本申請涉及半導(dǎo)體拋光，尤其是涉及一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置及拋光方法。
背景技術(shù)：
1、在半導(dǎo)體制造流程中，表面拋光工藝直接決定晶圓的全局平坦化精度與器件性能。傳統(tǒng)化學(xué)機械拋光（cmp）存在不可忽視的工藝局限：其依賴液體拋光液的特性導(dǎo)致拋光后納米級溝槽殘留磨料顆粒，造成器件短路風(fēng)險；同時，液體表面張力引發(fā)大尺寸晶圓邊緣過度腐蝕，片內(nèi)不均勻，嚴(yán)重制約先進制程良率；此外，含氟化物及重金屬的廢液年處理成本較高，顯著增加制造負(fù)擔(dān)。
2、主流干法替代技術(shù)如等離子體拋光仍存關(guān)鍵短板：靜態(tài)處理模式導(dǎo)致反應(yīng)層厚度波動，引發(fā)表面一致性劣化；純物理轟擊機制缺乏化學(xué)改性協(xié)同，對碳化硅等硬脆材料造成表面損傷；更嚴(yán)重的是，未集成的副產(chǎn)物排放系統(tǒng)導(dǎo)致反應(yīng)廢氣堆積，易增加額外缺陷密度，無法滿足3nm以下節(jié)點潔凈度要求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了改善傳統(tǒng)濕法化學(xué)機械拋光的液體殘留污染、邊緣效應(yīng)及高廢液處理成本問題，同時克服現(xiàn)有干法技術(shù)表面粗糙度差、反應(yīng)不均勻等缺陷，本申請?zhí)峁┮环N基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置及拋光方法。
2、本申請?zhí)峁┑囊环N基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置采用如下的技術(shù)方案：
3、一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置，包括：
4、真空腔室，其內(nèi)部設(shè)置有氣體噴注區(qū)域和機械研磨區(qū)域；
5、氣路系統(tǒng)，包括一個載氣瓶和兩個拋光氣體瓶，兩個所述拋光氣體瓶分別裝有前驅(qū)氣體一和前驅(qū)氣體二，所述前驅(qū)氣體一用于與待拋光樣品表面作用形成分子級飽和吸附層，所述前驅(qū)氣體二用于與所述分子級飽和吸附層通過自限制反應(yīng)生成弱鍵合改性層；
6、多孔陣列噴注裝置，設(shè)置于所述真空腔室中的氣體噴注區(qū)域，所述多孔陣列噴注裝置連接于所述氣路系統(tǒng)，用于通過載氣攜帶交替噴注前驅(qū)氣體一/前驅(qū)氣體二；
7、拋光盤，轉(zhuǎn)動設(shè)置于所述真空腔室中的機械研磨區(qū)域，所述拋光盤表面固定有拋光墊，用于剝離待拋光樣品表面的弱鍵合改性層；
8、樣品承載機構(gòu)，通過多維復(fù)合運動導(dǎo)軌驅(qū)動待拋光樣品在氣體噴注區(qū)域與機械研磨區(qū)域之間進行水平移動，以及在機械研磨區(qū)域進行圓周運動及自轉(zhuǎn)。
9、本申請通過時序控制的雙路反應(yīng)氣體分步作用實現(xiàn)待拋光樣品表面精密改性，首先采用前驅(qū)氣體一與待拋光樣品表面作用形成分子級飽和吸附層，然后采用前驅(qū)氣體二與分子級飽和吸附層通過自限制反應(yīng)生成弱鍵合改性層，完成無損傷表面重構(gòu)；改性后的待拋光樣品在多維復(fù)合運動導(dǎo)軌驅(qū)動下與高速旋轉(zhuǎn)拋光盤動態(tài)匹配，實現(xiàn)表面弱鍵合改性層的剝離。本申請改善了濕法化學(xué)機械拋光的液體殘留污染、邊緣效應(yīng)及高廢液處理成本問題，同時克服干法技術(shù)表面粗糙度差、反應(yīng)不均勻等缺陷。
10、進一步地，所述多維復(fù)合運動導(dǎo)軌包括設(shè)置于所述真空腔室內(nèi)頂壁的直線導(dǎo)軌和環(huán)形導(dǎo)軌，所述直線導(dǎo)軌連接于所述環(huán)形導(dǎo)軌且位于環(huán)形導(dǎo)軌徑向的延長線上，所述環(huán)形導(dǎo)軌與所述拋光盤共軸線。
11、通過直線導(dǎo)軌能夠驅(qū)使待拋光樣品在氣體噴注區(qū)域與機械研磨區(qū)域之間進行水平移動，通過環(huán)形導(dǎo)軌能夠驅(qū)使待拋光樣品在機械研磨區(qū)域進行圓周運動，配合待拋光樣品自轉(zhuǎn)以及拋光盤旋轉(zhuǎn)，有助于實現(xiàn)待拋光樣品表面材料的穩(wěn)定去除。
12、進一步地，所述載氣瓶和兩個拋光氣體瓶的出氣端分別設(shè)置有獨立的電磁閥。
13、通過電磁閥能夠獨立控制載氣、前驅(qū)氣體一以及前驅(qū)氣體二氣路的開閉。
14、進一步地，所述多孔陣列噴注裝置包括拋光氣體出口和拋光氣體入口，所述拋光氣體入口連通于所述氣路系統(tǒng)的出氣端，所述拋光氣體出口包括陣列分布的多個微孔。
15、多孔陣列噴注裝置能夠?qū)崿F(xiàn)氣體的均勻噴注。
16、進一步地，還包括尾氣處理系統(tǒng)，所述尾氣處理系統(tǒng)包括連接于所述真空腔室的真空泵和尾氣處理收集裝置。
17、未附著的前驅(qū)氣體以及反應(yīng)副產(chǎn)物抽離至尾氣收集和處理系統(tǒng)，消除殘留污染。
18、進一步地，所述前驅(qū)氣體一為含氯氣體，所述前驅(qū)氣體二為含氧氣體。
19、以氮化鎵晶圓拋光為例，通過載氣攜帶含氯氣體在氮化鎵晶圓表面噴注，形成分子級氯化鎵吸附層，載氣吹掃清除殘留氣體后，通過載氣攜帶含氧氣體在氮化鎵晶圓表面噴注，觸發(fā)自限制反應(yīng)，生成弱鍵合的氯化-氧化改性層，該改性層阻隔含氧氣體向深層擴散，反應(yīng)自動終止于表面納米級改性層；在機械研磨工序中，改性層被拋光墊機械剝離，能夠?qū)⒌壘A表面粗糙度降至納米級，且無任何液體介質(zhì)參與。
20、本申請還提供一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光方法，采用一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置，拋光方法包括以下步驟：
21、拋光準(zhǔn)備：將待拋光樣品安裝于樣品承載機構(gòu)，將真空腔室抽真空；
22、拋光氣體注入：水平移動待拋光樣品至氣體噴注區(qū)域，通過多孔陣列噴注裝置向待拋光樣品交替噴注前驅(qū)氣體一和前驅(qū)氣體二，使待拋光樣品表面依次形成分子級飽和吸附層和弱鍵合改性層；
23、機械研磨：水平移動待拋光樣品至機械研磨區(qū)域，施加壓力使拋光墊接觸待拋光樣品；同步驅(qū)動待拋光樣品自轉(zhuǎn)及圓周運動，同時驅(qū)動拋光盤旋轉(zhuǎn)，拋光墊剝離待拋光樣品表面的弱鍵合改性層。
24、進一步地，所述拋光氣體注入步驟包括：
25、向待拋光樣品表面噴注前驅(qū)氣體一，前驅(qū)氣體一與待拋光樣品表面作用形成分子級飽和吸附層；
26、載氣吹掃，清除未吸附氣體；
27、向待拋光樣品表面噴注前驅(qū)氣體二，前驅(qū)氣體二與分子級飽和吸附層通過自限制反應(yīng)生成弱鍵合改性層；
28、二次載氣吹掃，清除副產(chǎn)物。
29、進一步地，所述拋光氣體注入步驟循環(huán)執(zhí)行單次或多次。
30、進一步地，還包括以下步驟：在拋光氣體注入和機械研磨過程中，維持真空腔室的真空環(huán)境。
31、綜上所述，本申請包括以下至少一種有益技術(shù)效果：
32、1.本申請采用全干式拋光工藝，通過真空環(huán)境下的拋光氣體循環(huán)注入與機械研磨協(xié)同作用，改善了傳統(tǒng)濕法化學(xué)機械拋光中的液體殘留污染和廢液處理難題，特別適用于大尺寸硅片以及碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料的精密加工，具有表面質(zhì)量一致性好、工藝環(huán)保性優(yōu)、設(shè)備維護成本低等顯著優(yōu)勢；
33、2.本申請通過前驅(qū)氣體自限制反應(yīng)機制形成均勻改性層，結(jié)合樣品多維復(fù)合運動與拋光盤旋轉(zhuǎn)的動態(tài)協(xié)同，實現(xiàn)納米級平整度，提升片內(nèi)均勻性；
34、3.本申請通過精確調(diào)控前驅(qū)氣體注入循環(huán)圈數(shù)、注入時間與機械運動參數(shù)，在待拋光樣品上實現(xiàn)穩(wěn)定的材料去除，提升拋光效率；
35、4.本申請的多孔陣列噴注裝置結(jié)合樣品導(dǎo)軌運動設(shè)計，適配晶圓級樣品拋光，可以有效抑制邊緣效應(yīng)，提升樣品拋光質(zhì)量。
1.一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置，其特征在于：包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置，其特征在于：所述多維復(fù)合運動導(dǎo)軌包括設(shè)置于所述真空腔室內(nèi)頂壁的直線導(dǎo)軌和環(huán)形導(dǎo)軌，所述直線導(dǎo)軌連接于所述環(huán)形導(dǎo)軌且位于環(huán)形導(dǎo)軌徑向的延長線上，所述環(huán)形導(dǎo)軌與所述拋光盤共軸線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置，其特征在于：所述載氣瓶和兩個拋光氣體瓶的出氣端分別設(shè)置有獨立的電磁閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置，其特征在于：所述多孔陣列噴注裝置包括拋光氣體出口和拋光氣體入口，所述拋光氣體入口連通于所述氣路系統(tǒng)的出氣端，所述拋光氣體出口包括陣列分布的多個微孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置，其特征在于：還包括尾氣處理系統(tǒng)，所述尾氣處理系統(tǒng)包括連接于所述真空腔室的真空泵和尾氣處理收集裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置，其特征在于：所述前驅(qū)氣體一為含氯氣體，所述前驅(qū)氣體二為含氧氣體。
7.一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光方法，采用權(quán)利要求1-6任一項所述的一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光裝置，其特征在于：包括以下步驟：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光方法，其特征在于：所述拋光氣體注入步驟包括：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光方法，其特征在于：所述拋光氣體注入步驟循環(huán)執(zhí)行單次或多次。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于反應(yīng)性氣體的全干式半導(dǎo)體表面拋光方法，其特征在于：還包括以下步驟：在拋光氣體注入和機械研磨過程中，維持真空腔室的真空環(huán)境。