本發明涉及半導體，具體涉及一種拋光系統強制冷卻裝置及強制冷卻方法。
背景技術：
1、在碳化硅(sic)襯底的化學機械拋光(cmp)過程中，由于其材料特性、拋光機理和工藝條件共同導致拋光過程中會出現溫度升高的現象。雖然sic本身導熱系數高(～490w/m·k)，但拋光區域為微米級接觸點，熱量難以通過材料本體快速擴散。高溫不僅可能引發晶圓表面的熱應力損傷，還會影響研磨液的化學活性與穩定性，進而造成拋光均勻性下降、表面粗糙度增加、微劃痕增多等問題。此外，過高的研磨墊溫度也可能加速其自身磨損與老化，縮短使用壽命，增加設備維護頻率和成本。熱效應會產生一系列負面影響，如材料損傷、拋光工具損耗、工藝穩定性下降等一系列問題。因此，在sic襯底晶圓的cmp工藝中，必須高度重視溫度控制這一關鍵參數。
2、常見用于降低拋光時的盤面溫度方法有很多種，但是這些方法在碳化硅拋光中存在不實用或者成效不足的問題。例如(1)拋光液與磨料優化，采用納米級磨料(如氧化鋁、ceo2)，減少摩擦生熱，或添加潤滑劑形成分子保護層抑制摩擦；但是該方案中由于高端拋光液(如ceo2漿料)依賴進口，國產化替代仍需時間，且納米顆粒分散穩定性要求高，工藝開發成本大。(2)溫度控制清洗工藝，在拋光前后使用不同溫度的清洗液(如加熱或冷卻的di水)處理拋光墊，通過熱傳導調整墊面溫度；但是該方案需集成溫度控制器和清洗臂，設備復雜度增加；且清洗液溫度控制需與拋光參數動態匹配，調試難度較高。(3)工藝參數優化，降低拋光壓力與轉速，通過減少摩擦頻率和壓力直接降低熱生成功率。間歇性拋光分階段拋光或加入停頓時間，避免熱量累積。但是該方法會降低拋光效率延長加工周期，還可能影響材料去除速率的穩定性。4.多模塊溫度控制系統方法，在拋光墊不同徑向位置設置獨立溫控模塊(如紅外加熱、熱電制冷)，通過實時反饋調節溫度分布，但是該方案中系統集成難度大，成本高昂，需要高精度傳感器和算法支持，維護復雜。綜上所述，在碳化硅晶圓的拋光中，現有的降溫方法普遍存在實用性不足或成效有限的問題。無論是優化拋光液和磨料、改進清洗工藝，還是調整工藝參數或采用多模塊溫度控制系統，都面臨著各自的技術瓶頸和經濟挑戰。
3、因此，需要一種強制冷卻裝置及方法，在碳化硅晶圓研磨過程中對拋光盤和拋光墊進行降溫，抑制熱量積累，來提高拋光工藝穩定性。
技術實現思路
1、有鑒于此，本發明提供了一種拋光系統強制冷卻裝置及強制冷卻方法，以解決相關技術中的碳化硅襯底的cmp過程會出現溫度升高，導致晶圓損傷、拋光工具損耗、拋光均勻性下降、表面粗糙度增加、微劃痕增多、工藝穩定性下降的問題。
2、第一方面，本發明提供了一種拋光系統強制冷卻裝置，用于對拋光系統進行強制冷卻，拋光系統包括：
3、拋光盤；
4、拋光墊，位于拋光盤一側；
5、拋光頭，位于拋光墊背向拋光盤一側，拋光頭適于吸附位于拋光墊表面的晶圓，使晶圓在拋光墊上研磨；
6、強制冷卻裝置包括：
7、第一冷卻裝置，包括拋光盤冷卻管道和冷卻水裝置；
8、拋光盤冷卻管道，位于拋光盤的內部，拋光盤冷卻管道的外側與拋光盤接觸；拋光盤冷卻管道用于對拋光盤降溫；拋光盤冷卻管道包括冷卻水入口和冷卻水出口；
9、冷卻水裝置，用于向拋光盤冷卻管道提供循環冷卻水；冷卻水裝置包括冷卻水輸入管道和冷卻水輸出管道，分別連接拋光盤冷卻管道的冷卻水入口和冷卻水出口；
10、第二冷卻裝置，包括冷卻源供給裝置和冷卻源噴射裝置；
11、冷卻源噴射裝置，位于拋光墊背向拋光盤一側，冷卻源噴射裝置適于向拋光墊背向拋光盤一側表面噴射冷卻源，對拋光墊降溫；
12、冷卻源供給裝置，與冷卻源噴射裝置連接，冷卻源供給裝置用于冷卻源噴射裝置提供冷卻源。
13、本發明提供的拋光系統強制冷卻裝置，一方面，通過第一冷卻裝置中的拋光盤冷卻管道對拋光盤進行降溫，并利用冷卻水裝置向拋光盤冷卻管道提供循環冷卻水，從而可以持續使用較低溫度的循環冷卻水對拋光盤進行降溫，可以有效降低拋光溫度，并且冷卻水裝置溫度越低能帶走的拋光熱量越多，可以不影響拋光速率的情況下降低拋光盤表面溫度；另一方面，通過第二冷卻裝置中的冷卻源噴射裝置向拋光墊上噴射冷卻源，可以對拋光墊進行降溫，同時利用冷卻源供給裝置向冷卻源噴射裝置提供冷卻源，從而可以持續利用較低溫度的冷卻源吹掃拋光區域，通過蒸發吸熱或強制對流降溫帶走熱量，對拋光墊進行降溫。因此本發明提供的拋光系統強制冷卻裝置，通過設置第一冷卻裝置和第二冷卻裝置，可以同時對拋光盤和拋光墊進行強制冷卻降溫，能有效降低拋光溫度，抑制熱量積累，提高晶圓表面均勻性，降低晶圓粗糙度，提升拋光后晶圓表面質量，可以有效降低工藝風險，提高拋光質量與生產效率，同時可以延長耗材使用壽命，避免拋光頭背膜失效、拋光墊脫膠等問題，降低晶圓劃傷風險。此外，本技術提供的拋光系統強制冷卻裝置結構簡單，成本較低、調試難度較低、并且系統集成簡單，可以滿足高性能功率器件對襯底表面質量日益嚴苛的要求。
14、在一種可選的實施方式中，冷卻源噴射裝置還包括：
15、溫度檢測裝置，位于拋光墊一側，用于檢測拋光墊的溫度；
16、第一冷卻裝置還包括：
17、第一流量檢測模塊，位于冷卻水輸入管道或冷卻水輸出管道上，第一流量檢測模塊用于檢測進入拋光盤冷卻管道的冷卻水的流量；
18、第二冷卻裝置還包括：
19、第二流量檢測模塊，位于冷卻源供給裝置中，第二流量檢測模塊用于檢測冷卻源噴射裝置向拋光墊表面噴射的冷卻源的流量。
20、本發明提供的拋光系統強制冷卻裝置，一方面，通過設置溫度檢測裝置用于檢測拋光墊的溫度，設置第一流量檢測模塊用于檢測進入拋光盤冷卻管道的冷卻水的流量；設置第二流量檢測模塊用于檢測冷卻源噴射裝置向拋光墊表面噴射的冷卻源的流量，可以根據拋光墊的溫度來控制和調節進入拋光盤冷卻管道的冷卻水的流量、以及冷卻源噴射裝置向拋光墊表面噴射的冷卻源的流量，從而可以更精確地控制對拋光墊和拋光盤的降溫效果，并且可以根據不同工況需求靈活調整以適應不同的降溫需求。同時可以在溫度過高時將會啟動第一冷卻裝置和第二冷卻裝置的自動調節功能，自動調節冷卻水和/或冷卻源的設定流量，從而更有效地控制拋光墊和拋光盤的溫度，避免熱量累計，提高降溫效果，進而提高拋光工藝穩定性，有效降低工藝風險，提高拋光質量與生產效率，同時可以延長耗材使用壽命，降低晶圓劃傷風險。
21、在一種可選的實施方式中，拋光系統包括懸吊于拋光墊上方的研磨液臂，研磨液臂在朝向拋光墊的方向設置有研磨液噴頭，研磨液噴頭用于向拋光墊噴射研磨液；
22、冷卻源噴射裝置設置于研磨液臂上；冷卻源噴射裝置包括多個冷卻源噴嘴，冷卻源噴嘴用于向拋光墊噴射冷卻源；
23、溫度檢測裝置位于研磨液臂的一端。
24、本發明提供的拋光系統強制冷卻裝置，拋光系統包括懸吊于拋光墊上方的研磨液臂，研磨液臂在朝向拋光墊的方向設置有研磨液噴頭，研磨液噴頭用于向拋光墊噴射研磨液；冷卻源噴射裝置設置于研磨液臂上；冷卻源噴射裝置包括多個冷卻源噴嘴，冷卻源噴嘴用于向拋光墊噴射冷卻源；溫度檢測裝置位于研磨液臂的一端；通過將冷卻源噴射裝置和溫度檢測裝置集成于拋光系統的研磨液臂上，可以使溫度檢測裝置更靠近拋光墊，可以提高對拋光線溫度的測量精確度，從而更好地監控拋光溫度，并且使冷卻源更準確地噴灑到拋光墊上，提高降溫效果，避免熱量累計，提高降溫效果，進而提高拋光工藝穩定性。同時還可以簡化裝置的結構，提高系統集成性，降低成本。
25、在一種可選的實施方式中，冷卻源噴嘴的數量為5～8個；
26、冷卻源為氣體或者霧化液體；
27、氣體包括高純度壓縮空氣、氮氣或惰性氣體；霧化液體為霧化去離子水或霧化冷卻液。
28、本發明提供的拋光系統強制冷卻裝置，冷卻源為氣體或者霧化液體；當冷卻源為氣體時，通過冷卻源噴射裝置將低溫氣體噴灑到拋光墊上，降低拋光墊的溫度，并使低溫氣體吹掃拋光區域，通過強制對流效應降低拋光腔室內的環境溫度，帶走拋光熱量；當冷卻源為霧化液體時，通過冷卻源噴射裝置將容易揮發的霧化液體噴灑到拋光墊上，通過霧化小顆粒在拋光墊上高溫蒸發帶走熱量，拋光墊的溫度可以快速高效地控制，從而對拋光盤表面上的拋光墊進行強制降溫，可以有效提高晶圓的表面均勻性，降低晶圓粗糙度，提高拋光工藝穩定性。此外，冷卻源噴嘴的數量為5～8個，在配合拋光盤旋轉的情況下，合適的噴嘴位置及緩慢的噴灑流量可使氣體覆蓋整個拋光盤表面，并形成有效的對流效應。
29、在一種可選的實施方式中，冷卻源為霧化液體；
30、冷卻源供給裝置還包括霧化結構，霧化結構用于將冷卻源從液體轉化為霧化液體。
31、本發明提供的拋光系統強制冷卻裝置，通過在冷卻源供給裝置設置霧化結構，可以將冷卻源從液體轉化為霧化液體，并將霧化液體輸送至冷卻源噴射裝置，進而通過冷卻源噴射裝置將容易揮發的霧化液體噴灑到拋光墊上，通過霧化小顆粒在拋光墊上高溫蒸發帶走熱量，拋光墊的溫度可以快速高效地控制，從而對拋光盤面上的拋光墊進行強制降溫，可以有效提高晶圓的表面均勻性，降低晶圓粗糙度，提高拋光工藝穩定性。
32、第二方面，本發明提供了一種拋光系統強制冷卻方法，利用上述第一方面的拋光系統強制冷卻裝置對拋光系統進行強制冷卻，包括：
33、利用拋光系統對晶圓進行研磨；
34、通過冷卻水裝置向拋光盤冷卻管道循環提供具有第一溫度的冷卻水，對拋光盤降溫；
35、通過冷卻源供給裝置向冷卻源噴射裝置提供具有第二壓力的冷卻源，冷卻源噴射裝置將冷卻源噴灑到拋光墊表面，對拋光墊降溫。
36、本發明提供的拋光系統強制冷卻方法，在利用拋光系統對晶圓進行研磨的過程中，一方面，通過冷卻水裝置向拋光盤冷卻管道循環提供具有第一溫度的冷卻水，從而可以持續使用較低溫度的循環冷卻水對拋光盤進行降溫，可以有效降低拋光溫度，并且冷卻水裝置溫度越低能帶走的拋光熱量越多，可以不影響拋光速率的情況下降低拋光盤面溫度，該方法交換效率高，穩定性強，適用于長時間連續拋光；另一方面，通過冷卻源供給裝置向冷卻源噴射裝置提供具有第二壓力的冷卻源，冷卻源噴射裝置將冷卻源噴灑到拋光墊表面，通過蒸發吸熱或強制對流降溫帶走熱量，對拋光墊進行降溫；該方法無需直接接觸拋光墊，減少污染風險，且響應速度快。因此本技術提供的拋光系統強制冷卻方法，同時對拋光盤和拋光墊進行強制冷卻降溫，能有效降低拋光溫度，抑制熱量積累，提高晶圓表面均勻性，降低晶圓粗糙度，提升拋光后晶圓表面質量，可以有效降低工藝風險，提高拋光質量與生產效率，同時可以延長耗材使用壽命，避免拋光頭背膜失效、拋光墊脫膠等問題，降低晶圓劃傷風險。同時，本技術將兩種強制冷卻技術有效結合，可以有效平衡拋光效率與溫控需求，適用于碳化硅、氮化鎵等具有高耐磨性，材料去除速率低，需長時間拋光的材料。
37、在一種可選的實施方式中，拋光盤冷卻管道中冷卻水的流量為第一流量，冷卻源噴射裝置向拋光墊表面噴射的冷卻源的流量為第二流量；
38、利用拋光系統對晶圓進行研磨步驟之后，還包括：
39、利用溫度檢測裝置實時獲取拋光墊的溫度；
40、根據拋光墊的溫度，調節第一溫度、第一流量和第二流量。
41、本發明提供的拋光系統強制冷卻方法，利用溫度檢測裝置實時獲取拋光墊的溫度；根據拋光墊的溫度，調節第一溫度、第一流量和第二流量，從而可以更精確地控制對拋光墊和拋光盤的降溫效果，并且可以根據不同工況需求靈活調整以適應不同的降溫需求。同時可以在溫度過高時將會啟動第一冷卻裝置和第二冷卻裝置的自動調節功能，自動調節冷卻水和/或冷卻源的設定流量，并自動調節冷卻水的第一溫度，從而更有效地控制拋光墊和拋光盤的溫度，避免熱量累計，提高降溫效果，進而提高拋光工藝穩定性，有效降低工藝風險，提高拋光質量與生產效率，同時可以延長耗材使用壽命，降低晶圓劃傷風險。
42、在一種可選的實施方式中，第一溫度為0℃～12℃；第一流量為5l/min～8l/min；
43、冷卻源為氣體或者霧化液體；
44、冷卻源為氣體時，第二流量為0.5l/min～1l/min，第二壓力為0.1mpa～0.5mpa；
45、冷卻源為霧化液體時，第二流量為0.1l/min～0.5l/min，第二壓力為2mpa～10mpa。
46、本發明提供的拋光系統強制冷卻方法，冷卻源為氣體或者霧化液體；當冷卻源為氣體時，第二流量為0.5l/min～1l/min，第二壓力為0.1mpa～0.5mpa，通過冷卻源噴射裝置將低溫氣體噴灑到拋光墊上，可以有效降低拋光墊的溫度，并使低溫氣體吹掃拋光區域，通過強制對流效應降低拋光腔室內的環境溫度，帶走拋光熱量；當冷卻源為霧化液體時，第二流量為0.1l/min～0.5l/min，第二壓力為2mpa～10mpa，通過冷卻源噴射裝置將容易揮發的霧化液體噴灑到拋光墊上，通過霧化小顆粒在拋光墊上高溫蒸發帶走熱量，拋光墊的溫度可以快速高效地控制，從而對拋光盤表面上的拋光墊進行強制降溫，可以有效提高晶圓的表面均勻性，降低晶圓粗糙度，提高拋光工藝穩定性。
47、在一種可選的實施方式中，根據拋光墊的溫度，調節第一溫度、第一流量和第二流量的步驟中包括：
48、拋光墊的溫度為30℃～45℃時，控制第一流量為5l/min～6l/min，控制第一溫度為7℃～12℃；冷卻源為氣體時，控制第二流量為0.5l/min～0.7l/min；冷卻源為霧化液體時，控制第二流量為0.1l/min～0.3l/min；
49、拋光墊的溫度為45℃及以上時，控制第一流量為7l/min～8l/min，控制第一溫度為0～6℃；冷卻源為氣體時，控制第二流量為0.8l/min～1l/min，冷卻源為霧化液體時，控制第二流量為0.4l/min～0.5l/min。
50、在一種可選的實施方式中，晶圓的材料為碳化硅、單晶硅、鈮酸鋰、鉭酸鋰、氮化鎵或砷化鎵；
51、氣體包括壓縮空氣、氮氣或惰性氣體；
52、霧化液體為霧化去離子水或霧化冷卻液。