优化半绝缘GaAs双抛片精抛工艺的可行性探究

张雁敏

(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(GaAs)作为具有直接带隙的Ⅲ～Ⅴ族化合物半导体材料是第二代半导体材料的代表[1]，而半绝缘砷化镓(SI-GaAs)的抛光片更是作为微波大功率器件、低噪声器件等的重要衬底材料而被广泛应用[2]。面对当前发展形势，砷化镓材料的科研和生产部门应当抓住机遇，稳定提高产品质量，合理整合现有资源增加产能，尽可能降低成本创造效益，从而快速拓展市场。

1 试验目的

现有的半绝缘GaAs双抛片精抛工艺，是先后经由单面抛光和双面抛光的两步精抛法，其具体步骤为：首先将粗抛加工达标的半绝缘砷化镓，经由单面抛光机分2次抛光，依次将半绝缘GaAs双抛片的背面和正面由粗抛面加工为精抛面；由于单抛加工时半绝缘 GaAs双抛片的背面还残留有与无蜡垫接触留下的印记，还需双面抛光机做最后加工将其去除，最终成品流入清洗工序。现有精抛工艺的程序过于繁复，暴露出碎片率高、成品率低等缺点。相对于传统单面化学机械抛光过程，采用工件运动轨迹为行星运动轨迹的双面化学机械抛光，在有效控制平整度的同时，也可以有效控制纳米形貌[3]。因此，如果能在双面抛光机上直接加工出精抛面，就能克服上述缺点。为解决现有工艺存在的问题，解放设备、人力，节约物料，对双抛片精抛工艺进行优化探索。

2 试验部分

2.1 试验材料及设备

原材料：经过粗抛加工的半绝缘砷化镓双面抛光片，数量若干片，晶向＜100＞，直径(100±0.1)μm，厚度(625±1)μm。

对比组：与试验原材料同批次，且加工状态和几何尺寸一致，并按现有精抛工艺加工的半绝缘砷化镓精抛片成品若干片。

SPEEDFAM 9B双面抛光机。

2.2 精抛试验

抛光工艺参数和抛光液配比是抛光工艺中最为重要的 2项条件。本次试验只着重敲定了抛光压力、LP Speed、抛光时间、抛光液流量这 4个参数；抛光液沿用被广泛使用的 NaClO-SiO2系这一较为熟悉的类型[4]。

抛光压力和抛光转速都是抛光工艺中十分重要的参数，库黎明等[5]通过 Stribeck曲线，建立了压力-Hersey number-抛光液层厚度的关系，从而定性地表征了硅片表面与抛光垫的界面状态，并用试验验证了在固-液混合接触区内优化抛光工艺，使化学作用和机械作用达到平衡，从而可以得到最小粗糙度和峰谷值的硅抛光片的结论。苑泽伟等[6]认为在抛光盘转速增加的过程中，首先工件与抛光垫的相对运动速度变大，从而增强了机械活化作用；然而界面流体作用也在同时增强，最终外部载荷变为主要由流体压力承担，磨料对工件的机械作用反而减小；另外，抛光盘过高的转速也会导致抛光液过快甩离抛光垫。此外，将估算出能够去除粗抛层的时间作为此次精抛试验主程序的运行时间，并调大抛光液流量使之过量。

需要说明的是，相对于单面抛光机，双面抛光机结构更加复杂，控制抛光转速的参数有 3个，它们分别是SG Speed(Sun Gear Speed)、RG Speed(Ring Gear Speed)以及LP Speed(Lower Plate Speed)，其中最为关键的是LP Speed。另外需要说明的是，SPEEDFAM 9B双面抛光机的运行程序主要分 3个步骤，第 1、3步分别是逐渐加压加速和减压减速的过程，而第2步则是关键工艺步骤，称之为主要进程。

为了得到更加细致均一的表面，将 SiO2磨料从现用的 CM-S700A更换为粒度更小、稳定性更佳的型号NP8040；同时还将现用的抛光垫SUBA IV换成了硬度更小的抛光垫POLITEX HI。

通过上述讨论，设定双面抛光机主要参数为：抛光压力 40kg，LP Speed 60rpm/min，流量500mL/min，主要进程运行时间 300s。所用抛光液中NaClO∶磨料 SiO2∶高纯水的配比为 5∶4∶100。取片后清洗待检。

2.3 还原剂添加实验

在2.2运行精抛试验工艺后，发现部分试验片有轻微布印，这是主要进程运行结束至完成取片的过程中残留抛光液腐蚀晶片造成的。因此，在 2.2精抛实验工艺基础上，在抛光主要进程与第3段减压减速程序之间添加了一段低压力、低转速抛光进程，抛光压力 10kg，LP Speed 20rpm/min，停止抛光液的注入，并在此段共计 20s的进程时间内匀速注入 1500mL质量分数为5%的硫代硫酸钠。取片后清洗待检。

3 试验结果与讨论

3.1 试验组表面粗糙度

将 2.2精抛试验工艺所得试验组称为 A组，将2.1所述对比组称为 B组，并首先在强光灯下检验A组晶片的表面质量。晶片表面平整光亮，没有发现桔皮、损伤、划线、雾等缺陷，少量出现布印。然后使用OLYMPUS BX51M电子显微镜对比观察。结果如图 1所示，a、b、c依次为未经过精抛加工的半绝缘GaAs粗抛片、A组精抛试验片以及 B组对比片的200倍电子显微镜图片。

图1 200倍电子显微镜图片Fig.1 200 x electron microscope pictures

从图 1可以看出 2种精抛工艺都得到了令人满意的表面质量，粗抛片中表面粗抛的细微痕迹在经过任意一种精抛加工后都不见了踪影。

3.2 试验组TTV

从A、B组各抽6片晶片，在 LINT-208GA型几何尺寸测试仪(集成测厚模组)下测量几何参数。各组TTV及其均值记录如表1所示，图2是每组各1片TTV的三维和二维展示图谱。

从表1可以看出，A组实验组TTV均值略优于B组对比组TTV均值0.23μm；而TIR相当，只相差了 0.07μm。仔细观察还可以发现 A组 TTV数值较B组更集中，B组TTV数值呈离散状。

图 2展示出 2组晶片 TTV的差距主要在边缘处，2组边缘均有塌陷，但A组边缘比B组边缘更整齐，B组则有部分边缘过抛更严重一些。

表1 A、B组抽测TTV及其均值Tab.1 Group A and B sampling TTV and its mean

图2 各组TTV三维和二维展示图Fig.2 3D and 2D display of each group of TTV

结合表 1和图 2，可以肯定的是，由于双面化学机械抛光过程中晶片双面同时被加工，并且晶片自由度更高，因而相较单面化学机械抛光在晶片边缘的质量上有更好的表现，进而加工出的晶片有更好的TTV。同样可以肯定B组中离散数据的出现，是由于抽测片中含有返修片造成的，因为不止一次的次单面抛光过程会加重晶片边缘的过抛现象，拉低 TTV的整体表现。

3.3 还原剂对照结果

将2.2精抛工艺修改为2.3添加还原剂中和环节后，重复试验没有发现布印。这说明还原剂可以有效减少主要抛光进程结束后至取片的时间内抛光液对晶片的腐蚀，尤其对提高精抛环节的成品率有益。

4 结 论

此次精抛试验完成了对优化半绝缘砷化镓双抛片精抛工艺的可行性探究，验证了本次试验的精抛工艺在几何参数(包括 TTV和 TIR)方面优于现有工艺；表面质量方面在补充添加还原剂环节后，现有监测手段(强光灯和电子显微镜)下两者相当。

更深层次的工艺优化应该主要集中以下 2点：①在固化工艺的前提下，匹配好SG Speed、RG Speed和 LP Speed 3种速度。目前被广泛采用的双面化学机械抛光运动原理本质上属于一种复杂的行星式平面研磨抛光过程，SG Speed、RG Speed和 LP Speed三者不同的排列组合会对晶片表面质量，甚至对抛光垫的损耗产生各种影响[7-8]。②pH值调节剂、分散剂、表面活性剂等试剂，在提高晶片表面质量和几何参数上也起着不容忽视的作用。邹微波等[9]在文献中列举了大量有关 pH值调节剂、分散剂等抛光液组分的变化对CMP起到重要影响的事例。闫志瑞等[10]在试验中证明：在蓝宝石CMP过程中，由于FA/O型非表面离子活性剂的加入，降低了抛光液表面张力，减小了蓝宝石表面粗糙度，同时由于活性剂本身的吸附性和钝化性，在蓝宝石去除速率减小不明显的情况下实现了较高的高低去除速率差，利于实现蓝宝石全局平坦化。因此，完善抛光液配比，合理添加 pH值调节剂、分散剂、表面活性剂等试剂液是稳定产品质量的重要任务之一。未来可据此对工艺优化进行更深入探究。