一種兆赫頻超聲拋光振子的設(shè)計(jì)與研究

何 勍，翟 科，李 亮，任 奕

（遼寧工業(yè)大學(xué) 振動(dòng)工程研究所，遼寧 錦州 121001）

1 引言

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）是目前應(yīng)用最為普遍的半導(dǎo)體材料全局平坦化技術(shù)，它被廣泛的應(yīng)用于大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模電路（ULSI）襯底材料硅片的超精密加工過程中[1]。隨著硅片尺寸的增大，大直徑硅片容易產(chǎn)生翹曲變形，在拋光墊和硅片之間磨粒分布和拋光壓力分布不均勻，硅片各部分的材料去除率不一致等問題，尤其是在硅片的邊緣區(qū)域，過度拋光的“邊緣效應(yīng)”變得更加明顯，限制了硅片利用率和芯片良品率的提高，影響表面平坦度[2-3]。此外，由于拋光墊是具有一定彈性的有機(jī)織物，拋光時(shí)對(duì)表面材料去除的選擇性不高，導(dǎo)致過度拋光等缺陷，難以獲得面型更加一致的硅片[4]。作為目前硅片超精密平整化加工的主要手段，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)面臨著新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。一些附加的物理或化學(xué)過程被引入硅片的化學(xué)機(jī)械拋光過程，以求能夠改善現(xiàn)有拋光工藝。

超聲復(fù)合作用對(duì)硬脆材料的加工有著獨(dú)特的優(yōu)越性，將超聲振動(dòng)技術(shù)運(yùn)用到化學(xué)機(jī)械拋光過程對(duì)降低硅片等硬脆材料的表面質(zhì)量及提高材料去除效率有明顯的促進(jìn)作用[5-8]。兆赫頻的超聲波廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療、檢測(cè)、清洗等領(lǐng)域，兆聲在小振幅下即可獲得高的聲強(qiáng)作用，并且相對(duì)于數(shù)十千赫茲的低頻超聲振動(dòng)，兆赫頻的超聲有著極低的空化作用，可避免超聲作用對(duì)工件的二次損傷[9]。傳統(tǒng)的低頻超聲拋光振子須進(jìn)行復(fù)雜的模態(tài)設(shè)計(jì)過程，而在高頻域由于耦合振動(dòng)作用的存在，振動(dòng)過程將變得極其復(fù)雜，且超聲工具的尺寸受到限制，不能夠做的很大。依據(jù)聲傳播的理論以及模式控制的方法，報(bào)告了一種用于硅片化學(xué)硅片的化學(xué)機(jī)械拋光的兆聲拋光振子。

2 兆聲拋光工作原理

2.1 匹配層結(jié)構(gòu)兆聲拋光振子

在開展兆聲復(fù)合拋光之前，須先對(duì)超聲工具頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率進(jìn)而使拋光界面處有較大的兆聲振動(dòng)振幅。采用了匹配層形式的換能器結(jié)構(gòu)，即利用壓電陶瓷元件的兆赫頻厚度伸縮振動(dòng)輻射兆頻超聲聲波，同時(shí)為了使聲波在達(dá)到拋光界面時(shí)有盡可能大的傳輸效率，在壓電陶瓷圓片與被拋光件之間放入聲阻抗過渡的均勻?qū)樱雌ヅ鋵覽10]。同時(shí)，超聲拋光工具頭須考慮被拋光件的夾持，滿足外圍附加設(shè)備的需求，設(shè)計(jì)并完成制作的匹配層結(jié)構(gòu)兆聲拋光振子，如圖1所示。壓電陶瓷片輻射的聲波作用到拋光界面，依次垂直透過匹配層、被拋光件這兩層中間層，而后在多孔吸聲結(jié)構(gòu)的拋光墊中無限的傳播下去或被吸收掉。從聲發(fā)射元件壓電陶瓷到拋光界面，可以抽象為聲波透過雙層中間層的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

圖1 匹配層結(jié)構(gòu)兆聲拋光振子示意圖Fig.1 Sketch Map of the Matching Layer Structure of Megasonic Polishing Vibrator

圖2 聲波透射模型Fig.2 Ultrasonic Transmission Model

由聲學(xué)理論可知，理想流質(zhì)小振幅線性聲波方程為：

對(duì)于平面波，由于它只在一個(gè)方向單向傳播，波動(dòng)方程可以寫為：

每層介質(zhì)中的聲波方程滿足式（4）、式（5）。

式中：pita、pira—第i層介質(zhì)的透射聲壓與反射聲壓的幅值；ci—介質(zhì)聲速；k=—第i層介質(zhì)層中的波數(shù)；z—第i層介質(zhì)

ii層的聲特性阻抗。

由聲波連續(xù)性邊界條件得到，在每?jī)蓪咏缑嬷g聲波的透射與反射滿足式（6）[11]：

式中：di—第i層介質(zhì)的厚度。

聲波透過雙層中間層的情況下，入射聲壓與輻射聲壓關(guān)系為：

介質(zhì)中聲強(qiáng)透射系數(shù)tI2可表示為：

為了獲得最佳的聲波透射強(qiáng)度即高的聲強(qiáng)透射效率，作為聲源器件的壓電陶瓷元件選擇四元系的PZT-4壓電陶瓷材料，厚度為1.2mm，振子工作在厚度伸縮的（TE）振動(dòng)模式，材料的聲速在（4000～4200）m/s左右，由 f=c/λ 可知，該振子工作基頻約為1.7MHz。匹配層材料選用YL12鋁合金材料，將以上的確定量值代入上節(jié)給出的聲波透過雙層中間層的聲透射模型，對(duì)匹配層的厚度進(jìn)行計(jì)算，得出匹配層厚度與聲強(qiáng)透射率的輸出關(guān)系，如圖2、圖3所示。聲波透射率的極大值出現(xiàn)在d2/λ2=0.16+0.5n，n=1，2，3…，此時(shí)聲強(qiáng)透射系數(shù)為tI=0.4147。依據(jù)以上聲透射理論對(duì)振子進(jìn)行聲振動(dòng)播方向的匹配設(shè)計(jì)，可確定匹配層的材料與厚度。進(jìn)而提高拋光界面的超聲振動(dòng)振幅及能量。

圖3 匹配層振子聲強(qiáng)透射曲線Fig.3 Sound Transmission of Matching Layer Vibrator

2.2 兆聲振子的振動(dòng)模式控制

諧振頻率在兆聲頻域的的圓片型壓電振子，本身工作在厚度伸縮的振動(dòng)模式，當(dāng)振子的直徑與厚度比不是很大時(shí)，即所謂的有限尺寸振子。振子的厚度振動(dòng)與徑向振動(dòng)將出現(xiàn)較強(qiáng)的相互作用，即所謂的藕合振動(dòng)，很可能會(huì)引起徑向振動(dòng)的基頻或泛音甚至其他寄生振動(dòng)模[12]，也就是說，在此兆聲工具頭的橫向尺度上，不可避免的會(huì)出現(xiàn)藕合振動(dòng)產(chǎn)生的振幅不均勻的情況。因而，在兆聲拋光工具頭制作前，須對(duì)拋光中壓電陶瓷振子的振動(dòng)模式控制進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)兆聲拋光工具頭端兆聲振動(dòng)振幅的均勻一致。壓電陶瓷圓片的厚度振動(dòng)模式是常用的一種振動(dòng)模式。沿圓片的厚度方向做伸縮振動(dòng)則稱為厚度伸縮（TE）振動(dòng)模式，圓片壓電振子厚度伸縮振動(dòng)模式的反諧振頻率與其厚度成反比，即：

式中：t—圓片厚度；ρ—陶瓷密度；cD—壓電參數(shù)，與材料有關(guān)。

33

徑向振動(dòng)模式的壓電陶瓷薄圓片的幾何形狀、極化和激勵(lì)方向均與厚度伸縮振動(dòng)振子相同。不同的是，它沿圓片的徑向做伸縮振動(dòng)，圓片中心為節(jié)點(diǎn)。圓片徑向振子的諧振頻率與振子的直徑成反比，諧振頻率為：

式中：D—壓電圓片的直徑；

σ—壓電材料的泊松系數(shù)；

C—常數(shù)因子，由壓電振子的材料和振動(dòng)階次決定。

通常情況下圓片壓電振子的振動(dòng)基頻的fr比fa小得多。但高階的fr可能會(huì)出現(xiàn)與fa的基頻或高階耦合的情況，對(duì)厚度振動(dòng)產(chǎn)生干擾。為了避免寄生振動(dòng)對(duì)厚度振動(dòng)基波的干擾，必須合理的調(diào)整壓電振子的尺寸，當(dāng)振子的直徑與其厚度之比非常大時(shí)，可得到較好的厚度振動(dòng)基波響應(yīng)。即為了獲得較純的厚度振動(dòng)，必須使圓板的直徑遠(yuǎn)大于厚度，IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定φ/t＞20，以使徑向模工作在較高的頻率，以致徑向振動(dòng)于夾住的狀態(tài)。然而對(duì)于一個(gè)換能器來說，由于材料特性及加工技術(shù)的限制，圓板的直徑不需要也不可能做的太大。對(duì)于壓電換能器中某些模式的抑制，一般是通過外形上的設(shè)計(jì)，使這些模式的諧振頻率離開工作其他振動(dòng)模式的頻段；或使之處于電截止的狀態(tài)；或使這些模式的彈性波反射及振動(dòng)能量的變換造成聲波不規(guī)則的分散；或設(shè)置能陷區(qū)域，使振動(dòng)能量集中。另一方面是采用機(jī)械的聲阻尼法，使不需要的振動(dòng)模式被削弱或截止[13]。

高頻片狀壓電振子的厚度伸縮振動(dòng)，最好采用縱效應(yīng)的棒的振動(dòng)，這時(shí)可采用多個(gè)縱振動(dòng)的振子組成一個(gè)鑲嵌基陣的形式，如圖4所示。雖然多振子陣列能獲得較好的振動(dòng)響應(yīng)特性，但要求所采用的各基陣單元間有較高的一致性[14]。并且，在頻率更高的兆聲域，鑲嵌式基陣的單元尺寸變得極小，振子難以加工，其性能也變得不可控。

圖4 多振子鑲嵌基陣Fig.4 Multi Vibrators Array

以兆聲振子的拋光工具化為落腳點(diǎn)，這便提出了將兆聲振動(dòng)施加到被拋光件全局的客觀要求，一是要求換能器的兆聲發(fā)射面積要與被拋光件可比擬，二是要求壓電振子能夠產(chǎn)生比較純的厚度方向振動(dòng)，使振子輻射面振動(dòng)振幅均勻。文中采用破壞壓電振子橫向振動(dòng)完整性的方法來抑制其橫效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振子的振動(dòng)模式控制。兆聲拋光振子的振源元件為Φ（50×1.2）mm的圓片壓電陶瓷，與被拋光件尺寸可比擬，振子厚度振動(dòng)基頻在1.7MHz左右，為抑制其徑向振動(dòng)模，使用刀徑1mm的精雕銑床在壓電陶瓷上表面開出寬1mm深0.1mm的溝槽，即在振子上設(shè)置有限的溝槽形成多電極分區(qū)形式的壓電振子。厚度振動(dòng)壓電陶瓷圓片開槽前后，如圖5所示。

圖5 厚度伸縮振動(dòng)圓片形壓電陶瓷Fig.5 Thickness Expansion Mode Disc Plate Piezoelectric Vibrator

振子開槽后，因槽面平行于厚度方向，厚度方向的振動(dòng)位移不會(huì)受到影響，而徑向振動(dòng)位移的連續(xù)性被破壞，徑向振動(dòng)的基頻及泛音均受到不同程度的抑制。利用多普勒激光測(cè)振儀Polytec-OFV505對(duì)開槽壓電振子整個(gè)面的振動(dòng)振幅進(jìn)行測(cè)試，繪制出振幅測(cè)量數(shù)據(jù)分布的三維云圖，如圖6所示。圖中標(biāo)示的量值為表征振子振幅的測(cè)量電壓值。從振幅測(cè)量結(jié)果可以看出，開槽前的壓電振子存在徑向振動(dòng)的節(jié)圓，電極分區(qū)后，徑向振動(dòng)的節(jié)圓消除。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，振子表面振動(dòng)的振幅均值由開槽前的15.5351nm升高至開槽后的17.3991nm，與此同時(shí)，表征振幅均勻性的振幅標(biāo)準(zhǔn)差則由15.6156nm降至3.9517nm，這就使得改造后的振子振幅趨于更加一致，更適于平面化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光的過程。

圖6 壓電振子振幅分布圖Fig.6 Amplitude Cloud Picture of the Piezoelectric Vibrator

2.3 兆聲壓電拋光振子

利用上一節(jié)中開槽后的圓片型壓電陶瓷作為聲源元件，并選定好匹配層的拋光頭材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用環(huán)氧樹脂將此壓電陶瓷粘貼于拋光頭上，制成匹配層結(jié)構(gòu)的兆聲壓電拋光振子。此兆聲拋光工具，克服了超聲加工中工具頭尺寸的限制，可對(duì)直徑為2吋被拋光件的整個(gè)平面施加均勻的兆聲振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)被拋光件全局均勻的兆聲輔助拋光。兆聲拋光振子，如圖7所示。實(shí)際工作中，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生高頻超聲波，超聲波透過鋁匹配層材料的拋光頭并透過被拋光硅片作用于拋光界面，而被拋光件則通過拋光頭上的卡槽結(jié)構(gòu)水吸附于拋光頭上，進(jìn)而使被拋光件同工具頭保持運(yùn)動(dòng)一致。卡槽結(jié)構(gòu)，如圖8所示?？ú劢Y(jié)構(gòu)的加工須保證表面粗糙度及平面度要求，以滿足拋光過程中被拋光件拋光效果的一致性。

圖7 開槽結(jié)構(gòu)壓電拋光振子Fig.7 Slot Structure Piezoelectric Polishing Vibrator

圖8 硅片卡槽Fig.8 The Clamp Slot of Silicon Wafer

兆聲壓電拋光振子制作完成后，配以相應(yīng)的兆聲發(fā)生器，測(cè)量其硅片卡箍面的面振動(dòng)振幅，分析粘貼層、匹配層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)濫振是否對(duì)拋光振子的面振均勻性產(chǎn)生了影響。在拋光振子的硅片卡箍面相互垂直的兩條直徑上取點(diǎn)測(cè)量，每條徑的取測(cè)點(diǎn)間隔為6mm的9個(gè)測(cè)量點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)位置，如圖9所示。A向從A1到A9，B向從B1到B9。振幅測(cè)量結(jié)果，如圖10所示。振子輻射面振動(dòng)振幅基本保持一致，粘貼層、匹配層對(duì)振動(dòng)的影響可以忽略。

圖9 兆聲拋光振子面振動(dòng)振幅測(cè)量點(diǎn)位置Fig.9 Measuring Points on the Vibrator Surface

圖10 兆聲拋光振子面振振幅均勻性Fig.10 Amplitudes Uniformity of the Megasonic Polishing Vibrator

3 結(jié)論

（1）提出一種匹配層壓電換能器結(jié)構(gòu)的兆聲拋光振子，在振子的縱向尺度上進(jìn)行了高效聲能輻射的理論探討與振子設(shè)計(jì)。（2）在振子的橫向尺度上通過抑制徑向效應(yīng)的開槽結(jié)構(gòu)控制壓電振子的振動(dòng)模式，消除厚度振動(dòng)兆聲振子的寄生耦合振動(dòng)，使振子振幅趨于均勻化。（3）在制成兆聲拋光振子的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了其夾持硅片的卡箍結(jié)構(gòu)，并測(cè)量了兆聲拋光振子的表面振動(dòng)振幅，能夠滿足超聲化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光中對(duì)附加超聲工具振幅均勻性的要求，可對(duì)被拋光件全局施加高效、一致的兆赫頻超聲振動(dòng)作用。為高頻超聲復(fù)合加工的超聲工具設(shè)計(jì)與研究提供了可行的技術(shù)方案。

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