超聲振動協同化學輔助固結磨粒拋光技術的開發*

劉曼利　楊衛平　吳勇波

(①江西農業大學工學院，江西 南昌 330045；②日本秋田縣立大學系統科學技術學部，秋田 015-0055)

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超聲振動協同化學輔助固結磨粒拋光技術的開發*

劉曼利①楊衛平①吳勇波②

(①江西農業大學工學院，江西 南昌 330045；②日本秋田縣立大學系統科學技術學部，秋田 015-0055)

傳統化學機械拋光是硅片獲得超光滑表面的常見加工方法，這種游離磨粒的化學機械拋光的加工效率及加工表面質量低，加工時需大量使用對環境污染嚴重的化學拋光劑，特別是硅片直徑的不斷增大而導致加工困難等方面所表現的問題越來越突出。因此提出了一種超聲橢圓振動協同化學作用輔助固結磨粒的復合拋光硅片新技術，并對此加工機理進行了理論分析。研制了復合拋光裝置，對拋光工具設計進行了詳細論述，在此基礎上開展了硅片復合拋光與傳統拋光的對比試驗研究。試驗結果表明，在相同的試驗條件下，復合拋光技術不但硅片拋光表面質量得到改善，而且拋光效率也得到提高。該方法為硅片的精密加工探索了一種新方法。

超聲橢圓振動;化學作用;固結磨粒;拋光;硅片

社會和科學技術的不斷進步，集成電路(integratedcircuit-IC)在人們日常生活和生產當中的應用越來越廣泛，它的發展極大地推動了航天航空技術、通訊技術、計算機及家用電器等產業的迅猛發展，已成為經濟發展的命脈、社會進步的基礎、國際競爭的籌碼及國家安全的保障[1-2]。在IC制造的工序中，需將單晶硅棒切割成的晶片加工成具有高表面質量和高面型精度的原始硅片，為光刻等工序準備平坦、超光滑和低損傷的襯底表面。經過切割而得的硅片，由于硅片材料特性會在硅片表面產生殘余應力，殘留切痕、微裂紋、晶格畸變等大量的機械損傷，損傷層深度達10～50μm，這些問題主要通過研磨工藝加以消除或減小。硅片通過研磨加工可獲得較高的面型精度，但表面粗糙度值較大，仍還有4～8μm的損傷層，最后還需通過化學機

械拋光(chemicalmechanicalpolishing-CMP)工序獲得超光滑無損傷表面[3-4]，這使得研磨加工成為硅片拋光之前，能有效改善硅片的曲度、平坦度及平行度等的關鍵工藝。但由于傳統研磨加工會產生較深的表面損傷層，腐蝕去除損傷層的過程不易穩定控制，加工過程中硅片的翹曲變形和易破碎等[5]，從而增加了加工成本高且加工效率低的CMP工作量。再加上IC的集成度越來越高，硅片的刻線寬度越刻越細，硅片加工表面層損傷及加工表面層物理化學性質的任何微小變化都會導致器件成為廢品，從而要求硅片表面高度平整光潔，幾何尺寸均勻，表面層無任何損傷等等，故迫切需要一種既能保證加工精度和加工質量，又能顯著提高加工效率、降低加工成本和適應大直徑硅片加工的新技術。因此，如能在保證硅片加工質量的情況下，減少乃至取消以犧牲加工效率、加工精度為代價的，目前常用于實現硅片表面全局平坦化的CMP工作量，以及考慮到硅片減薄等需求工序，為此開展了超聲橢圓振動協同化學作用輔助固結磨粒拋光硅片表面的復合拋光新技術的試驗研究，以實現降低硅片的制造成本，減少環境污染，提升產品競爭力。

1　復合拋光機理

在上述固結磨粒化學機械拋光基礎上，將超聲橢圓振動加入到拋光工具上(見圖2)。那么，在拋光工具超聲橢圓振動的帶動下，拋光片上的微小磨料將以拋光工具相同的超聲振動頻率快速地不斷沖擊被加工表面，再加上超聲加工所具有的空化[6]等超聲加工特性的作用下，導致硅片表面的軟化，以及氧化薄膜的破損，降低了硅片表面的強度、削弱了氧化薄膜進一步抵抗硅片表面腐蝕的能力，進而為拋光表面質量和材料去除率的提高創造了有利條件。鑒于此，本文將上述兩種加工技術復合在一起，開展一種新的超聲振動輔助固結磨粒(ultrasonicvibrationassistedfixedabrasive,UF)CMP硅片表面的試驗研究。

2　復合拋光試驗裝置

1.2試驗裝置

基于上述復合拋光機理，并借鑒硅片表面的傳統拋光方法[7]，設計了如圖3所示UF-CMP硅片的試驗裝置。本裝置依照其功能分為3部分：第一部分為拋光工具產生超聲橢圓振動的激振源，它由超聲波發生器(WFl994，NFcorporation)和功率放大器(4010，NFcorporation)，以及將超聲電源施加給拋光工具的碳刷組件等；第二部分為拋光工藝參數控制系統，該系統為拋光過程設定硅片及拋光工具的旋轉速度nw、nt，拋光時間t、拋光工具水平進給速度vx及其行程S；第三部

分為拋光系統的工作部件，該部分有實現硅片裝夾的真空吸盤夾具、拋光工具，實現拋光工具精確運動的伺服電動機，以及獲得準確拋光壓力F的調節裝置等。

2.2拋光工具

鑒于拋光工具需產生橢圓振動及其安裝、加工的考慮，設計了如圖4所示，由4個獨立的壓電陶瓷(piezoelectricceramicdevice-PZT)粘接在由不銹鋼制作的拋光工具上。若拋光工具尺寸設計恰當，當一定頻率、一定相位差的超聲頻電源VA(t)、VB(t)的作用下，一方面拋光工具安裝底座位于振動的節點處，以減少超聲頻電源功率損失。另一方面PZT可驅動拋光工具端面上的P點同時完成一階的縱向振動模式(L1)和四階彎曲振動模式(B4)的振動，其合成結果將產生超聲橢圓振動。這是因為，當兩相頻率與拋光工具共振頻率相同而相位差為(的超聲頻電源VA(t)及VB(t) (VA=VB=Vp-p) 施加在PZT上，由于PZT的逆壓電效應，PZT將帶動拋光工具同時做縱向和彎曲兩種振動模式的運動，且拋光工具上P點由VA(t)及VB(t)引起的位移大小正比外加電源[8-11]，則縱向和彎曲位移可分別表示為：

基于MATLAB編程，采用MOSA算法對上述調度方案進行求解，得到各調度方案的廣義能耗值、直接電能值和間接能耗值如表8所示，6種調度方案的完工時間和直接電能、間接能耗如圖3所示，調度方案4的優化結果甘特圖如圖4所示，圖中數字標號分別表示工件—子批量—加工批量。

AL(t)=KLAVp-psin(2πft)+KLBVp-psin(2πft+ψ)

=(KLAVp-p+KLBVp-pcosψ)sin(2πft)+

(KLBVp-psinψ)cos(2πft)=Asin(2πft+ψA)

(1)

AB(t)=KBAVp-psin(2πft)-KBBVp-psin(2πft+ψ)

=(KBAVp-p-KBBVp-pcosψ)sin(2πft)-

(KBBVp-psinψ)cos(2πft)=Bcos(2πft+ψB)

(2)

式中：AL(t)、AB(t)分別為由VA及VB引起拋光工具P點的縱向和彎曲位移；KLA、KLB、KBA、KBB對于已知拋光工具為一固定系數，則A、B、ψA和ψB也為一固定常數。因此，由表達式(1)和(2)可知，在外接電源VA(t)及VB(t)的作用下，拋光工具上的P點將作橢圓運動。

為使實際制造的拋光工具能產生橢圓運動，以及提高拋光工具設計的成功率，采用了有限元分析軟件(FEMAP9.3)對影響拋光工具固有頻率較大，安裝結構變化較小的工具長度L進行了固有頻率分析。圖5所示為拋光工具不同長度L與其固有的彎曲振動頻率fB4及縱向振動頻率fL1的關系圖。要使拋光工具產生橢圓振動，則設計的拋光工具應同時作縱向和彎曲振動，即選擇fB4與fL1盡可能相等的拋光工具，以實現拋光工具的超聲橢圓振動。根據圖5的顯示情況，確定拋光工具的長度為95mm。此外，還采用頻率響應分析軟件(frequencyresponseanalysis,FRA，PIEZOplus4.0byDynusCo.,Ltd.)對長度為95mm的拋光工具進行了模態分析，圖6為FRA軟件對拋光工具模態及其P點運動進行的仿真設計。由圖6可見，所設計的拋光工具滿足設計要求。

基于FEMAP9.3和FRA軟件的仿真分析結果，制作了如圖3或圖4所示拋光工具。為實際檢測拋光工具的設計效果，設計了由探測頭、激光多普勒振動計(LV-1610,OnoSokkiCo.,Ltd.)、矢量合成器(OnoSokkiCo.,Ltd.)、數字示波器(LT364L,IwatsuCo.,Ltd.)組成的測量系統[12]，對拋光工具上的P點運動軌跡進行了實際檢測，圖7為本文試驗條件所使用的超聲電源參數時，P點運動軌跡的檢測結果。檢測結果表明，拋光工具制造滿足設計要求。

3　試驗結果及討論

3.1試驗條件

在圖3所示硅片拋光的試驗裝置上，開展了傳統拋光及UF-CMP硅片(φ200mm×t 0.8，初始表面粗糙度Ra為73nm)的對比試驗研究。已知拋光工具加工端粘結一圓形的固結磨粒拋光片(φ4mm×t1，6000#的CeO2磨粒，含量40%)，施加在拋光工具上的超聲電源：Vp-p=0/150V，f=25.4kHz，ψ=90°。拋光工具振幅：AL=1.8μm，AB=0.9μm。拋光工藝參數：F =5N，vx=10m/s，e=5mm，S =10mm，nt=70r/min，nw=70r/min，拋光時間90min，試驗環境溫度20℃。鑒于拋光工具彈簧對拋光效果影響大，為此首先開展不同剛度k的彈簧對加工效果影響的試驗研究，下面就所獲得的試驗結果進行分析和討論。

3.2硅片表面質量分析

傳統CMP(without)及UF-CMP(with)硅片時，拋光工具彈簧不同剛度k時，硅片拋光表面粗糙度與拋光時間的試驗結果，如圖8所示；圖9為拋光工具彈簧剛度k與硅片拋光表面形貌間，典型表面形貌的Zygo(ZygoNewview600,USA，10倍放大)照片。

另，由于拋光片含有酚醛樹脂等物質，拋光時拋光片與硅片間的相對運動及其之間摩擦力的作用，拋光過程將釋放出粘結物，而使得拋光工具極易出現振動。但從圖9就可發現，由于UF-CMP硅片時拋光工具的微小振動，拋光片上的磨粒在硅片表面的刻痕不是傳統拋光時所產生的那種連續狀刻痕，而是顯現出周期性間斷的刻痕，使得拋光片與硅片之間由于拋光屑的粘附作用而使拋光工具的自激振動現象削弱，因此加工過程穩定，從而保證了UF-CMP硅片的拋光表面質量。圖8傳統CMP和UF-CMP硅片的對比試驗就表明，UF-CMP硅片表面時的表面粗糙度值的變動較傳統CMP的小，拋光過程穩定，拋光表面粗糙度值小于傳統拋光法。

3.3硅片材料的去除

由于硅片材料去除量非常小，測量該值非常困難，如果對數據處理不當，極有可能得出不準確的試驗數據，進而影響對試驗結果的分析。為正確地反映出拋光表面的實際情況，沿著硅片表面4個均勻分布的Ai-Ai(i=1～ 4)方向(見圖12)，采用接觸針式表面輪廓測量儀(TaylorHobsonFormTalysurfIntra2)對硅片拋光表面進行測量，便可得出拋光表面截面形狀(見圖13)。鑒于硅片表面的實際加工情況，并考慮到拋光工具水平進給運動的行程S為10mm和拋光片的直徑為4mm，故將加工表面的寬度定為：B=14mm。因此，統一將拋光表面的截面面積平均值除以加工表面寬度，而得到的值作為材料去除量。

按照該方法，得出圖14所示拋光工具彈簧剛度與拋光材料去除深度H之間的關系圖。

由圖14可知，隨著彈簧剛度的增加，材料去除深度加大。這是因為如前分析所知，拋光片與硅片之間的作用力增大，刻痕深度增大，故拋光材料去除量增加。而且由圖14還可發現，UF-CMP硅片的材料去除效果還存在一個最佳值：k =0.29N/mm。這是因為彈簧剛度k的增加，化學作用未必得到加強，故要獲得最佳的材料去除效果，需考慮加工過程的機械作用與化學反應的綜合效果。

4　結語

本文致力于UF-CMP硅片新技術研究，首先研制滿足試驗要求的試驗裝置。試驗研究了對精密加工性能影響較大的拋光工具彈簧剛度對拋光加工效果的影響，研究工作及結論如下：

(1)研究、分析了超聲橢圓振動協同化學作用輔助固結磨粒復合拋光硅片的加工機理。

(2)對實現超聲橢圓振動的拋光工具進行了仿真設計及實際性能檢測，結果表明本方法可行。

(3)隨著拋光工具彈簧剛度的增加，拋光過程不穩定。拋光工具的超聲橢圓振動，有利于拋光過程的穩定，拋光表面粗糙度值較傳統拋光方法小。

(4)UF-CMP可實現硅片表面的精密加工，相同拋光條件下，在拋光工具彈簧剛度為最小值k=0.098N/mm時，其拋光表面粗糙度值由傳統拋光法的Ra為1.02nm，減小為Ra為0.88nm。

(5)拋光工具的超聲橢圓振動，有利于材料去除率的提高。由于拋光過程是化學與機械作用的綜合效果，拋光工具彈簧剛度對材料去除效果存在一個最佳值。

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(編輯汪藝)

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Development of an ultrasonic vibration synergistic chemicalassistedfixedabrasivespolishingtechnique

LIU ManLi①, YANG Weiping①, WU Yongbo②

(①CollegeofEngineering,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,CHN;②DepartmentofMachineIntelligenceandSystemsEngineering,AkitaPrefecturalUniversity,Akita015-0055,Japan)

Chemicalmechanicalpolishing(CMP)isoftenemployedtoobtainasupersmoothwork-surfaceofasiliconwafer.However,theconventionalCMPmethodisalooseabrasiveprocess,itishardtoachievethehighpolishingefficiency,highpolishingsurfacequality,andlotsofslurrybringingseriouspollutiontoenvironmentaresuppliedduringCMPoperations,besidesthediameterofsiliconwaferincreasing.Thesesituationsarebecomingtheurgentproblemstobesolved.Asanalternatesolution,inthispaper,anovelultrasonicassistedfixedabrasiveCMP(UF-CMP)isproposed,andthisprocessingmechanismofhybridpolishingisstudiedsystematically.Thepolishingtoolsforthedesign,performancetesting,andestablishmentofexperimentalsystembyhybridpolishingarediscussedindetail.Basedontheabovework,thecontraststudyaboutthetraditionalCMP,aswellasUF-CMPonsiliconwaferiscarried.TheexperimentalresultsshowthatUF-CMPhasadvantagestoimprovethepolishedsurfacemorphology,andtoincreasethematerialremovalability.ThetechnologyofUF-CMPprovidesanewmethodofultra-precisionmachiningforsiliconwafer.

ellipticultrasonicvibration;chemicalreaction;fixedabrasive;polishing;siliconwafer

TH161；TG580

A

劉曼利，女，1992年生，碩士研究生,研究方向為精密超精密加工及其表面技術研究。

2015-09-24)

160327

*國家自然科學基金(51065011)；國家留學基金委資助