碲鋅鎘晶片精密拋光效果的影響因素分析

種寶春，徐品烈，張文斌

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

碲鋅鎘晶片是碲鎘汞紅外焦平面探測器的襯底材料，通過碲化鎘和碲化鋅多晶體顆粒經過高溫熔融生長單晶體，再經過切磨拋等精密加工制作而成，其密度為5.8 g/cm3，莫氏硬度值為2.3左右，具有軟脆的特性[1]。碲和鎘在形成晶體時，由于鋅的存在，調整了晶格常數，增強碲和鎘在形成晶體時化學鍵的穩定性，從而使得晶體在低位錯密度生長，增加了禁帶寬度，提高電阻率，是寬禁帶三元化合物半導體材料。

碲鋅鎘晶片采用化學機械拋光的主要目的是為了消除晶體表面的損傷層、微裂紋、加工產生的錯位、殘余應力等缺陷，獲得平面度高和粗糙度小的光滑平面。晶體表面的損傷層、微裂紋、加工產生的錯位、殘余應力等缺陷如果轉移到碲鎘汞液相外延的碲鎘汞薄膜中，會導致紅外焦平面器件的失效。因此，化學機械拋光超精密加工是紅外焦平面器件制造過程非常重要的工序之一[2]。

1 碲鋅鎘晶片拋光機械運動

實現碲鋅鎘晶片的拋光運動是由拋光盤轉動、拋光晶片承載器轉動、拋光晶片承載器的擺動及拋光晶片承載器旋轉驅動組成的。晶片拋光過程中，拋光盤的轉動帶動承載器轉動，加上擺動臂的切向擺動和水平驅動，使晶片受到來自3個方向各成120°角的摩擦力的作用，同時，晶片在拋光液顆粒、拋光墊及壓力作用下，達到表面去除材料的目的。

1.1 碲鋅鎘晶片的拋光機械機構與功能

碲鋅鎘晶片的拋光機械結構由拋光盤、拋光晶片承載器和擺動臂三部分構成，如圖1所示。

圖1 拋光機械結構

1.1.1 拋光盤

拋光盤上粘貼著拋光墊，拋光盤內有冷卻水循環槽，循環的冷卻水保證拋光盤溫度的恒定，拋光盤安裝到拋光軸上，拋光軸由電機驅動轉動，如圖2所示。

圖2 拋光軸驅動

1.1.2 承載器

由于碲鋅鎘材料的軟脆性，碲鋅鎘晶片的拋光壓力必須精確控制。拋光晶片承載器能夠實現拋光壓力調整。經過雙面研磨后的碲鋅鎘晶片粘接到玻璃基板上，粘接碲鋅鎘晶片的玻璃基板吸附到拋光承載器的真空吸盤上，放到粘著拋光墊的拋光盤上進行拋光。作用于晶片上的拋光壓力是來自于拋光承載器真空吸盤的自身重量，拋光壓力的大小通過壓力調節螺母推動壓力調節彈簧，壓力調節彈簧承擔了部分真空吸盤的自身重量，實現了對拋光壓力的調節，如圖3所示。

圖3 承載器結構

1.1.3 擺動臂

擺動臂的功能是拖動拋光晶片承載器在拋光盤上沿徑向移動。擺動臂的擺動由電機和減速機驅動，可以精確地定位和加減速控制，實現擺動速度平穩。擺動臂裝有旋轉電機，旋轉電機參與拋光晶片承載器的轉速控制，同時擺動臂上安裝位置檢測器，可以實現對拋光晶片承載器的位置監測，如圖4所示。

圖4 擺動臂結構

1.2 拋光過程材料的去除

碲鋅鎘晶片在拋光拋過程中，滴入拋光液。拋光液是由化學試劑和磨料組成。在拋光過程中，碲鋅鎘晶片表面與化學試劑進行化學反應，生成絡合物，在拋光液中的磨料、拋光盤、拋光晶片承載器的機械作用下，對絡合物進行去除，并顯露出新的材料表面進行化學反應，周而復始實現化學機械拋光。當機械去除速率和腐蝕速率相等時，得到均勻的拋光去除率。

拋光機械運動對拋光去除率是有影響的，如圖5所示。在拋光過程中，拋光盤在做圓周運動，晶片在拋光盤的驅動下做圓運動，如果晶片上的各點與拋光盤的相對速度相等，則晶片獲得的機械作用相等，獲得均勻的去除率。

圖5 晶片拋光運動

A點相對速度為：

B點相對速度為：

當

ωp：拋光盤的角速度

ωc：拋光晶圓片的角速度

R：拋光晶圓片中心與拋光盤中心距離

r：拋光晶片半徑

從公式(1)能夠看出，當拋光盤角速度與拋光晶片角速度相等時，拋光晶圓片上的各點的相對速度相等，獲得均勻的拋光去除率。

1.3 拋光運動的各項參數

拋光壓力P，拋光過程中施加于晶片上的壓力。拋光壓力和去除率是成正比，在對碲鋅鎘晶片進行拋光時，由于碲鋅鎘材料的軟脆性，碲鋅鎘晶體晶片在拋光時需要小的拋光壓力。拋光壓力的大小可以通過電子天平進行測量標定，測量精度精確到1 g。

拋光盤轉速N，拋光盤的轉動是拋光過程的動力來源，拋光盤旋轉速度與拋光速率有關，轉速越高拋光速率越快。

擺動臂頻率f，擺動臂在拋光過程中，做擺動運動，推動拋光晶片承載器沿拋光盤徑向方向移動。擺動臂頻率f對晶片的拋光后平整度有影響。驅動輪轉速n，驅動輪在擺臂上由電機驅動，驅動輪的轉動速度可以改變拋光晶片承載器的轉速，對拋光晶片表面的平整度有影響。

拋光液流量L，在拋光過程中要不斷地滴入拋光液。拋光液的流量對拋光效果具有非常大的影響，流量需要精確地控制。拋光液過量造成拋光去除不徹底，晶片表面具有腐蝕物的殘留，不能得到良好的表面平整度同時造成經濟上的浪費。拋光液不足造成去除率下降，達不到尺寸要求。

拋光時間t，決定了拋光效率，最好的拋光工藝是用最短的時間達到拋光要求。

2 碲鋅鎘晶片拋光工藝參數的實驗設計

碲鋅鎘晶片尺寸的不同對應的拋光工藝參數配方也不一樣。工藝參數的確定需要進行工藝實驗，將獲得合格拋光指標的工藝參數配方固化。

2.1 機械運動參數的作用和影響

碲鋅鎘晶片的拋光要求有：拋光去除厚度、拋光表面的粗糙度和拋光表面的平面度。拋光去除厚度是晶片拋光前與拋光后晶片厚度差值，拋光后的晶片厚度必須達到要求尺寸。拋光表面要達到超級光滑表面，晶片平面度TTV要達到要求。機械運動拋光工藝參數如表1所示。

2.2 工藝參數的實驗設計

通過實驗獲得最佳的拋光工藝參數配方。根據拋光后的最終要求進行工藝參數的實驗，各工藝參數對拋光工藝指標的影響進一步細化，如表2所示。

表2 拋光工藝指標的影響因素

從表2中看出，評估拋光效果有3個指標，影響因素有6個變量。拋光壓力P、拋光盤轉速N、拋光時間t是影響去除厚度的變量；擺動頻率f、拋光液流量L和驅動輪轉速n是影響平整度的變量；拋光液流量L、拋光時間t是影響表面光潔度的變量。

以相同規格尺寸的晶片作為樣本進行實驗。首先采用單因素設計法，對拋光壓力P以及拋光盤轉速對拋光去除厚度的指標進行實驗考察，以最短時間作為優選，對拋光壓力和拋光盤轉速進行標定。對拋光壓力P以及拋光盤轉速參數可采用黃金分割法或者對分法進行實驗。

對其他的變量采用正交法進行實驗。正交實驗表如表3所示。

表3 正交實驗表

對實驗后的測量值采用直接分析法，選擇最佳的拋光工藝配方。

3 碲鋅鎘晶片拋光缺陷分析

3.1 拋光面劃傷

拋光后晶片表面出現劃傷現象，說明在拋光過程有大顆粒物質參與了拋光，大顆粒物質的來源首先考慮是環境因素；其次考慮是拋光液。解決辦法是清洗拋光墊，選擇優良合格的拋光液，拋光作業必須在潔凈的環境中防止灰塵介入。

3.2 拋光去除厚度

拋光后晶片厚度尺寸不合格，有2種情況，一種是拋光后晶片厚度尺寸小，是因為拋光過量，另一種情況是晶片厚度尺寸大，是因為拋光不足，需要調整拋光工藝參數。

3.3 拋光晶片平面度

拋光后晶片的平面度（TTV）不合格，一般會有3種情況，晶片中心凸起，中心凹陷、邊沿凹陷。對于前兩種情況首先是由于拋光晶片承載器引起，晶圓承載器的吸盤平面度不合格，具有凹陷或凸起狀況，在工作時真空吸盤吸附粘接晶片的玻璃基板，引起玻璃基板變形，拋光結束后真空解除，玻璃基板恢復到以前狀態，造成拋光晶片平面的凹陷或凸起。通過精密研磨拋光晶片承載器，使晶片承載器的支撐環底面與真空吸盤平面在同一平面且平面度合格。對于拋光晶片邊緣凹陷的情況主要是拋光工藝引起，調整拋光工藝配方中的驅動輪轉速n，可以改變拋光后晶片的平面度。

4 結束語

通過對碲鋅鎘晶片的化學機械加工過程分析，提出了獲得了超精密拋光過程中各參數對拋光工藝指標的影響，同時分析了晶片加工中產生缺陷的原因，提出了解決辦法，對軟脆材料高精密微細加工具有參考借鑒作用。