抛光转速对砷化镓双面抛光片表面平整度的影响

李穆朗

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

砷化镓是继硅之后的第二代半导体材料，适用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，被广泛应用于雷达通讯、精确制导、新一代卫星通信等装备系统。受制造成本因素的驱动，砷化镓晶片尺寸逐渐增大，晶片厚度向超薄化发展，对其面型精度的要求也不断提高。晶片总厚度变化量(TTV)是检验加工水平的一项重要指标，并直接影响后续各项应用产品的最终质量。

1 抛光方式的选取

CMP是砷化镓晶片加工的主要方式，其基本原理是砷化镓晶片在一定压力下，以抛光液(含有 SiO2磨粒的氯系溶液)作为去除介质，依靠机械磨削和化学腐蚀的交替作用完成抛光[1-2]。目前CMP技术主要分为单面抛光和双面抛光。单面抛光主要针对单面抛光片，在进行双抛片加工时，单面抛光技术对于晶片总厚度变化的控制是比较困难的，而在双面抛光过程中，晶片被置于游星轮内，在内外齿圈的带动下转动，同时上下抛光盘反向旋转，对晶片正背面同时进行均匀去除，如图1。

图1 双面抛光机工作示意图Fig.1 Working diagram of double-sided polishing machine

2 实验材料与设备

2.1 实验材料

本文实验中所用砷化镓均为 VGF法生长的 N型＜100＞晶片，直径(100±0.1)µm，片厚度为(700±5)µm，电阻率≥5,kΩ·cm。

2.2 实验与测试设备

2.2.1 实验设备

实验使用的抛光设备为 SPEEDFAM 公司生产的 9B-5L/P(3MOTOR)双面抛光机。9B-5L/P抛光机主要应用于 2～4,in砷化镓晶片的双面抛光，其内齿圈半径为 100,mm，齿数 100，外齿圈半径为325,mm，齿数 280。根据机型与盘面直径，抛光机每次可抛光6～10片。抛光布选用美国Rodel公司生产的 SubaⅣ抛光布，实验采用氯系抛光液，pH值 10～12，硅胶颗粒粒径 85,nm。抛光后对晶片进行清洗去除表面残留的抛光液和有机杂质。

2.2.2 测试设备

实验使用的测试设备为美国康宁公司生产的Autoselect 8020几何参数测试仪，主要进行晶片表面几何参数的高精度检测，并输出三维表面形貌及TTV分布图。

3 实验方案

本实验主要讨论不同抛光盘及内外齿圈转速对砷化镓抛光片总厚度变化的影响，抛光液主要成分为氯系氧化剂、SiO2胶体和水，抛光压力固定，各抛10片。

方案一：设定内、外齿圈转速比为 1.8∶1，内齿圈固定转速为18,rpm，外齿圈固定转速为10,rpm，上下盘转速按比例1∶2.5，转速逐渐增加，如表1。

表1 不同抛光盘转速设定Tab.1 Speed setting for different discs

方案二：设定上、下盘转速比为 1∶2.5，上盘固定转速为 13,rpm，下盘固定转速 32.5,rpm，内外齿圈转速按比例1.8∶1，转速逐渐增加，如表2。

表2 不同内外齿圈转速设定Tab.2 Different speed settings of inner and outer ring gear

4 结果和讨论

图2、3为不同转速对晶片去除速率的影响。

图2 不同抛光盘转速下的去除速率Fig.2 Removal rates of different disc rotating speeds

图3 不同内外齿圈转速下的去除速率Fig.3 Removal rates at different speeds of inner and outer ring gears

由图可以看出，当内外齿圈转速固定时，随着抛光盘转速值增加，抛光去除率不断增加，且成正比关系。当抛光盘转速固定时，随着内外齿圈转速值增加，抛光去除速率增加略有减小，但减小幅度很小。综合分析图2和图3，内外齿圈转速对材料去除速率的影响较小，抛光盘转速对材料去除速率影响较大，且抛光盘转速对于去除速率的影响较内外齿圈转速更加明显。

图 4和图 5分别为不同抛光盘转速下抛光片的表面全局平整度和局部平整度结果，其中在图5中每个小方格内的数字表示砷化镓晶片表面上 20,mm×20,mm范围内的局部平整度。

图4 不同抛光盘转速下晶片全局平整度(a、d、g转速从小到大)Fig.4 The overall flatness of the chip(the speeds of a，d，g vary from low to fast)at different discs at the rotational speed of the discs

图5 不同抛光盘转速下晶片局部平整度(a、d、g转速从小到大)Fig.5 The local flatness of the chip(the speeds of a，d，g vary from low to fast)at the rotational speed of different discs

表3 a、d、g组抛光盘转速下几何参数Tab.3 Geometric parameters of a，d and g groups at the rotational speed of discs

从表 3可见，采用a组转速组合进行抛光，平均全局平整度为 1.192,µm，边缘局部平整度平均值为0.790,µm。而采用较高转速后，从图 4和 5可以看出抛光砷化镓片两中心平整度均变化不大，而边缘平整度增加明显，提高了整体表面平整度。这主要是由于晶片的运动轨迹主要集中在抛光布中心的环状区域内，转速越快对抛光布中心的磨损越严重，相对中心晶片边缘的去除速率就会加快[3]。

对比三组转速组合抛光砷化镓晶片的表面几何参数，由于内外齿圈转速对材料去除速率的影响较小，因此优化抛光盘转速可使抛光轨迹更加均匀，从而有效改善砷化镓双抛片的表面质量，尤其是晶片边缘的局部平整度，满足由于集成电路线宽变小带来的对砷化镓双抛片表面平整度的更高要求。

5 结 论

砷化镓双抛片CMP过程是化学与机械交互作用的过程，化学作用在晶片表面形成的氧化层需要通过晶片与抛光布及磨粒的机械作用去除，因此根据固定转速比对抛光盘和内外转速进行实验，结果表明抛光去除量与抛光盘转速成正比，内外齿圈转速对于去除速率影响较小。

砷化镓双抛过程中，晶片的运动轨迹主要集中在抛光布中心的环状区域内，较高的抛光盘转速会造成抛光布中心部分的磨损，导致边缘去除速率高于中心，进而增加晶片的表面平整度。

[1]孙禹辉，康仁科，郭东明，等. 化学机械抛光中的硅片加持技术[J]. 制造技术，2004，29(4)：10-14.

[2]库黎明，李耀东，周旗钢，等. 双面抛光工艺中压力对 300,mm硅片表面形貌的影响[J]. 稀有金属，2006，30(12)：134-137.

[3]杜家熙，苏建修，万秀颖，等. 单晶硅片化学机械抛光材料去除特性[J]. 北京科技大学学报，2009，31(5)：608-611.