一种碳化硅晶圆的研磨装置及方法

技术领域

本发明具体涉及硅晶圆加工技术领域，具体为一种碳化硅晶圆的研磨装置及方法。

背景技术

作为第三代半导体材料， 单晶碳化硅材料具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、 临界击穿电场高、相对介电常数低和化学稳定性好等特点，适合制作高温、高频、大功率和高集成度的电子器件。如何实现高效率、高精度、低成本加工，成为目前发展碳化硅材料亟待解决的重要难题。在对碳化硅晶片做化学机械抛光前，需要对碳化硅切片进行约100余微米的厚度去除。目前的研磨方案按照加工原理可分为游离磨料研磨和固结磨料研磨；主要缺陷在于：游离磨料的加工原理为三体磨损，即在研磨大盘和压力主轴的转动过程中，同时间歇添加研磨液，磨料在研磨过程中的运动轨迹随机分布，材料表面去除均匀性较差。固结磨料研磨的加工原理为二体磨损，面出露的磨粒棱角对碳化硅表面进行滑擦和耕犁实现材料去除，但表面划伤情况较多。

固结磨料研磨垫能够实现磨料在研磨过程中的运动轨迹半随机可控，材料去除均匀性较优，但其造成的表面划伤更为严重，后续CMP修整得到原子级光滑表面压力较大；游离磨料研磨去除操作简便，成本较低，工程应用较为广泛，研磨过程中磨料运动轨迹分布随机，加工中材料去除的均匀性受限；为了同时实现材料均匀去除和低表面损伤， 提出了一种利用磁流变液调控游离磨料运动轨迹的方法，但由于机械去除过程中金刚石与碳化硅硬度相当，磨料切削刃在加工过程中会出现不同程度的磨损，磨料不可循环利用，因此需要对磨损的磨料与磁流变液体进行及时分离。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种碳化硅晶圆的研磨装置及研磨方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种碳化硅晶圆的研磨装置，包括：

研磨机构，所述研磨机构包括研磨驱动机构和研磨基座，所述碳化硅晶圆固定在研磨驱动机构上，所述研磨驱动机构为碳化硅晶圆片的旋转研磨提供动力；

研磨液供给源，所述研磨液供给源包括研磨液、磁流变液和磁场电控单元，所述磁场电控单元产生磁场，所述研磨液、磁流变液混合在一起，通过磁场使磁流变液形成磁簇，从而控制研磨液中研磨颗粒的运动轨迹；

磨粒回收机构，所述磨粒回收机构用于对研磨液、磁流变液混合溶液进行回收，包括磁力控制设备，通过磁力控制设备对研磨颗粒和磁流变液分离，并对研磨液中的研磨颗粒进行集中回收，对磁流变液的磁流变粒子进行循环使用。

可选的，所述研磨驱动机构包括旋转压力主轴和晶圆固定装置，所述旋转压力主轴与晶圆固定装置连接，所述晶圆固定装置与碳化硅晶圆片连接，所述旋转压力主轴带动碳化硅晶圆片在预定压力的情况下进行旋转。

可选的，所述研磨基座为树脂铜盘、金属锡盘其中的一种。

可选的，所述研磨基座表面粘贴有研磨垫。

可选的，所述磁力控制设备具体为电控磁棒，通过控制电控磁棒表面的磁性，从而对磁流变液的磁流变粒子进行吸附或者无吸附效果。

可选的，所述磨粒回收机构还包括研磨排液管、液体传输容器、研磨液承接容器、磁流变粒子承接转运泵和磁流变液管，所述液体传输容器通过两个导管分别与研磨液承接容器和磁流变粒子承接转运泵连接，所述磁流变液管与磁流变粒子承接转运泵的输出端连接。

可选的，所述两个导管上分别安装有第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀控制研磨液承接容器导通情况，所述第二电磁阀控制磁流变粒子承接转运泵运输情况。

一种利用上述碳化硅晶圆的研磨装置的研磨方法，包括：

提供研磨液、磁流变液和磁场，将研磨液覆盖研磨基座，之后通过磁场使磁流变液形成磁簇，从而控制研磨液中研磨颗粒的运动轨迹，并使用研磨驱动机构带动碳化硅晶圆片在研磨基座表面进行旋转研磨；

研磨结束后，将研磨液流入磨粒回收机构，磁力控制设备表面产生磁力，将研磨颗粒和磁流变液流经磁力控制设备表面，对研磨颗粒进行集中回收。

可选的，所述对研磨颗粒进行回收方法，包括：研磨液和磁流变液经过磁力控制设备表面后，磁流变液被吸附在磁力控制设备表面，通过打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，研磨液中的研磨颗粒进入到研磨液承接容器中，对研磨颗粒进行收集。

可选的，研磨颗粒收集完成后，用清水冲洗磁力控制设备和研磨液承接容器，之后打开第二电磁阀、关闭第一电磁阀，并使磁力控制设备表面的磁力消失，再次用清水冲洗，将磁流变液送入到磁流变粒子承接转运泵的输入口，通过磁流变粒子承接转运泵对磁流变液输送，实现磁流变液循环使用。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

在研磨液供给源中包括研磨液、磁流变液和磁场，通过磁场使磁流变液形成磁簇，从而控制研磨液中研磨颗粒的运动轨迹，并使研磨液中的研磨颗粒分布均匀，使碳化硅晶圆片的表面研磨均匀，在研磨结束后，通过磁力控制设备的表面可控的产生磁性，对研磨颗粒集中收集，对磁流变液进行循环使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种碳化硅晶圆的研磨装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种碳化硅晶圆的研磨装置中磨粒回收机构的结构示意图；

图3为本发明实施例中一种碳化硅晶圆的研磨装置中磁流变液形成磁簇的结构示意图。

10、磁场电控单元；20、研磨槽；30、树脂研磨盘；40、磁流变液与研磨液；50、研磨液供给单元；60、旋转压力主轴；70、磁流变液回收导管；80、晶圆固定装置；90、碳化硅晶圆片；100、液体容器排放开关； 120、磁场；130、研磨液承接容器；140、磁流变粒子承接转运泵；150、磁流变液管；160、液体传输容器；170、研磨排液管；180、电控磁棒。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

一种碳化硅晶圆的研磨装置，包括：

研磨机构，所述研磨机构包括研磨驱动机构和研磨基座，所述碳化硅晶圆固定在研磨驱动机构上，所述研磨驱动机构为碳化硅晶圆片的旋转研磨提供动力；

研磨液供给源，所述研磨液供给源包括研磨液、磁流变液和磁场电控单元，所述磁场电控单元产生磁场，所述研磨液、磁流变液混合在一起，通过磁场使磁流变液形成磁簇，从而控制研磨液中研磨颗粒的运动轨迹；

磨粒回收机构，所述磨粒回收机构用于对研磨液、磁流变液混合溶液进行回收，包括磁力控制设备，通过磁力控制设备对研磨颗粒和磁流变液分离，并对研磨液中的研磨颗粒进行集中回收，对磁流变液的磁流变粒子进行循环使用。

如图1所示，所述碳化硅晶圆的研磨装置包括研磨槽20、树脂研磨盘30、磁流变液与研磨液40、研磨液供给单元50、旋转压力主轴60、晶圆固定装置80、碳化硅晶圆片90、磁场电控单元10、磁流变液回收导管70、液体容器排放开关100、以及磨粒回收机构，研磨槽20对磁流变液与研磨液40进行存放，研磨液供给单元50用于向研磨槽20中注入研磨液，旋转压力主轴60、晶圆固定装置80、碳化硅晶圆片90依次连接，对碳化硅晶圆片90的下表面进行旋转研磨，在研磨时，磁场电控单元10产生磁场120，使磁流变液与研磨液40中的磁流变液产生形成磁簇，控制研磨液中的研磨颗粒的运动轨迹，液体容器排放开关100用于控制研磨后磁流变液与研磨液40的排放，磁流变液回收导管70用于对磁流变液的传输。

其中，如图2所示，磨粒回收机构包括金刚石研磨液承接容器130、磁流变粒子承接转运泵140、磁流变液管150、液体传输容器160、研磨排液管170、电控磁棒180，当打开体容器排放开关100后，磁流变液与研磨液40通过研磨排液管170流入到电控磁棒180，之后经过液体传输容器160对磁流变液与研磨液40进行分离回收，金刚石研磨液承接容器130对研磨液收集，磁流变粒子承接转运泵140对分离后的磁流变液通过磁流变液管150和磁流变液回收导管70，最终进入到研磨槽20重新利用。

本实施例中，所述研磨液中的研磨颗粒为金刚石颗粒。

在其他实施例中，所述研磨颗粒为二氧化铝等不会与磁性物质相吸的颗粒。

所述研磨驱动机构包括旋转压力主轴60和晶圆固定装置，所述旋转压力主轴60与晶圆固定装置连接，所述晶圆固定装置与碳化硅晶圆片90连接，旋转压力主轴60带动碳化硅晶圆片90在预定压力的情况下进行旋转。

本实施例中，所述旋转压力主轴60带动碳化硅晶圆片90所处预定压力为10kgf载荷。

所述研磨基座所述研磨基座为树脂铜盘、金属锡盘其中的一种。

本实施例中，研磨基座具体为树脂研磨盘30，所述碳化硅晶圆片90在树脂研磨盘30上进行旋转研磨，通过树脂研磨盘30表面的柔性，降低碳化硅晶圆片90表面研磨的损伤。

所述研磨液供给源还包括磁场电控单元10，所述磁场电控单元10产生磁场，控制磁流变液运动情况。

本实施例中，当碳化硅晶圆片90与树脂研磨盘30接近时，打开磁场电控单元10产生磁场120，磁流变液研磨形成磁簇，由于磁流变液与研磨液40混合在一起，能够有效控制研磨液中研磨颗粒的运动轨迹，使碳化硅晶圆片90下表面均匀研磨，且在磁流变粒子和旋转压力主轴60的协调控制下，研磨颗粒对碳化硅晶圆片表面的切削深度较小，可减少研磨后的表面损伤。

所述磁力控制设备具体为电控磁棒180，通过控制电控磁棒180的表面的磁性，从而对磁流变液进行吸附或者无吸附效果，当电控磁棒180进行通电时，电控磁棒180表面产生磁力，电控磁棒180的表面对磁流变液进行吸附，当电控磁棒180断电时，电控磁棒180表面没有磁力，磁流变液会脱离电控磁棒180表面。

所述磨粒回收机构还包括研磨排液管170、液体传输容器160、研磨液承接容器130、磁流变粒子承接转运泵140和磁流变液管150，所述液体传输容器160通过两个导管分别与研磨液承接容器130和磁流变粒子承接转运泵140连接，所述磁流变液管与磁流变粒子承接转运泵140的输出端连接，对磁流变液进行运输。

所述两个导管上分别安装有第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀控制研磨液承接容器130导通情况，所述第二电磁阀控制磁流变粒子承接转运泵140运输情况。

本实施例中，当需要打开第一电磁阀时，关闭第二电磁阀；关闭第一电磁阀时，打开第二电磁阀，第一电磁阀与第二电磁阀轮流工作。

本发明还提出一种碳化硅晶圆的研磨方法，包括：提供研述研磨液供给源包括研磨液、磁流变液和磁场，所述研磨液、磁流变液和磁场120混合在一起，将研磨液覆盖研磨基座，之后通过磁场120使磁流变液形成磁簇，从而控制研磨液中研磨颗粒的运动轨迹，并使用研磨驱动机构带动碳化硅晶圆片90在研磨基座表面进行旋转研磨，研磨结束后，使磁力控制设备表面产生磁力，将研磨液和磁流变液流经磁力控制设备表面，对研磨颗粒进行集中回收。

如图3所示，本实施例中，通过磁场120使磁流变液形成磁簇，从而控制研磨液中研磨颗粒的运动轨迹，使研磨颗粒均匀分布在研磨基座，碳化硅晶圆片90均匀的与研磨颗粒接触，从而在碳化硅晶圆片90在旋转时均匀的与研磨颗粒接触，使碳化硅晶圆片90的表面研磨更加平整。

所述对研磨颗粒进行回收方法，包括：研磨液和磁流变液经过磁力控制设备表面后，磁流变液被吸附在磁力控制设备表面，通过打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，研磨液进入到研磨液承接容器中，对研磨液进行收集。

研磨颗粒收集完成后，用清水冲洗磁力控制设备和研磨液承接容器，之后打开第二电磁阀、关闭第一电磁阀，并使磁力控制设备表面的磁力消失，再次用清水冲洗，将磁流变液送入到磁流变粒子承接转运泵的输入口，通过磁流变粒子承接转运泵对磁流变液输送，实现磁流变液循环使用。

采用本碳化硅晶圆的研磨装置的一种工作原理：将磁流变液与研磨液40覆盖树脂研磨盘30后，通过旋转压力主轴60带动碳化硅晶圆片90进行旋转研磨，并通过磁场120控制研磨液中的研磨颗粒进行均匀分布，经过研磨后，将研磨液中的研磨颗粒碎削收集到研磨液承接容器130中，而磁流变液经过磁流变粒子承接转运泵140后重新注入到研磨槽20中，之后对研磨液中的研磨颗粒进行集中回收，对磁流变液进行循环使用。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。