一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置及方法

本发明涉及了一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置及方法，属于半导体材料超精密加工与半导体设备制造。

背景技术：

1、碳化硅（sic）作为第三代半导体材料，具有高禁带宽度、高热导率等优良性能，但其莫氏硬度高（接近9.5）、化学稳定性极强，属于极难加工的硬脆材料。化学机械抛光（cmp）是实现 sic 晶圆亚纳米级超平整表面损伤的核心技术。

2、近年来，为了突破 sic 高效超精密抛光的瓶颈，业内开发出了基于光催化与光流变双重耦合效应的抛光液及加工方法。该方法通过光照在工作区原位产生高活性氧化自由基，同时诱导抛光液发生可逆相变提升局部粘度，实现了化学氧化与机械剪切的双重光控动态调控。 然而，要充分发挥上述光响应抛光液的优势，抛光装置中光源的放置与光场引入方式成为了亟待解决的工程难题。现有的光源放置方式主要面临以下三大困境：

3、顶部外置光源： 光线从上方照射，但抛光界面的正上方被不透光的晶圆载片头完全遮挡，光线只能照射到抛光垫外围，导致工作区（晶圆与垫子的接触区）缺乏原位光照，光催化产生的自由基寿命极短（微秒级），无法有效扩散至晶圆中心。

4、底部开窗光源： 在抛光盘和抛光垫上局部开辟石英透明窗口，光源由下向上照射。该方式仅当晶圆扫过窗口瞬间才能受到光照，照射占空比极低；且坚硬的石英窗口破坏了聚氨酯抛光垫的机械连续性，极易在晶圆表面造成划痕。

5、管路预激发光源： 在抛光液滴落前于供液管路中进行光照。虽然避免了遮挡，但无法利用光流变效应在“晶圆-抛光垫”界面提供原位的高剪切机械固持力。

6、因此，如何设计一种无遮挡、全覆盖且不破坏抛光垫机械一致性的新型光源引入装置，实现“界面原位发光”，是当前光辅助 cmp 设备领域的关键痛点。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置及方法，通过将抛光垫作为光波导介质，光源由抛光垫的边缘横向引入并从抛光界面的微型沟槽向上溢出，彻底解决了载片头对光线的遮挡问题，保证了碳化硅晶圆全表面持续受到均匀的光催化与光流变激发。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，包括抛光盘和固定设置于所述抛光盘表面的抛光垫，所述抛光垫的上方设置有至少一组可相对其上下移动的抛光头，所述抛光垫的侧面边缘处沿其周线设置有环形光源阵列，所述环形光源阵列由多个可独立控制的光源组成，所述抛光垫的表面设置有多个沟槽，且所述沟槽的两个侧面均为倾斜状。

4、前述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光垫采用改性聚氨酯材料制成，透光率≥10%，其厚度为1.5mm-2.5mm，所述沟槽的深度≥0.254mm。

5、前述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光垫表面的沟槽呈网格状设置，所述沟槽顶部的宽度为0.8mm，深度为0.6mm，相邻沟槽的间距为8mm，且所述沟槽的截面为v型结构。

6、前述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光垫的侧面边缘处等分设置有8个可独立控制点亮的光源，所述光源注入的波长为365~405nm 的紫外/紫光复合光束。

7、前述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光盘上设置有用于检测其相对抛光头位置的位置传感器。

8、前述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光垫（20）的侧面经过抛光处理后作为入光面。

9、一种利用前述基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置的抛光方法，包括如下步骤：

10、抛光头将碳化硅晶圆压附在抛光垫上，抛光液连续滴加至抛光垫的表面；

11、抛光盘和抛光头以各自设定的转速进行旋转；

12、动态控制抛光头下方的碳化硅晶圆覆盖的抛光垫区域所对应的光源点亮，并同时控制其余光源熄灭，直至碳化硅晶圆抛光完成。

13、前述的基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光方法，其特征在于：所述抛光垫的表面区域根据8个独立控制点亮的光源分成8个对应的扇区，当相应的扇区有部分或者全部区域被碳化硅晶圆覆盖时，即控制该扇区对应的光源点亮，当碳化硅晶圆离开该扇区时，即刻关闭该光源。

14、本发明的有益效果是：

15、1.消除遮挡，实现100%原位全覆盖光照：创新性地将抛光垫作为光波导介质，光源由边缘横向引入并从抛光界面微型沟槽向上溢出，彻底解决了载片头对光线的遮挡问题，保证了碳化硅晶圆全表面持续受到均匀的光催化与光流变激发；

16、2.保持机械一致性，避免窗口划痕：无需在抛光垫上开辟破坏力学均一性的石英透明窗口，利用全反射导光原理维持了抛光垫原有的弹性模量和机械连续性，从根本上消除了“硬窗口”引发的晶圆划痕缺陷；

17、3.自适应局域光场，优化抛光液寿命与排屑：通过扇区追踪动态亮灯机制，仅在工作区（晶圆正下方）激发高粘度与高化学活性，非工作区保持无光避光状态，避免了抛光液在全盘过度反应降解，完美契合了光催化-光流变抛光液“工作区凝胶化强剪切、非工作区低粘度易排屑”的动力学需求。

1.一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，包括抛光盘（10）和固定设置于所述抛光盘（10）表面的抛光垫（20），所述抛光垫（20）的上方设置有至少一组可相对其上下移动的抛光头（40），其特征在于：所述抛光垫（20）的侧面边缘处沿其周线设置有环形光源阵列，所述环形光源阵列由多个可独立控制的光源（30）组成，所述抛光垫（20）的表面设置有多个沟槽（21），且所述沟槽（21）的两个侧面均为倾斜状。

2.根据权利要求1所述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光垫（20）采用改性聚氨酯材料制成，透光率≥10%，其厚度为1.5mm-2.5mm，所述沟槽（21）的深度≥0.254mm。

3.根据权利要求2所述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光垫（20）表面的沟槽（21）呈网格状设置，所述沟槽（21）顶部的宽度为0.8mm，深度为0.6mm，相邻沟槽的间距为8mm，且所述沟槽（21）的截面为v型结构。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光垫（20）的侧面边缘处等分设置有8个可独立控制点亮的光源（30），所述光源（30）注入的波长为365~405 nm 的紫外/紫光复合光束。

5.根据权利要求1所述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光盘（10）上设置有用于检测其相对抛光头（40）位置的位置传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置，其特征在于：所述抛光垫（20）的侧面经过抛光处理后作为入光面。

7.一种利用权利要求1-6中任意一项所述基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光装置的抛光方法，其特征在于：包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的基于边缘耦合导光抛光垫的光催化抛光方法，其特征在于：所述抛光垫（20）的表面区域根据8个独立控制点亮的光源（30）分成8个对应的扇区，当相应的扇区有部分或者全部区域被碳化硅晶圆覆盖时，即控制该扇区对应的光源（30）点亮，当碳化硅晶圆离开该扇区时，即刻关闭该光源。