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的制作方法

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。

背景技术：

1、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。

2、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-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。

3、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。

4、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。

5、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-导电抛光台-抛光垫孔洞中的导电化学液-导电晶圆衬底正表面-抛光垫上表面的导电接触头-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。

6、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-导电抛光台-导电晶圆衬底-导电化学液-通电电极-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

1、为了克服现有技术的不足，本实用新型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。

2、本实用新型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：

3、电源；

4、抛光台，和电源连接，并具有导电性；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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。

9、进一步的，所述抛光台可绕着自身的轴心旋转；所述抛光头可绕着自身的轴心旋转，且可相对抛光台移动。

10、进一步的，所述孔洞的数量为多个。

11、进一步的，所述孔洞的总面积占作用层面积的5-70％。

12、进一步的，所述孔洞的总面积占作用层面积的5-50％。

13、进一步的，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。

14、进一步的，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。

15、进一步的，在导电型晶圆衬底的抛光面形成电化学反应层步骤和对电化学反应层进行化学机械抛光步骤同步进行；或者，在导电型晶圆衬底的抛光面形成电化学反应层步骤和对电化学反应层进行化学机械抛光步骤先后进行。

16、进一步的，所述抛光头包括，

17、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；

18、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；

19、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。

20、进一步的，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。

21、进一步的，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。

22、进一步的，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。

23、进一步的，所述轻质金属板表面有一镀铂层。

24、进一步的，所述柔性件为绝缘柔性膜，柔性件的内部包覆有导电线圈，所述导电线圈形成电源的接入点。

25、进一步的，所述抛光台包括抛光上盘和抛光下盘，其同心同轴设置，抛光下盘与旋转中心轴连接。

26、进一步的，所述抛光上盘为金属材质或合金材质。

27、进一步的，所述抛光上盘有一镀铂层。

28、进一步的，所述电源连出的导线穿过旋转中心轴与抛光上盘连接。

29、进一步的，所述抛光台有加热功能。

30、进一步的，所述抛光台连接温控装置。

31、进一步的，还包括化学液供应系统，其用于向抛光垫传输化学液，可将化学液传输至抛光垫上表面。

32、进一步的，还包括化学液供应系统，其可以将化学液自抛光上盘向孔洞底部传输。

33、进一步的，所述化学液供应系统带有流量控制单元，以用于调节化学液的输出量；或者带有温度控制单元，以用于调节化学液的输出温度；或者带有浓度控制单元，以用于调节化学液的输出浓度。

34、进一步的，所述化学液为抛光液，其为研磨纳米颗粒分散于酸性或碱性溶液中，其ph>8或ph<5。

35、进一步的，在导电型晶圆衬底的抛光面形成电化学反应层时，晶圆衬底的抛光头所连接的是电源正极，抛光台所连接的是电源负极。

36、进一步的，所述电源为稳流电源，其电流≤20a；或者，所述电源为稳压电源，其电压≤220v。

37、进一步的，所述抛光台放置抛光垫外沿或所述抛光垫的外边缘形成挡边，其相对抛光垫上表面的高度为h≤3mm。

38、进一步的，所述孔洞的直径大于等于3mm。

39、进一步的，所述孔洞为圆形或为矩形或为正六边形或为星型，其呈阵列分布，或呈同心圆分布。

40、本实用新型涉及一种全新的电化学机械抛光、平坦化设备的电路架构设计。和第一类电化学机械抛光、平坦化设备类似，绝缘材质的抛光垫贴合在导电抛光台上表面，具有贯穿厚度方向的孔洞，在孔洞内容置从供液臂输送于抛光垫上的化学液，化学液具有导电性。和第一类电化学机械抛光、平坦化设备不同，抛光垫上无需导电接触头设计，但是晶圆衬底载头(抛光头)具有导电性。在抛光头向晶背加压时，晶圆衬底正表面和抛光垫贴合，可以建立第一电极-导电抛光台-贯穿抛光垫厚度孔洞中的化学液-导电型晶圆衬底-导电抛光头-第二电极之间的通电回路。第一电极和第二电极的极性由设计的晶圆衬底表面电化学反应决定。如导电型碳化硅晶圆衬底为例，抛光垫孔洞中容置导电化学液，电化学反应中抛光台上盘是阴极、晶圆衬底表面(抛光头)是阳极时，可以对导电型碳化硅晶圆衬底表面进行氧化。

41、在导电型晶圆衬底电化学机械抛光/平坦化工艺中，抛光台及粘合在抛光台上表面的抛光垫绕着抛光台轴心旋转；抛光头衬底绕着抛光头轴心旋转，且可相对抛光台运动；晶圆衬底伴随抛光头旋转，贴合抛光垫但是相对抛光垫运动。导电型晶圆衬底表面在通过抛光垫上的孔洞区域时产生电化学反应，在通过抛光垫上的非孔洞区域时进行机械抛光/平坦化。在晶圆衬底伴随着抛光头旋转并相对抛光台运动时，在导电型晶圆衬底表面可以连续反复完成电化学反应和机械抛光/平坦化，从而实现导电型晶圆衬底表面的电化学机械抛光/平坦化。

42、本实用新型的有益效果包括，1)电化学机械抛光导电型晶圆衬底，相较于机械抛光或常规化学机械抛光/平坦化，引入晶圆衬底表面电化学反应，衬底材料去除率、抛光/平坦化速度显著提高，设备运营成本显著降低；2)和第一类既有电化学机械抛光设备相比，电路设计更为简单。没有抛光垫上表面导电接触头，可以显著降低晶圆衬底抛光表面缺陷率、提高表面光滑度、降低表面金属污染和颗粒污染，同时延长抛光垫寿命、降低耗材成本；3)和第二类既有电化学机械抛光装置相比，电化学机械抛光工艺中电化学反应和机械抛光速率独立可控、可调，包括晶圆衬底表面分区域调节。