平坦化方法及化学机械抛光装置与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种平坦化方法及化学机械抛光装置。


背景技术：

2.半导体用光掩模板(photo mask)是一种形成有功能性图形的树脂结构或玻璃结构，用于实现光致抗蚀剂涂层选择性曝光，广泛适用于微电子制造领域中。由于掩模板是光刻工艺的图形母版，直接影响器件的精密度，所以在制备掩模板的过程中，对其平整度及厚度的要求非常高。目前调整掩模板的平整度和厚度的工艺方法主要是化学机械抛光(chemical mechanical polish，cmp)。化学机械抛光是利用抛光液中的碱性物质腐蚀掩模板材料，再利用抛光液中的磨料将腐蚀后的物质与抛光垫摩擦去除，且通过反复进行这一过程从而改善掩模板材料表面的平坦度和粗糙度等。
3.然而，抛光液中的磨料含有氧化铝(al2o3)、二氧化硅(sio2)以及二氧化铈(ceo2)等颗粒物质。这些颗粒物质会对掩模板材料的亚表面造成损伤。即，造成掩模板材料的内部断裂、变形、裂纹、划痕、残余应力以及对光学材料造成污染等缺陷。
4.因此，亟需一种新的平坦化方法，以缓解上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种平坦化方法及化学机械抛光装置，以解决如何避免化学机械抛光工艺中磨料对抛光对象表面的损伤、如何提高抛光效果以及如何降低抛光液成本中的至少一个问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种平坦化方法，用于研磨和/或抛光目标基底，包括：
7.采用化学机械抛光工艺平坦化所述目标基底，并在平坦化的过程中通入抛光液，以及采用高频波振动所述抛光液，使得所述抛光液内至少形成空化现象；
8.其中，所述抛光液包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料。
9.可选的，在所述的平坦化方法中，所述含氟液体中的氟离子浓度范围为：0.01％～1％。
10.可选的，在所述的平坦化方法中，所述含氟溶液包括氢氟酸溶液和/或含氟无机盐缓冲溶液。
11.可选的，在所述的平坦化方法中，所述抛光液的ph值范围为：3～6。
12.可选的，在所述的平坦化方法中，所述高频波的频率范围为10mhz～1000mhz。
13.基于同一发明构思，本发明还提供一种化学机械抛光装置，用于执行所述的平坦化方法；所述化学机械抛光装置包括：抛光单元和振动单元；
14.所述抛光单元用于平坦化目标基底，且所述抛光单元使用的抛光液包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料；
15.所述振动单元与所述抛光单元相接，用于采用高频波振动所述抛光液，以使所述抛光液内至少形成空化现象。
16.可选的，在所述的化学机械抛光装置中，所述振动单元包括高频信号发生器和换能器；所述高频信号发生器用于生成所述高频波；所述换能器分别与所述高频信号发生器和所述抛光单元相接，用于将所述高频波转换成机械波，并传递至所述抛光单元的所述抛光液中。
17.可选的，在所述的化学机械抛光装置中，所述抛光单元包括抛光台、抛光垫、抛光头和供液器；其中，所述抛光垫贴附于所述抛光台的承载面，所述目标基底位于所述抛光垫上，且容置于所述抛光头的限位槽内；所述供液器位于所述抛光台的一侧，用于向所述抛光垫喷洒所述抛光液。
18.可选的，在所述的化学机械抛光装置中，所述振动单元与所述抛光垫相接，以经所述抛光垫传递振动至所述抛光液。
19.可选的，在所述的化学机械抛光装置中，在平坦化过程中，所述抛光头向所述目标基底提供的压力范围为：98n～1960n；以及，所述抛光台的温度范围为60℃～80℃。
20.综上所述，本发明提供一种平坦化方法及化学机械抛光装置。其中，所述化学机械抛光装置用于执行所述平坦化方法，以研磨和/或抛光目标基底。所述平坦化方法是采用化学机械抛光工艺平坦化所述目标基底，但与现有技术不同的是，本发明在平坦化的过程中通入的抛光液包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料。所述含氟液体及表面活性物质能够增强抛光液与目标基底的化学反应，有利于剥离目标基底表面的粗糙颗粒。所述抛光液中未设置磨料，不仅可以避免磨料对目标基底亚表面的损伤，提高抛光质量，还能够降低抛光液的制备成本和制备难度。此外，为确保平坦化效果，本发明还引入了高频波。即，在平坦化过程中利用所述高频波振动所述抛光液，使得所述抛光液内形成空化现象和声波流现象，从而有效剥离并去除目标基底表面的粗糙颗粒，提高平坦化效果和平坦化后的所述目标基底的品质。
附图说明
21.本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。
22.图1是本发明实施例中一种化学机械抛光装置的结构示意图。
23.图2是本发明实施例中抛光单元的结构示意图。
24.图3是本发明实施例中抛光液与目标基底的位置示意图。
25.图4是本发明实施例中一种振动单元的安装位置示意图。
26.图5是本发明实施例中另一种振动单元的安装位置示意图。
27.图6是本发明实施例中图1所示振动单元中换能器的位置示意图。
28.图7是本发明实施例中图4所示振动单元中换能器的位置示意图。
29.图8是本发明实施例中图5所示振动单元中换能器的位置示意图。
30.图9是本发明实施例中空化现象的各阶段状态示意图。
31.以及，附图中：
32.10-抛光单元；101-抛光台；102-抛光垫；103-抛光头；104-供液器；
33.20-振动单元；201-高频波信号发生器；202-换能器；
34.w-目标基底；s-抛光液；f-气膜；t-限位槽；b-气泡核；c1-生长状态；c2-膨胀状态；c3-压缩状态；c4-溃破状态。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。其中，本技术说明书中所指x轴方向、y轴方向和z轴方向为三维空间中相互垂直的三个方向。
36.请参阅图1和图2，本实施例提供一种平坦化方法，用于研磨和/或抛光目标基底w。所述平坦化方法包括：采用化学机械抛光工艺平坦化所述目标基底w，并在平坦化的过程中通入抛光液s，以及采用高频波振动所述抛光液s，使得所述抛光液s内至少形成空化现象；其中，所述抛光液s包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料。
37.基于同一构思，本实施例还提供一种化学机械抛光装置，包括：抛光单元10和振动单元20；所述抛光单元10用于平坦化目标基底w，且所述抛光单元10使用的抛光液s包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料；所述振动单元20与所述抛光单元10相接，用于采用高频波振动所述抛光液s，以使所述抛光液s内至少形成空化现象。
38.需要说明的是，本实施例提供的所述化学机械抛光装置用于执行所述平坦化方法。且所述平坦化方法是采用化学机械抛光工艺平坦化所述目标基底w，但与现有技术不同的是，在平坦化的过程中通入的抛光液s包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料。所述含氟液体及表面活性物质能够增强抛光液s与目标基底w的化学反应，有利于剥离目标基底w表面的粗糙颗粒。所述抛光液s中未设置磨料，不仅可以避免磨料对目标基底w亚表面的损伤，提高抛光质量，还能够降低抛光液s的制备成本和制备难度。此外，为确保平坦化效果，所述平坦化方法还引入了高频波。即，在平坦化过程中利用所述高频波转换而成的机械波振动所述抛光液s，使得所述抛光液s内形成空化现象和声波流现象，从而有效剥离并去除目标基底w表面的粗糙颗粒，提高平坦化效果和平坦化后的所述目标基底w的品质。
39.以下结合附图1至图9具体说明本实施例提供的所述平坦化方法及化学机械抛光装置。
40.请参阅图1，本实施例提供的所述化学机械抛光装置用于对目标基底w进行化学研磨、减薄以及抛光。其中，所述目标基底w可以为掩模板或其他半导体材料。示例性的，所述目标基底w为合成石英玻璃。进一步的，所述化学机械抛光装置包括抛光单元10和振动单元20。所述抛光单元10用于对所述目标基底w进行平坦化作业；所述振动单元20用于增强平坦化效果。
41.具体的，如图2所示，所述抛光单元10包括抛光台101、抛光垫102、抛光头103和供液器104。所述抛光台101作为所述抛光单元10的支撑骨架，起到支撑承载的作用；以及，所
述抛光台101还用于配合其他部件实现对目标基底w的化学研磨、减薄以及抛光。可选的，所述抛光台101由旋转柱和承载板构成。所述承载板用于承载所述目标基底w和所述化学机械抛光装置中的部分模块。所述旋转柱能够沿自身的中心轴线转动，且所述旋转柱的一端与所述承载板相接，所述承载板的延伸面与所述旋转柱的轴向相垂直。基于此，所述旋转柱能够带动所述承载板沿所述旋转柱的中心轴线转动，从而使得所述承载板带动所述目标基底w转动，有助于所述目标基底w的平坦化处理。
42.所述抛光垫102用于存储抛光液s，并输送所述抛光液s至抛光区域，从而为所述目标基底w和所述抛光液s提供反应场所；以及，所述抛光垫102还能够将平坦化过程中形成的副产物带出抛光区域，确保抛光持续稳定进行。可选的，所述抛光垫102经粘合剂或粘合膜贴附于所述承载板的承载面。即，所述抛光垫102位于所述承载板远离所述旋转柱的一侧面，从而在所述承载板随所述旋转柱转动时，所述抛光垫102也随之转动。可选的，所述抛光垫102是硬质材料或是软质材料制备而成。硬质材料可以较好的保证工件表面的平面度，软质材料可以获得表面损伤层薄和表面粗糙度低的抛光表面。示例性的，常用的硬质材料为粗布、纤维织物以及聚乙烯等；常用的软质材料为聚氨酯、细毛毡以及绒毛布等。可选的，所述抛光单元10还设置有抛光垫修整器，以修整所述抛光垫102及其表面的副产物。
43.所述抛光头103设置于所述抛光垫102上，用于在平坦化过程中限位并移动所述目标基底w，以及在平坦化前后拾取或放置所述目标基底w。具体的，所述抛光头103靠近所述抛光垫102的一侧设置有限位槽t。所述目标基底w可容置于所述限位槽t内。换言之，所述目标基底w位于所述抛光垫102上，且经所述限位槽t笼罩，则在平坦化过程中所述目标基底w均限定于所述限位槽t内，以控制所述目标基底w的位置和移动状态。进一步的，所述限位槽t的槽底还设置有气膜f。所述气膜f与所述抛光头103内的供气管相连通，则在平坦化过程中所述供气管向所述气膜f内充气，以使所述气膜f膨胀并抵压所示目标基底w，从而保证所述目标基底w紧贴于所述抛光垫102，确保平坦化效果。优选的，在平坦化过程中，所述气膜f向所述目标基底w提供的压力范围为：98n～1960n。以及，所述抛光台101采用水冷控温的方式，以保持作业温度范围在60℃～80℃期间，从而确保承载面的平整度及控制移除速率。进一步的，所述抛光头103与一旋转马达相接，以在平坦化过程中，驱动所述抛光头103带动所述目标基底w转动，以提高平坦化效果。其中，所述抛光头103与所述抛光台101的旋转方向可以相同也可以相反，以及二者的旋转速率可以相同也可以不同，本实施例对此不做具体限定。
44.所述供液器104用于在平坦化过程中向所述抛光垫102喷洒所述抛光液s。可选的，所述供液器104间隔设置于所述抛光台101的一侧，且所述供液器104的喷头朝向所述抛光垫102。进一步的，如图3所示，本实施例提供的所述抛光液s包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料。需要说明的是，所述抛光液s用于与所述目标基底w表面进行化学反应，以弱化所述目标基底w表面的分子连接，从而便于平坦化处理。在现有技术中会在抛光液s中加入磨料，以通过磨料的研磨去除所述目标基底w表面的反应物，进而实现所述目标基底w表面的平坦化。但磨料会所述目标基底w亚表面造成损伤，引起所述目标基底w的结构缺陷。对此，本实施例提供的所述抛光液s中并未添加任何磨料，从而避免磨料对所述目标基底w的损伤，且降低了所述抛光液s的制备成本和制备难度。并且，经无磨料的所述抛光液s抛光后的所述目标基底w会更加洁净，更易清洗且表面性能更为优异。此外，为避免无磨料的所述
抛光液s会影响平坦化效果，本实施例提供的所述抛光液s中添加了含氟液体及表面活性物质。所述含氟液体具有较佳的腐蚀效果，且溶解性好。所述表面活性物质不仅能够改善所述抛光液s的分散稳定性，还可以起到降低抛光液s表面张力的作用，有利于抛光液s快速润湿所述目标基底w。其中，所述含氟液体可选的为氢氟酸溶液和/或含氟无机盐缓冲溶液，且所述含氟液体中的氟离子浓度范围为：0.01％～1％；以及，所述抛光液s的ph值范围为：3～6。
45.请继续参阅图1，所述目标基底w表面在与添加了含氟液体及表面活性物质的无磨料的所述抛光液s反应后形成的物质仍与所述目标基底w之间存在较强粘附力，采用传统的化学机械抛光工艺很难将反应后的物质从目标基底w剥离。因此，本实施例提供的所述化学机械抛光装置还设置有振动单元20。所述振动单元20与所述抛光单元10相接，用于采用高频波振动所述抛光液s，以使所述抛光液s内形成空化现象和声波流现象，从而有效剥离反应物质，确保平坦化效果。
46.进一步的，所述振动单元20包括高频信号发生器201和换能器202。所述高频信号发生器201用于生成所述高频波；所述换能器202用于将所述高频波转换成机械波，并传递至所述抛光单元10的所述抛光液s中。示例性的，所述高频信号发生器201用于发出频率范围为10mhz～1000mhz的高频信号，以改善0.2nm～0.5nm的表面粗糙度。可选的，所述信号的频率为10mhz、100mhz或1000mhz。
47.进一步的，本实施例不限定所述高频信号发生器201的具体型号，可根据所需功率等因素确定所述高频信号发生器201的型号。以及，根据所述高频信号发生器201的具体型号，可进一步确定所述高频信号发生器201的安装位置。示例性的，所述高频信号发生器201为一集成芯片，体积较小，则可以集成于所述抛光台101内。如图1所示，所述高频信号发生器201位于所述抛光台101的一侧边，或是如图4所示，所述高频信号发生器201位于所述抛光台101的中心位置，亦可以是其他位置，本实施例对此不作具体限定。或者，所述高频信号发生器201的功率较大，体积较大，则可以独立设置于所述抛光单元10的一侧。如图5所示，所述高频信号发生器201位于所述抛光台101的一侧。亦或者，所述高频信号发生器201设置于平坦化工艺的反应腔内的任意一位置，或位于平坦化工艺的反应腔之外。
48.进一步的，所述换能器202的一端与所述高频信号发生器201相接。可选的，所述连接方式为有线连接或无线连接。所述换能器202的另一端与所述抛光垫102相接，以使得所述换能器202能够将从所述高频信号发生器201接收到的高频波转换为机械波后，将所述机械波传递至所述抛光垫102内，从而将所述机械波经所述抛光垫102传递至所述抛光液s中，促使所述抛光液s内形成空化现象和声波流现象。进一步的，实施例不限定所述换能器202的具体数量、型号和安装位置。示例性的，如图1和图6所示，所述振动单元20包括多个所述换能器202，且各个所述换能器202分别与所述高频信号发生器201相接。优选的，所述抛光台101的承载板上均匀分布有多个离散式的凹槽，以分别容置各个所述换能器202，从而在不影响所述抛光垫102平整度的前提下，所述换能器202能够与所述抛光垫102相接，以向所述抛光垫102发射机械波。或者，如图4和图7所示，所述振动单元20仅包括一个或数个所述换能器202。所述抛光台101的承载板上的中心区域设置有一个集中式的凹槽，各个所述换能器202置于所述凹槽内，以向所述抛光垫102发射机械波。亦或者，如图5和图8所示，所述抛光台101的承载板表面呈环形凹槽，所述换能器202也呈环形状，且设置于所述环形凹槽内。以及，所述抛光垫102位于所述换能器202的环内，且与所述换能器202相接。或者，所述
振动单元20包括多个所述换能器202。多个所述换能器202沿所述环形凹槽的环内壁均匀分布，所述抛光垫102位于所述环形凹槽内，且多个所述换能器202围绕所述抛光垫102边缘，以向所述抛光垫102传递机械波。在其他实施例中，所述换能器202还可以与所述抛光垫102经一连接件实现间接相接。进一步的，本实施例提供的所述化学机械抛光装置还包括供气系统、温控系统、物料系统以及废液处理系统等，本实施例在此不做赘述。
49.由上述可知，为提高平坦化效果，本实施例提供的所述化学机械抛光装置设置有所述高频信号发生器201和所述换能器202，以能够通过机械波的振动在所述抛光液s内形成空化现象和声波流现象。具体的，请参阅图3和图9，所述空化现象是指液体中的微小气泡核b在机械波的振动作用下，会进入生长状态c1，且随着能量不断地聚集，所述气泡核b不断膨胀，即进入膨胀状态c2；当能量达到某个阈值时，所述气泡核b表面的张力会对急剧膨胀的气泡核b进行压缩，以使其进入压缩状态c3；随之，在所述气泡核b内外压力的抗衡下，所述气泡核b急剧崩溃闭合，即呈溃破状态c4。基于此，在所述抛光液s内所述气泡核b的寿命约0.1μs，且在其急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s的微射流。所述微射流的冲击力很强，碰撞密度高达1.5kg/cm。因此，在此冲击力的作用下，可将附着在所述目标基底w上的反应物剥离到抛光液s中，再被不断流动的抛光液s带走，从而有效替代了磨料的剥离作用。同时，形成在所述抛光液s中的机械波有助于增强所述抛光液s的流动性，即形成所述声波流现象，以有效促进反应物的剥离，提高平坦化效果。
50.可以理解的是，本实施例提供的所述平坦化方法是利用上述的化学机械抛光装置，以在采用化学机械抛光工艺平坦化所述目标基底w的过程中，通入不含磨料的所述抛光液s，以及采用高频波振动所述抛光液s，使得所述抛光液s内形成空化现象和声波流现象，从而在保障平坦化效果的同时，避免所述目标基底w被抛光液s中的磨料损伤，且降低了抛光液s的制备成本和制备难度。
51.综上所述，本实施例提供的所述平坦化方法及化学机械抛光装置中通入的所述抛光液s包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料。所述含氟液体及表面活性物质能够增强抛光液s与目标基底w的化学反应，有利于剥离目标基底w表面的粗糙颗粒。而所述抛光液s中未设置磨料，不仅可以避免磨料对目标基底w亚表面的损伤，提高抛光质量，还能够降低抛光液s的制备成本和制备难度。此外，为确保平坦化效果，本实施例还引入了高频波。即，在平坦化过程中利用所述高频波转换而成的机械波振动所述抛光液s，使得所述抛光液s内形成空化现象和声波流现象，从而有效剥离并去除所述目标基底w表面的粗糙颗粒，提高平坦化效果和平坦化后的所述目标基底w的品质。
52.此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

技术特征：
1.一种平坦化方法，用于研磨和/或抛光目标基底，其特征在于，包括：采用化学机械抛光工艺平坦化所述目标基底，并在平坦化的过程中通入抛光液，以及采用高频波振动所述抛光液，使得所述抛光液内至少形成空化现象；其中，所述抛光液包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料。2.根据权利要求1所述的平坦化方法，其特征在于，所述含氟液体中的氟离子浓度范围为：0.01％～1％。3.根据权利要求1或2所述的平坦化方法，其特征在于，所述含氟溶液包括氢氟酸溶液和/或含氟无机盐缓冲溶液。4.根据权利要求1或2所述的平坦化方法，其特征在于，所述抛光液的ph值范围为：3～6。5.根据权利要求1所述的平坦化方法，其特征在于，所述高频波的频率范围为10mhz～1000mhz。6.一种化学机械抛光装置，其特征在于，用于执行如权利要求1～5中任意一项所述的平坦化方法；所述化学机械抛光装置包括：抛光单元和振动单元；所述抛光单元用于平坦化目标基底，且所述抛光单元使用的抛光液包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料；所述振动单元与所述抛光单元相接，用于采用高频波振动所述抛光液，以使所述抛光液内至少形成空化现象。7.根据权利要求6所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述振动单元包括高频信号发生器和换能器；所述高频信号发生器用于生成所述高频波；所述换能器分别与所述高频信号发生器和所述抛光单元相接，用于将所述高频波转换成机械波，并传递至所述抛光单元的所述抛光液中。8.根据权利要求6所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述抛光单元包括抛光台、抛光垫、抛光头和供液器；其中，所述抛光垫贴附于所述抛光台的承载面，所述目标基底位于所述抛光垫上，且容置于所述抛光头的限位槽内；所述供液器位于所述抛光台的一侧，用于向所述抛光垫喷洒所述抛光液。9.根据权利要求8所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述振动单元与所述抛光垫相接，以经所述抛光垫传递振动至所述抛光液。10.根据权利要求8所述的化学机械抛光装置，其特征在于，在平坦化过程中，所述抛光头向所述目标基底提供的压力范围为：98n～1960n；以及，所述抛光台的温度范围为60℃～80℃。

技术总结
本发明提供一种平坦化方法及化学机械抛光装置。其中，所述平坦化方法是采用化学机械抛光工艺平坦化目标基底，但与现有技术不同的是，本发明在平坦化的过程中通入的抛光液包括含氟液体及表面活性物质，且未包含磨料。所述含氟液体及表面活性物质能够增强抛光液与目标基底的化学反应，有利于剥离目标基底表面的粗糙颗粒。所述抛光液中未设置磨料，不仅可以避免磨料对目标基底亚表面的损伤，提高抛光质量，还能够降低抛光液的制备成本。此外，为确保平坦化效果，本发明还引入了高频波。即，在平坦化过程中利用高频波振动抛光液，使得抛光液内形成空化现象和声波流现象，从而有效剥离并去除目标基底表面的粗糙颗粒，提高平坦化效果。提高平坦化效果。提高平坦化效果。


技术研发人员：冯涛 季明华 林岳明 任雨萌 李元贞
受保护的技术使用者：上海传芯半导体有限公司
技术研发日：2023.08.17
技术公布日：2023/9/26