本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料加工，具體為碳化硅晶片雙面研磨工藝的納米級(jí)厚度均勻性優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著碳化硅晶片在半導(dǎo)體領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其加工工藝的精度和效率成為影響器件性能的關(guān)鍵因素。特別是在雙面研磨工藝中，如何實(shí)現(xiàn)納米級(jí)厚度均勻性是當(dāng)前技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。然而，現(xiàn)有的碳化硅晶片雙面研磨技術(shù)在厚度均勻性、加工效率以及工藝穩(wěn)定性方面仍存在不足，可能難以完全滿足高性能器件對(duì)材料質(zhì)量的嚴(yán)格要求。

2、經(jīng)檢索，公開了公開號(hào)為cn112809458b的一種碳化硅晶片及其加工方法，公開日期為2022年5月6日。該專利通過催化劑輔助化學(xué)機(jī)械拋光的方法，顯著縮短了拋光時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)了符合平整度要求的碳化硅單晶外延片加工。然而，該技術(shù)方案主要關(guān)注拋光液配方及化學(xué)機(jī)械拋光工藝的優(yōu)化，未能充分解決雙面研磨過程中因硅面與碳面特性差異導(dǎo)致的移除速率不均問題，可能影響最終晶片的厚度均勻性。此外，該方法對(duì)拋光液成分的精確配比要求較高，增加了工藝控制的復(fù)雜性和成本。

3、經(jīng)檢索，公開了公開號(hào)為cn115464484b的一種碳化硅晶片雙面加工方法以及相應(yīng)的裝置，公開日期為2024年6月7日。該專利通過將兩片碳化硅晶片的相同極性面貼合后進(jìn)行雙面加工，有效解決了硅面與碳面移除速率差異的問題，并顯著縮短了加工時(shí)間。然而，該技術(shù)方案在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)晶片貼合精度的要求較高，若貼合不良可能導(dǎo)致加工過程中出現(xiàn)偏移或厚度偏差。同時(shí)，該方法未涉及納米級(jí)厚度均勻性的具體優(yōu)化措施，在高精度應(yīng)用場(chǎng)景下可能存在一定的局限性。

4、上述問題表明，現(xiàn)有的碳化硅晶片雙面研磨技術(shù)在移除速率均勻性、貼合精度控制以及納米級(jí)厚度均勻性優(yōu)化等方面仍存在一定的改進(jìn)空間。因此，本發(fā)明提供一種碳化硅晶片雙面研磨工藝的納米級(jí)厚度均勻性優(yōu)化方法，旨在通過改進(jìn)研磨工藝參數(shù)、優(yōu)化貼合技術(shù)和引入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋機(jī)制，進(jìn)一步提升厚度均勻性，降低工藝復(fù)雜性，從而滿足高性能碳化硅器件對(duì)材料加工質(zhì)量的更高需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種碳化硅晶片雙面研磨工藝的納米級(jí)厚度均勻性優(yōu)化方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、本發(fā)明提出一種碳化硅晶片雙面研磨工藝的納米級(jí)厚度均勻性優(yōu)化方法，其核心在于通過動(dòng)態(tài)協(xié)同閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合多因素聯(lián)動(dòng)調(diào)整機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工環(huán)境、材料特性及設(shè)備參數(shù)的全面優(yōu)化。以下結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。附圖1展示了整個(gè)工藝流程框圖，包括參數(shù)配置模塊a、執(zhí)行模塊b、檢測(cè)模塊c和反饋控制模塊d之間的邏輯關(guān)系。附圖2為動(dòng)態(tài)協(xié)同閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)注了各模塊之間的連接方式及其功能分配。附圖3展示了在線監(jiān)測(cè)裝置e的工作原理，重點(diǎn)描述光學(xué)干涉儀f如何實(shí)現(xiàn)厚度測(cè)量。附圖4顯示了調(diào)平盤g與分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

3、在具體實(shí)施過程中，參數(shù)配置模塊a生成初始參數(shù)組，該參數(shù)組包含加工環(huán)境條件、研磨液組成、工藝參數(shù)以及設(shè)備配置的具體內(nèi)容。加工環(huán)境條件設(shè)定為溫度22℃±1℃、濕度≤35%rh、潔凈度iso?class?5及以上。這些條件由車間內(nèi)的恒溫恒濕系統(tǒng)和空氣凈化裝置共同保障。研磨液選用氧化鋁微粉與酸性分散劑的混合體系，濃度范圍為6wt%~12wt%，ph值介于4.5至6.0之間。研磨液通過液體輸送管道輸送至研磨盤表面，輸送管道上設(shè)有流量計(jì)和濃度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控研磨液的組分和濃度。上下盤轉(zhuǎn)速差設(shè)定為15rpm~25rpm，施加壓力范圍為0.08mpa~0.12mpa，這些參數(shù)通過執(zhí)行模塊b中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。調(diào)平盤g采用高分子復(fù)合材質(zhì)，具備良好的耐磨性和抗劃傷性能，同時(shí)配備分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h，該系統(tǒng)將調(diào)平盤分為多個(gè)獨(dú)立區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的壓力可通過氣動(dòng)或液壓裝置單獨(dú)調(diào)整。

4、執(zhí)行模塊b根據(jù)參數(shù)配置模塊a傳遞的初始參數(shù)啟動(dòng)設(shè)備，開始對(duì)碳化硅晶片進(jìn)行雙面研磨。在研磨過程中，在線監(jiān)測(cè)裝置e通過光學(xué)干涉儀f對(duì)晶片厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。如附圖3所示，在線監(jiān)測(cè)裝置e的工作原理基于光學(xué)干涉技術(shù)，光束從光學(xué)干涉儀f發(fā)射后垂直照射到晶片表面，反射光與參考光發(fā)生干涉，通過分析干涉條紋的變化計(jì)算出晶片的厚度。采樣點(diǎn)分布在晶片中心及邊緣共9個(gè)位置，其中中心點(diǎn)為第1點(diǎn)，邊緣8點(diǎn)均勻分布于晶片外緣。在線監(jiān)測(cè)裝置e每3分鐘采集一次數(shù)據(jù)，記錄各采樣點(diǎn)的厚度值并傳輸至檢測(cè)模塊c。檢測(cè)模塊c對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算平均厚度和極差（max-min），并將結(jié)果傳遞至反饋控制模塊d。

5、反饋控制模塊d基于檢測(cè)模塊c提供的數(shù)據(jù)判斷是否需要調(diào)整工藝參數(shù)。當(dāng)平均厚度超出目標(biāo)值420μm±1μm時(shí)，觸發(fā)壓力調(diào)整機(jī)制；當(dāng)極差超過0.7μm時(shí)，觸發(fā)轉(zhuǎn)速差或研磨液濃度調(diào)整機(jī)制。具體調(diào)整規(guī)則如下：當(dāng)平均厚度偏差±1μm時(shí)，壓力相應(yīng)增減0.015mpa；當(dāng)極差超標(biāo)時(shí)，上盤轉(zhuǎn)速降低3rpm或研磨液濃度提升0.3wt%。上述調(diào)整過程通過模糊pid算法動(dòng)態(tài)計(jì)算，確保參數(shù)調(diào)整的精確性。反饋控制模塊d生成調(diào)整指令后，將其傳遞至執(zhí)行模塊b，完成參數(shù)調(diào)整。整個(gè)過程形成閉環(huán)控制，循環(huán)執(zhí)行研磨→監(jiān)測(cè)→調(diào)整→研磨的操作，直至平均厚度落入420μm±1μm范圍內(nèi)且極差≤0.5μm為止。

6、為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明對(duì)設(shè)備的具體配置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在線監(jiān)測(cè)裝置e的采樣頻率設(shè)置為≥2次/min，以提高數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性與準(zhǔn)確性。離線測(cè)厚則采用非接觸式厚度儀，每批次抽檢數(shù)量≥5pcs，以驗(yàn)證在線監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。調(diào)平盤g的高分子復(fù)合材質(zhì)不僅具備良好的耐磨性，還能有效減少晶片表面劃傷風(fēng)險(xiǎn)。分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h通過獨(dú)立控制各區(qū)域的壓力分布，避免因壓力不均導(dǎo)致的厚度偏差問題。如附圖4所示，分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h由多個(gè)氣動(dòng)或液壓?jiǎn)卧M成，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)調(diào)平盤g的一個(gè)獨(dú)立區(qū)域，通過電磁閥控制氣壓或液壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)域壓力的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

7、在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明適用于4/6/8英寸碳化硅襯底片的量產(chǎn)，并支持現(xiàn)有雙面研磨設(shè)備的改造升級(jí)。例如，對(duì)于一臺(tái)現(xiàn)有的雙面研磨設(shè)備，可通過增加在線監(jiān)測(cè)裝置e和分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h實(shí)現(xiàn)升級(jí)改造。在線監(jiān)測(cè)裝置e安裝在設(shè)備頂部，光學(xué)干涉儀f垂直向下照射晶片表面，采樣點(diǎn)分布與附圖3一致。分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h安裝在調(diào)平盤g下方，通過氣管或油管連接至各獨(dú)立區(qū)域，電磁閥控制信號(hào)由反饋控制模塊d提供。設(shè)備改造完成后，按照上述工藝流程進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)厚度均勻性的優(yōu)化。

8、在運(yùn)行過程中，參數(shù)配置模塊a、執(zhí)行模塊b、檢測(cè)模塊c和反饋控制模塊d相互配合，形成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。參數(shù)配置模塊a負(fù)責(zé)生成初始參數(shù)組并傳遞至執(zhí)行模塊b，執(zhí)行模塊b根據(jù)接收的參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，在線監(jiān)測(cè)裝置e實(shí)時(shí)采集厚度數(shù)據(jù)并傳輸至檢測(cè)模塊c，檢測(cè)模塊c處理數(shù)據(jù)后傳遞至反饋控制模塊d，反饋控制模塊d基于數(shù)據(jù)計(jì)算偏差并生成調(diào)整指令，最終傳遞至執(zhí)行模塊b完成參數(shù)調(diào)整。整個(gè)過程循環(huán)執(zhí)行，直至達(dá)到目標(biāo)厚度和均勻性要求。

9、本發(fā)明通過引入動(dòng)態(tài)協(xié)同閉環(huán)控制方法，結(jié)合多因素聯(lián)動(dòng)配置、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控以及全流程閉環(huán)控制系統(tǒng)，提供了一種全新的碳化硅晶片雙面研磨工藝。該工藝顯著提升了厚度均勻性和加工穩(wěn)定性，降低了工藝復(fù)雜性，為高性能碳化硅器件的制造提供了高平坦度襯底，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

10、為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠充分理解并實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，以下結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)本發(fā)明的實(shí)施原理進(jìn)行補(bǔ)充說明。

11、在實(shí)際操作中，首先將待加工的碳化硅晶片放置于雙面研磨設(shè)備的工作臺(tái)上。調(diào)平盤g采用高分子復(fù)合材質(zhì)，其下方安裝有分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h，如附圖4所示。分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h通過多個(gè)氣動(dòng)或液壓?jiǎn)卧謩e對(duì)應(yīng)調(diào)平盤g的不同區(qū)域，并由反饋控制模塊d發(fā)出的電磁閥控制信號(hào)調(diào)節(jié)各區(qū)域的壓力分布。在線監(jiān)測(cè)裝置e則安裝在設(shè)備頂部，光學(xué)干涉儀f垂直向下照射晶片表面，采樣點(diǎn)分布與附圖3一致，確保厚度數(shù)據(jù)采集的全面性與準(zhǔn)確性。

12、當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)后，參數(shù)配置模塊a生成初始參數(shù)組并傳遞至執(zhí)行模塊b。初始參數(shù)組中包括溫度設(shè)定為22℃±1℃、濕度≤35%rh、潔凈度iso?class?5及以上的環(huán)境條件，以及研磨液組成（氧化鋁微粉與酸性分散劑混合體系，濃度范圍為6wt%~12wt%，ph值介于4.5至6.0之間）、上下盤轉(zhuǎn)速差（15rpm~25rpm）和施加壓力（0.08mpa~0.12mpa）。這些參數(shù)通過執(zhí)行模塊b中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確控制。研磨液通過液體輸送管道輸送至研磨盤表面，輸送管道上設(shè)有流量計(jì)和濃度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控研磨液組分和濃度的變化。

13、在研磨過程中，在線監(jiān)測(cè)裝置e利用光學(xué)干涉技術(shù)對(duì)晶片厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。如附圖3所示，光束從光學(xué)干涉儀f發(fā)射后垂直照射到晶片表面，反射光與參考光發(fā)生干涉，通過分析干涉條紋的變化計(jì)算出晶片的厚度。采樣點(diǎn)分布在晶片中心及邊緣共9個(gè)位置，其中中心點(diǎn)為第1點(diǎn)，邊緣8點(diǎn)均勻分布于晶片外緣。在線監(jiān)測(cè)裝置e每3分鐘采集一次數(shù)據(jù)，并將記錄的厚度值傳輸至檢測(cè)模塊c。檢測(cè)模塊c對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算平均厚度和極差（max-min），并將結(jié)果傳遞至反饋控制模塊d。

14、若反饋控制模塊d檢測(cè)到平均厚度超出目標(biāo)值420μm±1μm，則觸發(fā)壓力調(diào)整機(jī)制；若極差超過0.7μm，則觸發(fā)轉(zhuǎn)速差或研磨液濃度調(diào)整機(jī)制。例如，當(dāng)平均厚度偏差±1μm時(shí)，反饋控制模塊d通過模糊pid算法動(dòng)態(tài)計(jì)算壓力調(diào)整量，并增減0.015mpa的壓力；當(dāng)極差超標(biāo)時(shí)，上盤轉(zhuǎn)速降低3rpm或研磨液濃度提升0.3wt%。上述調(diào)整指令由反饋控制模塊d生成后傳遞至執(zhí)行模塊b，完成參數(shù)調(diào)整。整個(gè)過程形成閉環(huán)控制，循環(huán)執(zhí)行研磨→監(jiān)測(cè)→調(diào)整→研磨的操作，直至平均厚度落入420μm±1μm范圍內(nèi)且極差≤0.5μm為止。

15、在此過程中，分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如附圖4所示，其通過獨(dú)立控制各區(qū)域的壓力分布有效避免了因壓力不均導(dǎo)致的厚度偏差問題。每個(gè)氣動(dòng)或液壓?jiǎn)卧獙?duì)應(yīng)調(diào)平盤g的一個(gè)獨(dú)立區(qū)域，通過電磁閥控制氣壓或液壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)域壓力的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。此外，在線監(jiān)測(cè)裝置e的采樣頻率設(shè)置為≥2次/min，以提高數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性與準(zhǔn)確性。離線測(cè)厚則采用非接觸式厚度儀，每批次抽檢數(shù)量≥5pcs，以驗(yàn)證在線監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

16、進(jìn)一步地，調(diào)平盤g的高分子復(fù)合材質(zhì)不僅具備良好的耐磨性，還能有效減少晶片表面劃傷風(fēng)險(xiǎn)。這種材質(zhì)的選擇與分區(qū)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)h的配合使用，顯著提升了晶片表面質(zhì)量的一致性。同時(shí)，設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)使得該工藝適用于4/6/8英寸碳化硅襯底片的量產(chǎn)，并支持現(xiàn)有雙面研磨設(shè)備的升級(jí)改造。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)厚度均勻性的優(yōu)化。具體而言，動(dòng)態(tài)協(xié)同閉環(huán)控制方法結(jié)合多因素聯(lián)動(dòng)配置、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控以及全流程閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保了加工環(huán)境、材料特性及設(shè)備參數(shù)的全面優(yōu)化。這一方法從根本上解決了傳統(tǒng)工藝中因單一因素調(diào)整導(dǎo)致的整體性能下降問題，同時(shí)大幅提升了厚度均勻性和加工穩(wěn)定性，降低了工藝復(fù)雜性，為高性能碳化硅器件的制造提供了高平坦度襯底，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。