碲锌镉晶片精密抛光效果的影响因素分析

2022-12-30种宝春徐品烈张文斌

电子工业专用设备 2022年5期

种宝春，徐品烈，张文斌

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

碲锌镉晶片是碲镉汞红外焦平面探测器的衬底材料，通过碲化镉和碲化锌多晶体颗粒经过高温熔融生长单晶体，再经过切磨抛等精密加工制作而成，其密度为5.8 g/cm3，莫氏硬度值为2.3左右，具有软脆的特性[1]。碲和镉在形成晶体时，由于锌的存在，调整了晶格常数，增强碲和镉在形成晶体时化学键的稳定性，从而使得晶体在低位错密度生长，增加了禁带宽度，提高电阻率，是宽禁带三元化合物半导体材料。

碲锌镉晶片采用化学机械抛光的主要目的是为了消除晶体表面的损伤层、微裂纹、加工产生的错位、残余应力等缺陷，获得平面度高和粗糙度小的光滑平面。晶体表面的损伤层、微裂纹、加工产生的错位、残余应力等缺陷如果转移到碲镉汞液相外延的碲镉汞薄膜中，会导致红外焦平面器件的失效。因此，化学机械抛光超精密加工是红外焦平面器件制造过程非常重要的工序之一[2]。

1 碲锌镉晶片抛光机械运动

实现碲锌镉晶片的抛光运动是由抛光盘转动、抛光晶片承载器转动、抛光晶片承载器的摆动及抛光晶片承载器旋转驱动组成的。晶片抛光过程中，抛光盘的转动带动承载器转动，加上摆动臂的切向摆动和水平驱动，使晶片受到来自3个方向各成120°角的摩擦力的作用，同时，晶片在抛光液颗粒、抛光垫及压力作用下，达到表面去除材料的目的。

1.1 碲锌镉晶片的抛光机械机构与功能

碲锌镉晶片的抛光机械结构由抛光盘、抛光晶片承载器和摆动臂三部分构成，如图1所示。

图1 抛光机械结构

1.1.1 抛光盘

抛光盘上粘贴着抛光垫，抛光盘内有冷却水循环槽，循环的冷却水保证抛光盘温度的恒定，抛光盘安装到抛光轴上，抛光轴由电机驱动转动，如图2所示。

图2 抛光轴驱动

1.1.2 承载器

由于碲锌镉材料的软脆性，碲锌镉晶片的抛光压力必须精确控制。抛光晶片承载器能够实现抛光压力调整。经过双面研磨后的碲锌镉晶片粘接到玻璃基板上，粘接碲锌镉晶片的玻璃基板吸附到抛光承载器的真空吸盘上，放到粘着抛光垫的抛光盘上进行抛光。作用于晶片上的抛光压力是来自于抛光承载器真空吸盘的自身重量，抛光压力的大小通过压力调节螺母推动压力调节弹簧，压力调节弹簧承担了部分真空吸盘的自身重量，实现了对抛光压力的调节，如图3所示。

图3 承载器结构

1.1.3 摆动臂

摆动臂的功能是拖动抛光晶片承载器在抛光盘上沿径向移动。摆动臂的摆动由电机和减速机驱动，可以精确地定位和加减速控制，实现摆动速度平稳。摆动臂装有旋转电机，旋转电机参与抛光晶片承载器的转速控制，同时摆动臂上安装位置检测器，可以实现对抛光晶片承载器的位置监测，如图4所示。

图4 摆动臂结构

1.2 抛光过程材料的去除

碲锌镉晶片在抛光抛过程中，滴入抛光液。抛光液是由化学试剂和磨料组成。在抛光过程中，碲锌镉晶片表面与化学试剂进行化学反应，生成络合物，在抛光液中的磨料、抛光盘、抛光晶片承载器的机械作用下，对络合物进行去除，并显露出新的材料表面进行化学反应，周而复始实现化学机械抛光。当机械去除速率和腐蚀速率相等时，得到均匀的抛光去除率。

抛光机械运动对抛光去除率是有影响的，如图5所示。在抛光过程中，抛光盘在做圆周运动，晶片在抛光盘的驱动下做圆运动，如果晶片上的各点与抛光盘的相对速度相等，则晶片获得的机械作用相等，获得均匀的去除率。

图5 晶片抛光运动

A点相对速度为：

B点相对速度为：

当

ωp：抛光盘的角速度

ωc：抛光晶圆片的角速度

R：抛光晶圆片中心与抛光盘中心距离

r：抛光晶片半径

从公式(1)能够看出，当抛光盘角速度与抛光晶片角速度相等时，抛光晶圆片上的各点的相对速度相等，获得均匀的抛光去除率。

1.3 抛光运动的各项参数

抛光压力P，抛光过程中施加于晶片上的压力。抛光压力和去除率是成正比，在对碲锌镉晶片进行抛光时，由于碲锌镉材料的软脆性，碲锌镉晶体晶片在抛光时需要小的抛光压力。抛光压力的大小可以通过电子天平进行测量标定，测量精度精确到1 g。

抛光盘转速N，抛光盘的转动是抛光过程的动力来源，抛光盘旋转速度与抛光速率有关，转速越高抛光速率越快。

摆动臂频率f，摆动臂在抛光过程中，做摆动运动，推动抛光晶片承载器沿抛光盘径向方向移动。摆动臂频率f对晶片的抛光后平整度有影响。驱动轮转速n，驱动轮在摆臂上由电机驱动，驱动轮的转动速度可以改变抛光晶片承载器的转速，对抛光晶片表面的平整度有影响。

抛光液流量L，在抛光过程中要不断地滴入抛光液。抛光液的流量对抛光效果具有非常大的影响，流量需要精确地控制。抛光液过量造成抛光去除不彻底，晶片表面具有腐蚀物的残留，不能得到良好的表面平整度同时造成经济上的浪费。抛光液不足造成去除率下降，达不到尺寸要求。

抛光时间t，决定了抛光效率，最好的抛光工艺是用最短的时间达到抛光要求。

2 碲锌镉晶片抛光工艺参数的实验设计

碲锌镉晶片尺寸的不同对应的抛光工艺参数配方也不一样。工艺参数的确定需要进行工艺实验，将获得合格抛光指标的工艺参数配方固化。

2.1 机械运动参数的作用和影响

碲锌镉晶片的抛光要求有：抛光去除厚度、抛光表面的粗糙度和抛光表面的平面度。抛光去除厚度是晶片抛光前与抛光后晶片厚度差值，抛光后的晶片厚度必须达到要求尺寸。抛光表面要达到超级光滑表面，晶片平面度TTV要达到要求。机械运动抛光工艺参数如表1所示。

2.2 工艺参数的实验设计

通过实验获得最佳的抛光工艺参数配方。根据抛光后的最终要求进行工艺参数的实验，各工艺参数对抛光工艺指标的影响进一步细化，如表2所示。

表2 抛光工艺指标的影响因素

从表2中看出，评估抛光效果有3个指标，影响因素有6个变量。抛光压力P、抛光盘转速N、抛光时间t是影响去除厚度的变量；摆动频率f、抛光液流量L和驱动轮转速n是影响平整度的变量；抛光液流量L、抛光时间t是影响表面光洁度的变量。

以相同规格尺寸的晶片作为样本进行实验。首先采用单因素设计法，对抛光压力P以及抛光盘转速对抛光去除厚度的指标进行实验考察，以最短时间作为优选，对抛光压力和抛光盘转速进行标定。对抛光压力P以及抛光盘转速参数可采用黄金分割法或者对分法进行实验。

对其他的变量采用正交法进行实验。正交实验表如表3所示。

表3 正交实验表

对实验后的测量值采用直接分析法，选择最佳的抛光工艺配方。

3 碲锌镉晶片抛光缺陷分析

3.1 抛光面划伤

抛光后晶片表面出现划伤现象，说明在抛光过程有大颗粒物质参与了抛光，大颗粒物质的来源首先考虑是环境因素；其次考虑是抛光液。解决办法是清洗抛光垫，选择优良合格的抛光液，抛光作业必须在洁净的环境中防止灰尘介入。

3.2 抛光去除厚度

抛光后晶片厚度尺寸不合格，有2种情况，一种是抛光后晶片厚度尺寸小，是因为抛光过量，另一种情况是晶片厚度尺寸大，是因为抛光不足，需要调整抛光工艺参数。

3.3 抛光晶片平面度

抛光后晶片的平面度（TTV）不合格，一般会有3种情况，晶片中心凸起，中心凹陷、边沿凹陷。对于前两种情况首先是由于抛光晶片承载器引起，晶圆承载器的吸盘平面度不合格，具有凹陷或凸起状况，在工作时真空吸盘吸附粘接晶片的玻璃基板，引起玻璃基板变形，抛光结束后真空解除，玻璃基板恢复到以前状态，造成抛光晶片平面的凹陷或凸起。通过精密研磨抛光晶片承载器，使晶片承载器的支撑环底面与真空吸盘平面在同一平面且平面度合格。对于抛光晶片边缘凹陷的情况主要是抛光工艺引起，调整抛光工艺配方中的驱动轮转速n，可以改变抛光后晶片的平面度。