碲鋅鎘晶片表面精密拋光系統(tǒng)研究

趙 祥，張文斌，張世民，高 岳

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京100176)

表面精密拋光技術(shù)是碲鋅鎘晶片表面平坦化的關(guān)鍵工藝技術(shù)。碲鋅鎘（Cadmium zinc telluride，縮寫為CZT）是一種性能優(yōu)異的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，是碲鎘汞材料外延生長(zhǎng)的優(yōu)良襯底，需要具有完整的超光滑表面。隨著實(shí)際應(yīng)用對(duì)晶片表面質(zhì)量要求的不斷提高，需要研制專用的表面精密磨拋設(shè)備，選擇相應(yīng)的表面磨拋技術(shù)。

目前，CZT 晶片拋光方法主要有機(jī)械雙面拋光、表面精密拋光和化學(xué)拋光[1]。機(jī)械雙面拋光是晶片上下兩面在液體磨料、拋光墊及加壓作用下，采用兩面磨拋裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)CZT 晶片的拋光，去除晶片表面損傷層，提高表面平整度，降低表面粗糙度；化學(xué)拋光是在拋光過程中加入化學(xué)腐蝕液腐蝕晶片表面，有利于減小晶片表面粗糙度；表面精密拋光是介于機(jī)械雙面拋光和化學(xué)拋光之間的工藝環(huán)節(jié)，用于去除上一步工序機(jī)械雙面拋光損傷層及改善晶片的表面質(zhì)量，進(jìn)一步提高晶片表面平坦度。

1 表面拋光的工藝過程和技術(shù)原理

1.1 晶片表面拋光的工藝過程

CZT 晶片表面拋光階段，采用底盤+ 絨毛拋光布+專用拋光液的方式，主要是消除研磨時(shí)形成的損傷層，達(dá)到所要求的精度。借助于超微粒子的機(jī)械研磨作用，在被研磨的晶片表面上形成光潔平坦表面，成為半導(dǎo)體加工業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)。

表面拋光系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)的晶片承載器、承載拋光墊的拋光盤及其主軸總成、擺動(dòng)系統(tǒng)和拋光液輸送裝置四大部分組成。拋光過程中，拋光盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)承載器轉(zhuǎn)動(dòng)，加上擺臂的切向擺動(dòng)和水平驅(qū)動(dòng)，使樣品底面受到來自3 個(gè)方向各成120°角的摩擦力的作用，同時(shí)，晶片在拋光液顆粒、拋光墊及承載器加壓作用下，達(dá)到表面去除材料的目的，從而大幅提高晶片表面質(zhì)量。表面拋光系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 表面拋光系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 晶片表面拋光技術(shù)原理

CZT 晶片表面拋光時(shí)，真空吸附晶片的承載器旋轉(zhuǎn)時(shí)以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，帶有金剛石懸浮顆粒的拋光液在晶片與拋光墊之間流動(dòng)，拋光液在拋光墊的傳輸和旋轉(zhuǎn)離心力的作用下均勻分布，在晶片和拋光墊之間形成一層液體薄膜，液體薄膜中含有金剛石懸浮顆粒，晶片通過液體薄膜與拋光墊進(jìn)行多方向拋光，從而達(dá)到晶片的平坦化目的。CZT 的表面拋光過程可以用Preston 方程式[2]來表示：

式(1)中，H 為晶片表面凸出部分的高度；t 為拋光時(shí)間；L 為晶片所受壓力；A 為晶片接觸面積；s 為相對(duì)位移量；Kp為Preston 常數(shù)。通過方程式可以看出，晶片表面的去除速率與晶片和拋光墊的相對(duì)速度及拋光壓力成正比，增大壓力，機(jī)械磨削作用加強(qiáng)，去除率提高，但是壓力過大影響材料表面拋光液的均勻分布，導(dǎo)致去除率不均勻、拋光墊磨損過快、拋光區(qū)域溫度升高、出現(xiàn)劃痕的幾率增加等，從而降低了拋光質(zhì)量，不易獲得較好的表面光潔度，且易產(chǎn)生碎片現(xiàn)象。小壓力可獲得較好的拋光表面，但是去除率會(huì)減小，生產(chǎn)效率降低。在拋光過程中，除了機(jī)械參數(shù)及拋光墊特性的影響外，拋光區(qū)域溫度及拋光液中磨料顆粒大小、黏度、溶液pH 值等參數(shù)均會(huì)影響晶片拋光后的平坦效果。

2 關(guān)鍵部件

2.1 拋光盤主軸及其水冷卻控制系統(tǒng)

針對(duì)CZT 晶片軟脆、易碎的特點(diǎn)，高精度主軸是表面精密拋光設(shè)備的關(guān)鍵部件，主軸性能（端面跳動(dòng)≤2 μm）直接影響軟脆性晶片的拋光質(zhì)量（拋光后總厚度偏差DTTV≤2 μm，表面粗糙度Ra≤5 nm），要求其具有較高軸向和徑向旋轉(zhuǎn)精度以及旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

2.1.1 主軸系統(tǒng)

主軸運(yùn)行由驅(qū)動(dòng)部分控制，其主軸轉(zhuǎn)速為0～150 r/min，連續(xù)可調(diào)，這一速度變化范圍有效保證不同硬度與尺寸樣品的拋光速率。拋光盤表面經(jīng)過特殊處理，可防化學(xué)液腐蝕，具有溫度控制功能，可消除拋光過程中產(chǎn)生的熱量。拋光盤主軸結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 拋光盤主軸結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 水冷卻系統(tǒng)分析

拋光盤上端面經(jīng)過承載器摩擦產(chǎn)生摩擦熱，由于承載器在自轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著拋光盤表面移動(dòng)，拋光盤整個(gè)上端面受熱均勻。其上端面產(chǎn)生的熱流量Q 為：

研究拋光盤溫度控制技術(shù)，采用溫度控制水箱+拋光盤托盤冷卻環(huán)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而控制拋光盤溫度。拋光盤選用05Cr17Ni4Cu4Nb 材料，具有高強(qiáng)度、硬度和抗腐蝕等特性，其物理特性如表1 所示。

表1 拋光盤材料屬性

拋光盤通過螺栓緊固在拋光主軸上，上端承受承載器及負(fù)載壓力的同時(shí)下端也受到拋光盤水道中冷卻水的壓力，為防止水壓對(duì)拋光盤造成形變，利用ANSYS 軟件對(duì)拋光盤水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，如圖3 所示，分別對(duì)拋光盤在0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa 的水壓情況下進(jìn)行分析，分析得出圓盤在最大0.4 MPa 水壓和研磨下壓力為30 N 的載荷下，變形量為0.17 μm，這對(duì)圓盤變形幾乎沒有影響，詳細(xì)結(jié)果見表2。

圖3 拋光盤水冷卻應(yīng)變分析

表2 拋光盤水冷卻應(yīng)變分析結(jié)果

2.2 承載器壓力精密控制系統(tǒng)

承載器是固定晶片且對(duì)其加壓的關(guān)鍵部件，晶片在表面精密拋光前需要先進(jìn)行粘片，粘貼到玻璃基板上，通過玻璃基板真空吸附在承載器真空吸盤上，如圖4 所示。

圖4 承載器吸附玻璃基板及晶片

2.2.1 承載器結(jié)構(gòu)組成

承載器主要由真空吸盤、承載器外環(huán)、真空吸盤固定座、壓力調(diào)節(jié)彈簧和壓力調(diào)節(jié)螺母等部件組成，如圖5 所示。采用壓力調(diào)節(jié)彈簧實(shí)現(xiàn)壓力精密控制，0～50 N 連續(xù)可調(diào)。機(jī)械結(jié)構(gòu)保證承載器吸附的晶片表面始終與拋光墊接觸，晶片表面各點(diǎn)受壓均勻，提高了表面拋光總厚度偏差（DTTV）指標(biāo)。

圖5 承載器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 承載器加壓原理

彈簧均壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由彈簧緩沖機(jī)構(gòu)、半固著承載器上的真空吸盤組成。當(dāng)晶片受到拋光壓力時(shí)，由于半固著承載器上的真空吸盤已與晶片接觸，故可以將其質(zhì)量等效加入彈簧的形變中，此時(shí)可將彈簧均壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)等效為彈簧- 阻尼系統(tǒng)。承載器系統(tǒng)產(chǎn)生的拋光壓力F 可表示為：F = G-K·X，其中，G 為承載器最大加載質(zhì)量，X 為彈簧長(zhǎng)度，K 為彈簧的剛性系數(shù)，如圖6所示。

圖6 承載器彈簧均壓示意圖

2.2.3 承載器壓力對(duì)晶片拋光質(zhì)量的影響

在承載器加壓的作用下，CZT 晶片被壓緊在拋光墊上，在旋轉(zhuǎn)的拋光盤作用下，CZT 晶片與拋光墊相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)拋光壓力增加時(shí)，使得晶片表面與拋光墊的有效接觸面積增加，晶片表面所受的作用趨于均勻，晶片的平整度指標(biāo)得到優(yōu)化；當(dāng)壓力繼續(xù)增加，CZT 晶片會(huì)漸漸陷于拋光墊中，使得晶片正下方拋光墊中的拋光液被擠出，造成拋光晶片塌邊現(xiàn)象，晶片整個(gè)表面受力不均勻，進(jìn)而增大晶片的平整度指標(biāo)。

通過對(duì)表面平整度為5 μm 的5 片晶片分別進(jìn)行10 N、20 N、30 N、40 N、50 N 壓力拋光實(shí)驗(yàn)，拋光后晶片表面平整度測(cè)試結(jié)果如表3 所示。拋光壓力大小與晶片平整度呈非線性關(guān)系，如圖7所示。當(dāng)拋光壓力為20～30 N 時(shí)，晶片的拋光質(zhì)量良好。

表3 拋光壓力與晶片平整度的數(shù)據(jù)關(guān)系

圖7 拋光壓力F 與晶片平整度σ 的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語

通過對(duì)表面拋光工藝過程和技術(shù)原理的研究及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)分析，研制出表面精密拋光系統(tǒng)，為減小晶片表面損傷深度、提高晶片平整度和表面質(zhì)量提供了重要保障。