐的进液口延伸至所述储液罐的底部；所述第二管道从所述储液罐的底部延伸至所述储液罐外；所述第一管道延伸至所述储液罐的底部的一端设置有螺旋增压结构，所述螺旋增压结构用于促进从所述第一管道释放的气体与所述储液罐内的抛光液充分混合，以形成抛光介质；所述抛光介质制备装置还包括第三管道和储气罐，所述第三管道的一端与所述气压泵的进气口连接，另一端与所述储气罐的出气口连接；所述储气罐上设置有用于检测所述储气罐压力的压力表。
储气罐内的反应气体经过气压泵的增压后沿所述第一管道注入所述储液罐，基于螺旋增压结构的设置，能够使得所述反应气体与抛所述光液形成漩涡，充分混合形成抛光介质；反应气体一部分在高压下溶解于抛光液中，另一部分以气泡结构悬浮于抛光液中；混合了反应气体的抛光液经所述第二管道流出。通过上述技术上方案，反应气体的成分、压力以及抛光液的成分均可以根据生产需求进行调配设置，以能够制备满足高效率抛光和高品质抛光的抛光介质。
进一步地，所述第二管道上设置有用于控制所述第二管道中流体的流量的阀门。
进一步地，所述螺旋增压结构5包括本体和设置在所述本体的侧壁上的通孔，所述本体内沿着所述本体的轴线方向设置有螺旋通道，所述通孔与所述螺旋通道连通；所述螺旋通道至少满足以下条件之一：
(a)所述螺旋通道的螺距沿所述本体的轴线方向递减；
(b)所述螺旋通道的截面直径沿所述本体的轴线方向递减；
(c)所述螺旋通道的直径沿所述本体的轴线方向递减。
在另一种具体实施方式中，所述螺旋增压结构包括本体和设置在所述本体的侧壁上的通孔，所述本体的内壁设置有沿所述本体的轴向分布的螺旋通道，所述本体内沿所述本体的轴向设置有中心柱，所述中心柱的侧壁紧贴于所述螺旋通道或所述中心柱的侧壁与所述中心柱的侧壁之间设有一定空隙；所述通孔与所述螺旋通道连通；
所述螺旋通道至少满足以下条件之一：
(a)所述螺旋通道的螺距沿所述本体的轴线方向递减；
(b)所述螺旋通道的截面直径沿所述本体的轴线方向递减；
(c)所述螺旋通道的直径沿所述本体的轴线方向递减。
本实用新型第二方面提供一种机械化学抛光设备，所述机械化学抛光设备包括机械化学加工室以及所述抛光介质制备装置；
所述机械化学加工室还包括支架、设置在所述支架上的抛光盘、设置在所述抛光盘下方并用于驱动所述抛光盘转动的电机、粘贴于所述抛光盘上表面的抛光垫、位于所述抛光盘上方的压力砝码以及用于驱动所述压力砝码转动的驱动机构；所述抛光介质能够经过第二管道流至所述抛光垫的上表面。
反应气体经过气压泵的增压后沿所述第一管道注入所述储液罐，基于螺旋增压结构的设置，能够使得所述反应气体与抛所述抛光液形成漩涡，充分混合形成抛光介质；反应气体一部分在高压下溶解于抛光液中，另一部分以气泡结构悬浮于抛光液中；混合了反应气体的抛光液(即抛光介质)经所述第二管道流入机械化学加工室，具体而言，流在所述抛光垫上，随后电机驱动所述抛光盘转动，对所述半导体材料进行抛光。
通过上述技术上方案，能够有效提高半导体材料的抛光效率和抛光品质。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本实用新型抛光介质制备装置或机械化学抛光设备一种实施方式的结构示意图；
图2是本实用新型螺旋增压结构一种实施方式的主视图；
图3是图2中沿A-A的剖视图；
图4是螺旋增压结构另一种实施方式的剖视图；
图5是实施例1的机械化学抛光实验的结果图；
图6是实施例2的机械化学抛光实验的结果图；
图7是实施例3的机械化学抛光实验的结果图；
图8是实施例4的机械化学抛光实验的结果图。
附图标记说明
1储液罐2气压泵
3第一管道4第二管道
5螺旋增压结构6第三管道
7储气罐8阀门
9支架10抛光盘
11电机 12抛光垫
13压力砝码 14压力表
51本体 52通孔
53螺旋通道 54中心柱
具体实施方式
以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指在装配使用状态下的方位。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。
本实用新型中第一方面提供一种抛光介质制备装置，如图1所示，所述抛光介质制备装置包括用于储存抛光液的储液罐1、用于向所述储液罐1内释放预定压力气体的气压泵2、第一管道3和第二管道4；所述第一管道3 的一端与所述气压泵2的出气口连接，另一端从所述储液罐1的进液口延伸至所述储液罐1的底部；所述第二管道4从所述储液罐1的底部延伸至所述储液罐1外；所述第一管道3延伸至所述储液罐1的底部的一端设置有具有螺旋增压结构的螺旋增压结构5，所述螺旋增压结构5用于促进从所述第一管道3释放的气体与所述储液罐1内的抛光液充分混合，以形成抛光介质。
反应气体经过气压泵2的增压后沿所述第一管道3注入所述储液罐1，基于螺旋增压结构5的设置，能够使得所述反应气体与抛所述光液形成漩涡，充分混合形成抛光介质；反应气体一部分在高压下溶解于抛光液中，另一部分以气泡结构悬浮于抛光液中；混合了反应气体的抛光液即抛光介质经所述第二管道4流出。通过上述技术上方案，反应气体的成分、压力以及抛光液的成分均可以根据生产需求进行调配设置，以能够制备满足高效率抛光和高品质抛光的抛光介质。
所述抛光介质制备装置还包括第三管道6和储气罐7，所述第三管道6 的一端与所述气压泵2的进气口连接，另一端与所述储气罐7的出气口连接。所述第二管道4上设置有用于控制所述第二管道4中流体的流量的阀门8。
下面提供几种螺旋增压结构5的具体实施方式：
具体实施方式一：如图2和图3所示，所述螺旋增压结构5包括本体51 和设置在所述本体51的侧壁上的通孔52，所述本体51内沿着所述本体51 的轴线方向设置有螺旋通道53，所述通孔52与所述螺旋通道53连通；所述螺旋通道53至少满足以下条件之一：
(a)所述螺旋通道53的螺距沿所述本体51的轴线方向递减；
(b)所述螺旋通道53的截面直径沿所述本体51的轴线方向递减；
(c)所述螺旋通道53的直径沿所述本体51的轴线方向递减。
如此设置，气体沿所述螺旋通道53进入所述本体51内，沿着所述本体 51的轴线方向向下，所述螺旋通道53的空间越小，也可以理解为越拥挤，因此在所述本体51下方的螺旋通道53中，压力就越大，更有助于气体溶解与所述抛光液中。当然，不是所有的气体都能溶解于抛光液中，未溶解于抛光液的气体以气泡的形式悬浮于抛光液中。
需要说明的是，上述中的“上”、“下”是指附图3状态下的方位。
具体实施方式二：如图4所示，所述螺旋增压结构5包括本体51和设置在所述本体51的侧壁上的通孔52，所述本体51的内壁设置有沿所述本体 51的轴向分布的螺旋通道53，所述本体51内沿所述本体51的轴向设置有中心柱54，所述中心柱54的侧壁紧贴于所述螺旋通道53或所述中心柱的侧壁与所述中心柱54的侧壁之间设有一定空隙；所述通孔52与所述螺旋通道 53连通；
所述螺旋通道53至少满足以下条件之一：
a所述螺旋通道53的螺距沿所述本体51的轴线方向递减；
b所述螺旋通道53的截面直径沿所述本体51的轴线方向递减；
c所述螺旋通道53的直径沿所述本体51的轴线方向递减。
在具体实施方式二中，促进气体溶解于抛光液中的原理与具体实施方式一的原理相同，在此不再过多赘述。
此外，所述储气罐7上设置有压力表14，所述压力表14用于测量所述储气罐内的压力。
使用时，在所述储气罐7中储存氢气、氦气、氮气、氧气、氟气、氖气、氯气、氩气、臭氧、氨气、二氧化碳、二氧化氮中的至少一种气体；在所述储液罐1内储存抛光液；储气罐7内的反应气体经过气压泵2的增压后沿所述第一管道3注入所述储液罐1，基于螺旋增压结构5的设置，能够使得所述反应气体与抛所述光液形成漩涡，充分混合形成抛光介质；反应气体一部分在高压下溶解于抛光液中，另一部分以气泡结构悬浮于抛光液中；混合了反应气体的抛光液(即抛光介质)经所述第二管道4流出。
如此，反应气体的成分、压力以及抛光液的成分均可以根据生产需求进行调配设置，以能够制备满足高效率抛光和高品质抛光的抛光介质。
在一种可选的具体实施方式中，利用所述气压泵将从所述储气罐7中释放的气体压力增加至0-500kPa后，向所述储液罐1内释放；
在所述储气罐7内储存氧气、氮气、氩气和空气；
或，
在所述储气罐7内储存氧气；
或，
在所述储气罐7内储存空气；
或，
在所述储气罐7内储存氧气和氮气。
更进一步地，在所述抛光液中加入抛光颗粒，所述抛光颗粒为金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化锰中的至少一种颗粒；所述抛光颗粒占所述抛光液的5～30wt％；所述抛光颗粒的粒径为0.05μm～1μm；在所述抛光液中添加化学添加剂，所述化学添加剂为酸、碱、盐金属氧化物、非金属氧化物中的至少一种，所述化学添加剂占所述抛光液0～10wt％。
在一种可选的具体实施方法中，在没有添加任何化学添加剂或抛光颗粒之前，所述抛光液主要成分为水，或所述抛光液即是水。
本实用新型第二方面提供一种机械化学抛光设备，所述机械化学抛光设备包括机械化学加工室以及所述抛光介质制备装置；所述机械化学加工室还包括支架9、设置在所述支架9上的抛光盘10、设置在所述抛光盘10下方并用于驱动所述抛光盘10转动的电机11、粘贴于所述抛光盘10上表面的抛光垫12、位于所述抛光盘10上方的压力砝码13以及用于驱动所述压力砝码 13转动的驱动机构；所述抛光介质能够经过第二管道4流至所述抛光垫12的上表面。
使用时，将待抛光的半导体材料贴附于所述压力砝码13的下端面通过第二管道4向所述抛光垫12上输送所述抛光介质，电机11驱动所述抛光盘 10转动，驱动机构驱动所述压力砝码13在所述抛光垫的上表面自转，实现对半导体材料进行抛光。
如此，通过反应气体与抛光液的混合，改变抛光液与半导体材料固液表面的物理变化及化学反应，从而提高半导体材料的机械化学抛光效率同时提高加工后材料表面精度。
其中，所述压力砝码13一方面能够用作承载待抛光的半导体材料，另一方面可用作向半导体材料施加预定压力，使得半导体材料之间产生预定抛光压力。
上述中，所述驱动机构可以是电机，具体而言，电机的输出轴与所述压力砝码13连接，用于驱动所述压力砝码13绕所述输出轴转动。
当然，所述压力砝码13可以不通过所述驱动机构驱动即可实现在原地转动。具体而言，在所述抛光盘10的上方设置一个圆弧形挡片，所述圆弧形挡片不与抛光垫12接触，压力砝码13直接放置在所述抛光垫12上。当抛光盘10带动所述抛光垫12转动时，若没有挡片的设置，压力砝码13也会随着抛光盘10转动。而基于挡片的设置，压力砝码13会停留在原地与抛光垫12摩擦抛光。
下面通过多个实施例展示本实用新型机械化学抛光设备的抛光效果。
实施例1
如图5所示，使用氧气、氮气、氩气、空气作为反应气体，即在所述储气罐7内储存氧气、氮气、氩气和空气；抛光垫选用聚氨酯抛光垫；抛光颗粒选用粒径为80纳米的SiO2。将该反应气体的气压增至500kPa后通入储存有抛光液的储液罐1中，反应后得到抛光介质；利用抛光介质和所述机械化学加工室对硅基板(半导体材料)进行10分钟的机械化学抛光。下表1列出了机械化学抛光条件：
表1机械化学抛光条件
由表1和图5可以看出，施加的反应气体种类不同，可以明显提升材料去除效率，同时，加工后硅基板表面粗糙度达到1nm以下。由此可见，所述机械化学抛光设备和方法，能够满足硅基板的高效率、高品质的机械化学抛光。
比较例1
将抛光液放置于开放的标准大气压环境中，对硅基板进行机械化学抛光实验，其他加工条件与实施例1的实验相同。结果如图5所示。
实施例2
如图6所示，使用氧气作为反应气体，即在所述储气罐7内储存氧气；抛光垫选用聚氨酯抛光垫；抛光颗粒选用粒径为80纳米的SiO2。调节反应气体的气压从0到500kPa与抛光液混合后获取抛光介质，利用抛光介质和所述机械化学加工室对硅基板(半导体材料)进行10分钟的机械化学抛光。下表1列出了机械化学抛光条件：
表2机械化学抛光条件
从表2和图6可以看出，施加的反应气体压力增加，可以明显提升材料去除效率，同时，加工后硅基板表面粗糙度达到1nm以下。由此可见，该机械化学抛光设备及方法，能够满足硅基板的高效率、高品质的机械化学抛光。
比较例2
将抛光液放置于开放的标准大气压环境中，对硅基板进行机械化学抛光实验，其他加工条件与实施例2的实验相同。结果如图6所示。
实施例3
如图7所示，使用空气作为反应气体，即在所述储气罐7内储存空气；抛光垫选用聚氨酯抛光垫；抛光颗粒选用粒径为200微米的SiO2。调节反应气体的气压从0到500kPa与抛光液混合后获取抛光介质，利用抛光介质和所述机械化学加工室对硅基板(半导体材料)进行1小时的机械化学抛光。下表3列出了机械化学抛光条件：
表3机械化学抛光条件
从表3和图7中可以看出，施加的反应气体压力增加，可以提升材料去除效率，同时，加工后蓝宝石基板表面粗糙度达到1nm左右。由此可见，该机械化学抛光设备及方法，能够满足蓝宝石基板的高效率、高品质的机械化学抛光。
比较例3
将抛光液放置于开放的标准大气压环境中，对蓝宝石基板进行机械化学抛光实验，其他加工条件与实施例3的实验相同。结果如图7所示。
实施例4
如图8所示，使用氧气与氮气的混合气体作为反应气体，即在所述储气罐7内储存氧气和氮气；抛光垫选用聚氨酯抛光垫；抛光颗粒选用粒径为1 微米的CeO2。调节反应气体的气压从0到500kPa与抛光液混合后获取抛光介质，利用抛光介质和所述机械化学加工室对硅基板(半导体材料)进行1 小时的机械化学抛光。下表4列出了机械化学抛光条件：
表4机械化学抛光条件
通过表4和图8可以看出，施加的反应气体成分比例改变，可以提升材料去除效率，同时，加工后碳化硅基板表面粗糙度达到2nm左右。由此可见，该机械化学抛光设备及方法，能够满足碳化硅基板的高效率、高品质的机械化学抛光。
比较例4
将抛光液放置于开放的标准大气压环境中，对碳化硅基板进行机械化学抛光实验，其他加工条件与实施例4的实验相同。结果如图4所示。
由上述实施例可见，本实用新型提供的机械化学抛光装置及方法，可以提高半导体材料机械化学抛光的效率和品质，降低产品加工成本，促进半导体制造产业发展。
需要说明的是，本实用新型的设备和方法对单晶硅、多晶硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、氮化镓、砷化镓、玻璃中等其他半导体材料同样适用。
以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
抛光介质制备装置和机械化学抛光设备专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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