超精密砷化鎵晶片拋光機的研制

徐 敏，師如華，李 明

（1.云南省機械研究設計院,云南省機電一體化應用技術重點實驗室，云南 昆明 650031；2.昆明臺興精密機械有限責任公司，云南 昆明 650202）

0 引言

砷化鎵（GaAs）具有高的電子遷移率和禁帶寬度，是微波、毫米波器件的理想材料，在國防及衛星通訊領域有極其重要的作用，是僅次于硅的重要的半導體材料。砷化鎵器件的性能除了與單晶體材料電學參數有關外還與晶片的表面特性有很大關系。在制造GaAs 集成電路的過程中，GaAs 基片的質量會直接影響光刻工藝水平，GaAs 基片的表面狀況對外延薄層材料也起著重要作用。研究表明,砷化鎵的表面質量對器件的性能有很大影響。

砷化鎵材料的制作是由純砷和鎵合成并生長為砷化鎵單晶材料，經過切、磨、拋光和清洗等工序制成單晶片。其中拋光工序是實現晶片最終超高精度的表面要求（晶片平面度不大于1μm；表面粗糙度Ra為0.006μm）的關鍵工序。該產業的發展和工藝需求推動了砷化鎵表面納米級拋光設備的研制和生產。超精密砷化鎵晶片拋光機就是完成砷化鎵晶片化學機械拋光工序的設備。

1 化學機械拋光（CMP）技術原理

化學機械拋光（CMP）技術是化學腐蝕作用和機械磨削作用協同效應的組合技術，它克服了單純化學拋光和單純機械拋光的缺點，綜合了兩者的優勢，把化學作用和機械作用結合起來，借助于超微粒子的機械研磨作用以及拋光液的化學腐蝕作用，在被研磨的介質表面上形成光潔平坦表面，成為半導體加工行業的主導技術。

CMP 機整個系統由一個旋轉的晶片夾持器、承載拋光墊的工作臺和拋光液輸送裝置三大部分組成?；瘜W機械拋光時，旋轉的工件以一定的壓力壓在旋轉的拋光墊上，由亞微米或納米磨粒和化學溶液組成的拋光液在晶片與拋光墊之間流動，拋光液在拋光墊的傳輸和旋轉離心力的作用下，均勻分布其上，在晶片和拋光墊之間形成一層液體薄膜，液體中的化學成分與晶片產生化學反應，將不溶物質轉化為易溶物質，然后通過磨粒的微機械摩擦將這些化學反應物從晶片表面去除，溶入流動的液體中帶走，即在化學成膜和機械去膜的交替過程中實現超精密表面加工，從而達到平坦化的目的。CMP 可以用Preston 方程式來表示：

式中，H—凸出部分的高度；t—拋光時間；L—壓力；A—接觸面積；s—相對位移量；Kp為Preston 常數（機器性能參數）。由方程式可見，晶片表面的去除速率與晶片和拋光墊的相對速度及拋光壓力成正比。在拋光過程中，除了機構參數及拋光墊特性的影響外，拋光區域溫度及拋光液中磨料顆粒大小、粘度、溶液pH 值等參數均會對平坦化效果造成重要影響。就拋光設備而言，當晶片和拋光墊表面的相對速度、壓力及拋光液供應穩定時，晶片會被均勻的拋光。

2 超精密砷化鎵晶片拋光機的結構組成

圖1 CMP 示意圖Fig.1 CMP schematic diagram

超精密砷化鎵晶片拋光機主要用于砷化鎵、藍寶石襯底等硬脆性材料表面納米級拋光。拋光壓力、上下盤轉速、拋光液流量、拋光盤溫度、拋光時間等主要的工藝參數可以根據需要進行設置和調整。拋光過程中各參數在不同階段可設定不同數值并采用程序自動轉換。主要由拋光盤組件、拋光頭組件、拋光液流量控制系統、機架、電氣控制操作系統等組成，如圖2所示。

3 關鍵技術

（1）拋光相對轉速控制。拋光過程中，不同的階段對上下盤的轉速要求也不盡相同，在拋光的初始階段，由于材料表面粗糙度較低，極易造成拋光墊的快速磨損和損傷，一般要求要慢啟動低轉速，而在拋光的中間過程，為了提高拋光效率達到較高的去除率，要求轉速相對較高。上下盤驅動均采用變頻器加變頻電機來完成，可實現平穩啟動和停止的工藝要求，采用PLC 模擬量加數字量控制，模擬量控制轉速，數字量控制方向，整個過程中速度的變換由程序自動控制完成。

圖2 超精密砷化鎵晶片拋光機外形圖Fig.2 Ultra-precision GaAs wafer polishing machine outline drawings

（2）晶片夾持方式。晶片夾持固定技術有多種方案，比較成熟且常用的方法有機械夾持與石蠟粘結、靜電吸盤夾持、真空吸盤夾持等。砷化鎵晶片硬度較低，易于氧化，采用無蠟拋光方式較難保證晶片背表面質量。因此該產品拋光過程晶片夾持選擇機械夾持與石蠟粘結相結合方法，將承片盤通過紅外線加熱，采用石蠟將晶片固定于陶瓷承片盤上，冷卻后將承片盤用機械鎖緊機構夾持在上固定盤上。

（3）拋光液供給系統。拋光液供給系統采用超潔凈管道與拋光液箱體連接，拋光液流量大小、供給時間通過蠕動泵進行控制。

（4）防腐處理。拋光液是一種強腐蝕溶液，會對接觸到拋光液的設備外露金屬表面進行銹蝕，降低設備使用壽命；腐蝕了金屬的廢液污染到拋光晶片上會造成劃傷，影響加工質量；且會對周圍環境和操作工人身體健康造成危害。設計中接觸拋光液部分采用特殊的防腐材料316L 不銹鋼、陶瓷、聚四氟乙烯、有機玻璃等，外露的部分刷防銹漆，涂防銹油、縫隙填密封膠等表面處理技術，有效控制腐蝕的發生。

4 創新點

（1）拋光頭組件創新性采用電動油缸、壓力反饋控制模式，實現拋光頭的升降及下壓力的控制，拋光壓力可以控制在±2.5kg 內。

拋光過程中的下壓力是影響加工工件表面質量的重要因素之一，在加工過程中起到重要作用。由于晶片生產廠家使用的拋光液配方及拋光墊的不同，下壓力也是有所區別，若壓力較小，砷化鎵晶片懸浮于拋光布上，不能使晶片與拋光墊有效接觸，從而使晶片表面拋光不均勻，平整度變差。如果這個力過大，拋光墊和晶片間的摩擦力就非常大，可能將晶片壓碎、翹曲變形，拋光材料也可能使晶片表面劃傷。為了滿足工藝要求，在拋光機的設計過程中充分考慮拋光工藝的壓力調整需要，采用較大的壓力調整范圍。并具有可靠和穩定的壓力調整性能，項目開發中對壓力控制這一關鍵技術進行攻關研究。

傳統拋光機是以氣缸運動來實現上拋光頭的升降，并保持壓力前行拋光。由于氣動裝置工作壓力低，輸出力受到限制，壓力調整的范圍非常有限。加之因空氣的可壓縮性較大，氣動裝置的動作穩定性較差，拋光壓力只能控制在±8kg 內。

為了克服調壓范圍小，壓力穩定性欠缺的問題，創新性采用電動油缸實現上拋光頭的升降，并保持壓力前行拋光。通過變頻器加變頻電機帶動絲杠螺母將旋轉運動轉化為絲杠的垂直移動，為了獲得較高的加工效率的同時減小拋光頭與拋光墊的接觸瞬間沖擊力及控制保持壓力前行拋光的進給速度，拋光頭組件空行程階段快速升降，靠近拋光墊時設置接近開關，自動轉換程序變為慢速進給。拋光壓力控制采用壓力反饋控制模式，該機構改進后拋光壓力可以控制在±2.5kg 內，實現了拋光頭下壓力的準確控制。

（2）拋光盤采用集中冷卻裝置，實現拋光盤溫度控制。采用化學機械拋光，CMP 在加工過程中，拋光液無論是酸性液體還是堿性液體，在對晶片的化學反應中都是放熱反應，會造成溫度的上升，同時由于拋光過程強摩擦以及下盤液壓軸盤的摩擦，會產生大量的熱量，以及拋光頭和拋光盤的旋轉均具有做功的情況，所以有能量的釋放，也會造成溫度的上升，溫度上升就會使化學反應速度急劇增加，從而使機械作用和化學作用不能達到合理的平衡點，造成不均勻的拋光去除率。加之當溫度高于40℃時，粘接晶片的蠟將可能融化，出現掉片、碎片現象。所以對拋光過程中的溫度控制是非常重要的。

該拋光機采用冷卻水循環的方式對拋光盤進行溫度控制，拋光過程中磁力泵將冷卻水箱中的水經主軸空腔內的管道輸送到拋光盤的腔體內，經循環后將拋光盤表面的熱量帶走，使拋光盤溫度降低，從而達到拋光盤溫度控制的目的。

圖3 冷卻裝置整體結構圖Fig.3 The overall configuration diagram of the cooling devices

拋光盤內部結構如圖3所示由上層不銹鋼材質的下拋光盤01 和下層的冷卻水盤02 連接而成，冷卻水盤內側加工有水槽如圖4所示，水槽的兩端匯集在盤中心并分別連接回水管18 和進水管17；回水管和進水管采用大小管相套的套疊結構，套管下端密封連接在帶三通口的水管座上，兩個通道分離的接口分別連接回水管接頭和進水管接頭。

圖4 冷卻水盤的水槽結構圖Fig.4 The sink block diagram of the cooling water tray

5 結論

通過了解化學機械拋光（CMP）技術原理，分析出拋光盤的相對速度、壓力及拋光液供給是影響晶片拋光質量的主要因素。在此基礎上，設計出該超精密砷化鎵晶片拋光機，樣機試制完成后，進行砷化鎵晶片的拋光試驗。在22℃恒溫車間，試驗拋光液由天津市英特鋁半導體科技有限公司提供，經過反復試驗，當下壓力控制在30kg，上盤轉速控制在30～60r/min，下盤控制在70～80r/min，砷化鎵晶片拋光效果較好，晶片平面度不大于1μm；表面粗糙度Ra為0.006μm。下一步將與設備用戶一起試驗獲取各種拋光液、各種尺寸規格晶片、拋光壓力大小和拋光旋轉速度快慢之間的參數最優化方案。根據用戶拋光工序的需求，不斷的改進完善該產品。

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