一种表面异质结构的快速减薄抛光方法
阅读说明：本技术 一种表面异质结构的快速减薄抛光方法 (Rapid thinning and polishing method for surface heterostructure ) 是由 陈春明 赵广宏 汪郁东 张姗 郭伟龙 于 2020-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种表面异质结构的快速减薄抛光方法,减薄抛光过程中利用化学试剂改变金属材质的表面状态和性质,降低其分离时所需要的磨削力,控制金属和光刻胶的去除速率在同一水平。该工艺方法摒弃了铸铁盘的纯机械研磨,避免纯粹的物理磨削作用导致的金属结构拉伸变形,有效控制图形尺寸精度以及平面平整度,且其减薄抛光的速率可达2-3μm/min。(The invention provides a method for quickly thinning and polishing a surface heterostructure, which utilizes a chemical reagent to change the surface state and the property of a metal material in the thinning and polishing process, reduces the grinding force required by the separation of the metal material, and controls the removal rate of the metal and photoresist to be at the same level. The process method abandons pure mechanical grinding of the cast iron plate, avoids the tensile deformation of the metal structure caused by pure physical grinding action, effectively controls the dimensional precision and the plane flatness of the graph, and has the thinning and polishing speed of 2-3 mu m/min.)
技术领域
本发明涉及基片抛光领域，具体涉及一种表面异质结构的快速减薄抛光方法。
背景技术
随着半导体技术领域的飞速发展，半导体器件变得愈发复杂。为了提高集成度降低制造成本，元器件的尺寸越来越低，芯片单位面积内的原器件数量越来越多，平面内布线已经不能满足高密度的元器件分布要求，因此只能够采用多层布线结构。而金属层在晶圆基片上堆叠过多时，晶片表面起伏更加明显。表面起伏最直观的负面影响就是后续光刻工艺的匀胶过程中难以获得平整的光刻胶膜，导致曝光显影过程中难以通过调整曝光量准确控制光刻图形尺寸，而尺寸的偏差对于半导体器件的性能影响是致命的。
半导体晶圆的平坦化工艺，是对晶圆基片表面同质或异质材料进行研磨，去除一定牺牲厚度的材料，采用化学抛光的方式对表面进行平整处理，提高其表面同质或异质材料高度一致性。若晶圆表面材质单一，采用机械研磨的方法可以快速高效的去除牺牲厚度材料，将厚度差控制在很小的范围内，进而通过化学机械抛光的方法对表面高度进行修平处理，降低粗糙度。但半导体加工行业中的器件往往是表面多种材质的组合图形，其材质的硬度和韧性都有较大差别，采用机械研磨的方法会导致表面材料的去除速率不一致，导致进一步的研磨过程中较为突出的结构会在研磨硬接触过程中造成拉伸变形，因此需要降低研磨速率来控制图形的精准度。
现需一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，可以有效解决表面多种材质的组合图形，其材质的硬度和韧性都有较大差别，采用机械研磨的方法会导致表面材料的去除速率不一致，导致进一步的研磨过程中较为突出的结构会在研磨硬接触过程中造成拉伸变形的问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中由于异质材料硬度韧性不同导致平坦化过程中不同材质切削速率不同，进而造成平坦化过程后表面异质图形厚度差较大，以及在纯机械磨削减薄过程中造成的软质金属拉伸变形或损坏，影响金属结构器件的性能的问题，提供了一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，通过减薄抛光过程中利用化学试剂改变金属材质的表面性质，降低其分离时所需要的磨削力，控制金属和光刻胶的去除速率在同一水平，解决了上述问题。
本发明提供了一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，包括以下步骤：
S1、使用测厚仪对基体的待加工晶圆表面异质图形进行厚度测量，并记录表面异质图形最高图形的高度和表面异质图形中的众数范围高度；
S2、安装聚氨酯盘在使用晶片减薄机上，通过聚氨酯盘对基体进行化学减薄和机械减薄；
S3、采用测厚仪对进行一次化学减薄和机械减薄后的基体的表面异质图形中的最高图形高度和众数范围高度进行测量，若厚度差值超出减薄预设值，则进行步骤S2；若测量的厚度差值符合减薄预设值要求，进行步骤S4；
S4、拆除晶片减薄机上的聚氨酯盘，安装抛光用软质绒布盘在晶片减薄机上，使用抛光用软质抛光绒布盘对基体进行化学抛光和机械抛光；
S5、采用测厚仪对机械化学抛光后的半导体基片上表面的表面异质图形进行厚度测量，若表面异质图形的厚度差值超出抛光预设值，则重复进行步骤S4；若测量的厚度差值和表面异质图形的整体高度符合抛光预设值要求，则进行步骤S6；
S6、基体减薄抛光结束。
经过化学机械减薄后，半导体基片表面最高图形和众数范围图形之间的厚度差值应当控制在30μm以内。步骤S4中，经过化学机械机械抛光后，半导体基片表面最高图形和高度众数范围图形之间的厚度差值应当控制在3μm以内，半导体基片表面相邻异质图形的厚度差值控制在1μm以内；
本发明所述的一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，作为优选方式，基体包括表面异质图形和半导体基片，表面异质图形设置于半导体基片上表面；表面异质图形包括表面光刻胶和表面金属表面金属为若干垂直于半导体基片柱状结构，表面光刻胶满布半导体基片上表面且填充各表面金属之间的空隙。
表面金属材质和表面光刻胶材质存在厚度差，表面金属呈现扇形天线分布的、蜂窝状分布的、无规则分布的垂直于基底的多个圆柱、长方体，且相邻金属材质之间的缝隙内均为表面光刻胶材质。
本发明所述的一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，作为优选方式，步骤S3中减薄预设值为0～30μm。
本发明所述的一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，作为优选方式，化学减薄和机械减薄、化学抛光和机械抛光去除速率相同。
本发明所述的一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，作为优选方式，步骤S4中化学抛光和机械抛光后表面异质图形的表面粗糙度小于1nm。
本发明所述的一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，作为优选方式，步骤S5中抛光预设值为0～1μm。
本发明所述的一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，作为优选方式，步骤S4中的抛光过程，表面金属结构图形长度方向拉伸率控制在3％以内。
本发明所述的一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，作为优选方式，化学减薄和化学抛光所用抛光液为能够对金属进行选择性腐蚀的化学试剂。
针对半导体表面异质图形的减薄抛光工艺，提供了一种半导体表面异质图形结构的快速减薄平坦化的工艺方法，本方法适用于表面图形非单一材质，特别是软质金属和光刻胶材质的组合体。该工艺方法的减薄抛光过程中利用化学试剂改变金属材质的表面状态和性质，降低其分离时所需要的磨削力，控制金属和光刻胶的去除速率在同一水平。该工艺方法摒弃了铸铁盘的纯机械研磨，避免纯粹的物理磨削作用导致的金属结构拉伸变形，有效控制图形尺寸精度以及平面平整度，且其减薄抛光的速率可达2-3μm/min。
本发明有益效果如下：
采用的化学机械减薄和化学机械抛光组合加工方法，利用化学机械减薄对晶圆异质图形表面进行初级的平坦处理，快速去除表面厚度差异较大的金属图形，将表面的整体图形厚度差控制在一定范围内，避免基片在软质绒布盘上抛光时出现划伤、顿挫毁坏图形结构。再利用物理和化学组合的方式进行抛光，材料去除速率大大增加，避免了铸铁盘研磨硬接触磨削时造成的图形横向拉伸变形。同时，由于表面光刻胶材质和金属材质的硬度、密度差异较大，采用铸铁盘硬接触切削时，两者的切削速度不同，其最终的厚度差取决于研磨液的粒径，而采用软质绒布盘的上的物理化学组合去除方式，可以通过改变双氧水的配比调整金属材质和光刻胶材质的去除速率，最终得到的晶圆基片表面各图形厚度差在1μm以内，表面金属材料的粗糙度(Ra)在1nm以内，表面平整度在3μm以内，其减薄速率最高可达2-3μm/min，图形长度方向的变形拉伸率控制在3％以内。
附图说明
图1为一种表面异质结构的快速减薄抛光方法流程图；
图2为一种表面异质结构的快速减薄抛光方法基体示意图；
图3为一种表面异质结构的快速减薄抛光方法。
附图标记：
1、表面异质图形；11、表面光刻胶；12、表面金属；2、半导体基片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚.完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种表面异质结构的快速减薄抛光方法，包括以下步骤：
S1、打开真空泵，将待处理半导体基片放置在专用吸片工装上，抽真空吸附，采用接触式测厚仪对半导体基片表面异质图形中的光刻胶材质图形和金属材质图形测量，记录所有图形中的最高值和高度众数范围值；
S2、化学机械减薄，打开晶片减薄机，根据异质图形表面的材料特性选择聚氨酯盘，安装好摆臂。将3μm氧化铈悬浊液和水按照一定比例配置成研磨液，将导料筒的滴速调整至40～60滴/min。将纳米级氧化硅悬浊液和双氧水、水按照一定比例配置成化学腐蚀液，滴速调整至60～100滴/min，将待处理半导体基片用真空吸附的方式固定在研磨工装上倒置在绒布盘上方。调整聚氨酯盘转速至20～50转/min，对基片进行研磨5～10min，通过化学机械减薄将基片表面的众数范围高度和最高图形的厚度差值控制在要求范围内。研磨完成后使用去离子水冲洗，并在冲洗过程中用无尘布擦拭，最后用氮气吹扫干净；
S3、采用测厚仪对进行一次化学减薄和机械减薄后的基体的表面异质图形1中的最高图形高度和众数范围高度进行测量，若厚度差值超出减薄预设值，则进行步骤S2；若测量的厚度差值符合减薄预设值要求，进行步骤S4；
S4、将化学机械减薄用聚氨酯盘卸下，换上抛光用软质绒布盘，固定摆臂。按照氧化硅抛光液：双氧水：水＝20:(1～5):80的比例配置成混合抛光液，并将滴速调整至60～120滴/min，打开步骤S2中配置好的氧化铈研磨液，滴速调整至40～60滴/min，共同滴落在软质绒布盘上。将基片固定在工装上倒置在绒布盘上，在上方固定3～5kg配重，绒布盘转速调整至60～100转/min，对基片进行抛光10～15min。将氧化铈研磨液导料管关闭，将固定工装上的配重调整至5～8kg，对基片抛光10～30min；
S5、采用测厚仪对机械化学抛光后的半导体基片2上表面的表面异质图形1进行厚度测量，若表面异质图形1的厚度差值超出抛光预设值，则关停氧化铈悬浊液导料筒后的抛光步骤，并减小配重，重复进行步骤S4；若测量的厚度差值和表面异质图形1的整体高度符合抛光预设值要求，则进行步骤S6；
S6、采用探针式台阶仪测量步骤S5中所述已经满足整体高度要求的和异质图形厚度差要求的基片，异质图形厚度差应小于1μm，整体厚度差应控制在3μm以内，单一材质表面粗糙度小于1nm。
可选的，步骤S2前，将待处理基片放置在专用的研磨工装上，采用真空吸附。安装晶片减薄机上的聚氨酯盘，安装好摆臂，研磨液选用3μm粒径的氧化铈悬浊液，化学腐蚀液为纳米级氧化硅悬浊液、双氧水和水的混合溶液，氧化铈悬浊液滴速为40～60滴/min，化学腐蚀液滴速为60～120滴/min，研磨转速为20～50转/min，并把基片表面的众数范围高度和最高图形的厚度差值控制在要求范围内。研磨完成后使用去离子水冲洗，并在冲洗过程中用无尘布擦拭，最后用氮气吹扫干净。
进一步的，步骤S2中的化学腐蚀液配比为，氧化硅悬浊液：双氧水：水＝20:(6～10):80。
进一步的，进行步骤S4前，将晶片减薄机的聚氨酯盘换下，安装软质绒布盘，安装好摆臂。化学机械抛光过程分为两部分：一次化学机械抛光和二次化学机械抛光.
进一步的，一次化学机械抛光和二次化学机械抛光，具体过程如下：
一次化学机械抛光，抛光液为3μm粒径氧化铈悬浊液以及纳米级氧化硅悬浊液、双氧水和水的混合溶液，抛光转速为60～100转/min，添加配重为3-5kg，氧化铈悬浊液滴速为40～60滴/min，氧化硅混合抛光液为60～120滴/min，抛光时间为10-15min。
二次化学机械抛光，抛光液为纳米级氧化硅悬浊液、双氧水和水的混合溶液，进行二次化学机械抛光时关停氧化铈悬浊液滴料即可，抛光转速为60～100转/min，添加配重为5～8kg，抛光时间为10～30min。
可选的，所述步骤S4中的抛光液配比为，氧化硅悬浊液：双氧水：水＝20:(1～5):80。
如图2所示，基体包括表面异质图形1和半导体基片2，表面异质图形1设置于半导体基片2上表面。
如图3所示，表面异质图形1包括表面光刻胶11和表面金属12表面金属12为若干垂直于半导体基片2柱状结构，表面光刻胶11满布半导体基片2上表面且填充各表面金属12之间的空隙。
将待处理半导体基片放置在专用的测厚工装上，采用真空吸附的方式固定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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