一種兆赫頻超聲拋光振子的設(shè)計(jì)與研究

何 勍，翟 科，李 亮，任 奕

（遼寧工業(yè)大學(xué) 振動(dòng)工程研究所，遼寧 錦州 121001）

1 引言

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）是目前應(yīng)用最為普遍的半導(dǎo)體材料全局平坦化技術(shù)，它被廣泛的應(yīng)用于大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模電路（ULSI）襯底材料硅片的超精密加工過(guò)程中[1]。隨著硅片尺寸的增大，大直徑硅片容易產(chǎn)生翹曲變形，在拋光墊和硅片之間磨粒分布和拋光壓力分布不均勻，硅片各部分的材料去除率不一致等問(wèn)題，尤其是在硅片的邊緣區(qū)域，過(guò)度拋光的“邊緣效應(yīng)”變得更加明顯，限制了硅片利用率和芯片良品率的提高，影響表面平坦度[2-3]。此外，由于拋光墊是具有一定彈性的有機(jī)織物，拋光時(shí)對(duì)表面材料去除的選擇性不高，導(dǎo)致過(guò)度拋光等缺陷，難以獲得面型更加一致的硅片[4]。作為目前硅片超精密平整化加工的主要手段，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)面臨著新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。一些附加的物理或化學(xué)過(guò)程被引入硅片的化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程，以求能夠改善現(xiàn)有拋光工藝。

超聲復(fù)合作用對(duì)硬脆材料的加工有著獨(dú)特的優(yōu)越性，將超聲振動(dòng)技術(shù)運(yùn)用到化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程對(duì)降低硅片等硬脆材料的表面質(zhì)量及提高材料去除效率有明顯的促進(jìn)作用[5-8]。兆赫頻的超聲波廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療、檢測(cè)、清洗等領(lǐng)域，兆聲在小振幅下即可獲得高的聲強(qiáng)作用，并且相對(duì)于數(shù)十千赫茲的低頻超聲振動(dòng)，兆赫頻的超聲有著極低的空化作用，可避免超聲作用對(duì)工件的二次損傷[9]。傳統(tǒng)的低頻超聲拋光振子須進(jìn)行復(fù)雜的模態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程，而在高頻域由于耦合振動(dòng)作用的存在，振動(dòng)過(guò)程將變得極其復(fù)雜，且超聲工具的尺寸受到限制，不能夠做的很大。依據(jù)聲傳播的理論以及模式控制的方法，報(bào)告了一種用于硅片化學(xué)硅片的化學(xué)機(jī)械拋光的兆聲拋光振子。

2 兆聲拋光工作原理

2.1 匹配層結(jié)構(gòu)兆聲拋光振子

在開(kāi)展兆聲復(fù)合拋光之前，須先對(duì)超聲工具頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率進(jìn)而使拋光界面處有較大的兆聲振動(dòng)振幅。采用了匹配層形式的換能器結(jié)構(gòu)，即利用壓電陶瓷元件的兆赫頻厚度伸縮振動(dòng)輻射兆頻超聲聲波，同時(shí)為了使聲波在達(dá)到拋光界面時(shí)有盡可能大的傳輸效率，在壓電陶瓷圓片與被拋光件之間放入聲阻抗過(guò)渡的均勻?qū)樱雌ヅ鋵覽10]。同時(shí)，超聲拋光工具頭須考慮被拋光件的夾持，滿足外圍附加設(shè)備的需求，設(shè)計(jì)并完成制作的匹配層結(jié)構(gòu)兆聲拋光振子，如圖1所示。壓電陶瓷片輻射的聲波作用到拋光界面，依次垂直透過(guò)匹配層、被拋光件這兩層中間層，而后在多孔吸聲結(jié)構(gòu)的拋光墊中無(wú)限的傳播下去或被吸收掉。從聲發(fā)射元件壓電陶瓷到拋光界面，可以抽象為聲波透過(guò)雙層中間層的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

圖1 匹配層結(jié)構(gòu)兆聲拋光振子示意圖Fig.1 Sketch Map of the Matching Layer Structure of Megasonic Polishing Vibrator

圖2 聲波透射模型Fig.2 Ultrasonic Transmission Model

由聲學(xué)理論可知，理想流質(zhì)小振幅線性聲波方程為：

對(duì)于平面波，由于它只在一個(gè)方向單向傳播，波動(dòng)方程可以寫(xiě)為：

每層介質(zhì)中的聲波方程滿足式（4）、式（5）。

式中：pita、pira—第i層介質(zhì)的透射聲壓與反射聲壓的幅值；ci—介質(zhì)聲速；k=—第i層介質(zhì)層中的波數(shù)；z—第i層介質(zhì)

ii層的聲特性阻抗。

由聲波連續(xù)性邊界條件得到，在每?jī)蓪咏缑嬷g聲波的透射與反射滿足式（6）[11]：

式中：di—第i層介質(zhì)的厚度。

聲波透過(guò)雙層中間層的情況下，入射聲壓與輻射聲壓關(guān)系為：

介質(zhì)中聲強(qiáng)透射系數(shù)tI2可表示為：

為了獲得最佳的聲波透射強(qiáng)度即高的聲強(qiáng)透射效率，作為聲源器件的壓電陶瓷元件選擇四元系的PZT-4壓電陶瓷材料，厚度為1.2mm，振子工作在厚度伸縮的（TE）振動(dòng)模式，材料的聲速在（4000～4200）m/s左右，由 f=c/λ 可知，該振子工作基頻約為1.7MHz。匹配層材料選用YL12鋁合金材料，將以上的確定量值代入上節(jié)給出的聲波透過(guò)雙層中間層的聲透射模型，對(duì)匹配層的厚度進(jìn)行計(jì)算，得出匹配層厚度與聲強(qiáng)透射率的輸出關(guān)系，如圖2、圖3所示。聲波透射率的極大值出現(xiàn)在d2/λ2=0.16+0.5n，n=1，2，3…，此時(shí)聲強(qiáng)透射系數(shù)為tI=0.4147。依據(jù)以上聲透射理論對(duì)振子進(jìn)行聲振動(dòng)播方向的匹配設(shè)計(jì)，可確定匹配層的材料與厚度。進(jìn)而提高拋光界面的超聲振動(dòng)振幅及能量。

圖3 匹配層振子聲強(qiáng)透射曲線Fig.3 Sound Transmission of Matching Layer Vibrator

2.2 兆聲振子的振動(dòng)模式控制

諧振頻率在兆聲頻域的的圓片型壓電振子，本身工作在厚度伸縮的振動(dòng)模式，當(dāng)振子的直徑與厚度比不是很大時(shí)，即所謂的有限尺寸振子。振子的厚度振動(dòng)與徑向振動(dòng)將出現(xiàn)較強(qiáng)的相互作用，即所謂的藕合振動(dòng)，很可能會(huì)引起徑向振動(dòng)的基頻或泛音甚至其他寄生振動(dòng)模[12]，也就是說(shuō)，在此兆聲工具頭的橫向尺度上，不可避免的會(huì)出現(xiàn)藕合振動(dòng)產(chǎn)生的振幅不均勻的情況。因而，在兆聲拋光工具頭制作前，須對(duì)拋光中壓電陶瓷振子的振動(dòng)模式控制進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)兆聲拋光工具頭端兆聲振動(dòng)振幅的均勻一致。壓電陶瓷圓片的厚度振動(dòng)模式是常用的一種振動(dòng)模式。沿圓片的厚度方向做伸縮振動(dòng)則稱為厚度伸縮（TE）振動(dòng)模式，圓片壓電振子厚度伸縮振動(dòng)模式的反諧振頻率與其厚度成反比，即：

式中：t—圓片厚度；ρ—陶瓷密度；cD—壓電參數(shù)，與材料有關(guān)。

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徑向振動(dòng)模式的壓電陶瓷薄圓片的幾何形狀、極化和激勵(lì)方向均與厚度伸縮振動(dòng)振子相同。不同的是，它沿圓片的徑向做伸縮振動(dòng)，圓片中心為節(jié)點(diǎn)。圓片徑向振子的諧振頻率與振子的直徑成反比，諧振頻率為：

式中：D—壓電圓片的直徑；

σ—壓電材料的泊松系數(shù)；

C—常數(shù)因子，由壓電振子的材料和振動(dòng)階次決定。

通常情況下圓片壓電振子的振動(dòng)基頻的fr比f(wàn)a小得多。但高階的fr可能會(huì)出現(xiàn)與fa的基頻或高階耦合的情況，對(duì)厚度振動(dòng)產(chǎn)生干擾。為了避免寄生振動(dòng)對(duì)厚度振動(dòng)基波的干擾，必須合理的調(diào)整壓電振子的尺寸，當(dāng)振子的直徑與其厚度之比非常大時(shí)，可得到較好的厚度振動(dòng)基波響應(yīng)。即為了獲得較純的厚度振動(dòng)，必須使圓板的直徑遠(yuǎn)大于厚度，IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定φ/t＞20，以使徑向模工作在較高的頻率，以致徑向振動(dòng)于夾住的狀態(tài)。然而對(duì)于一個(gè)換能器來(lái)說(shuō)，由于材料特性及加工技術(shù)的限制，圓板的直徑不需要也不可能做的太大。對(duì)于壓電換能器中某些模式的抑制，一般是通過(guò)外形上的設(shè)計(jì)，使這些模式的諧振頻率離開(kāi)工作其他振動(dòng)模式的頻段；或使之處于電截止的狀態(tài)；或使這些模式的彈性波反射及振動(dòng)能量的變換造成聲波不規(guī)則的分散；或設(shè)置能陷區(qū)域，使振動(dòng)能量集中。另一方面是采用機(jī)械的聲阻尼法，使不需要的振動(dòng)模式被削弱或截止[13]。

高頻片狀壓電振子的厚度伸縮振動(dòng)，最好采用縱效應(yīng)的棒的振動(dòng)，這時(shí)可采用多個(gè)縱振動(dòng)的振子組成一個(gè)鑲嵌基陣的形式，如圖4所示。雖然多振子陣列能獲得較好的振動(dòng)響應(yīng)特性，但要求所采用的各基陣單元間有較高的一致性[14]。并且，在頻率更高的兆聲域，鑲嵌式基陣的單元尺寸變得極小，振子難以加工，其性能也變得不可控。

圖4 多振子鑲嵌基陣Fig.4 Multi Vibrators Array

以兆聲振子的拋光工具化為落腳點(diǎn)，這便提出了將兆聲振動(dòng)施加到被拋光件全局的客觀要求，一是要求換能器的兆聲發(fā)射面積要與被拋光件可比擬，二是要求壓電振子能夠產(chǎn)生比較純的厚度方向振動(dòng)，使振子輻射面振動(dòng)振幅均勻。文中采用破壞壓電振子橫向振動(dòng)完整性的方法來(lái)抑制其橫效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振子的振動(dòng)模式控制。兆聲拋光振子的振源元件為Φ（50×1.2）mm的圓片壓電陶瓷，與被拋光件尺寸可比擬，振子厚度振動(dòng)基頻在1.7MHz左右，為抑制其徑向振動(dòng)模，使用刀徑1mm的精雕銑床在壓電陶瓷上表面開(kāi)出寬1mm深0.1mm的溝槽，即在振子上設(shè)置有限的溝槽形成多電極分區(qū)形式的壓電振子。厚度振動(dòng)壓電陶瓷圓片開(kāi)槽前后，如圖5所示。

圖5 厚度伸縮振動(dòng)圓片形壓電陶瓷Fig.5 Thickness Expansion Mode Disc Plate Piezoelectric Vibrator

振子開(kāi)槽后，因槽面平行于厚度方向，厚度方向的振動(dòng)位移不會(huì)受到影響，而徑向振動(dòng)位移的連續(xù)性被破壞，徑向振動(dòng)的基頻及泛音均受到不同程度的抑制。利用多普勒激光測(cè)振儀Polytec-OFV505對(duì)開(kāi)槽壓電振子整個(gè)面的振動(dòng)振幅進(jìn)行測(cè)試，繪制出振幅測(cè)量數(shù)據(jù)分布的三維云圖，如圖6所示。圖中標(biāo)示的量值為表征振子振幅的測(cè)量電壓值。從振幅測(cè)量結(jié)果可以看出，開(kāi)槽前的壓電振子存在徑向振動(dòng)的節(jié)圓，電極分區(qū)后，徑向振動(dòng)的節(jié)圓消除。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，振子表面振動(dòng)的振幅均值由開(kāi)槽前的15.5351nm升高至開(kāi)槽后的17.3991nm，與此同時(shí)，表征振幅均勻性的振幅標(biāo)準(zhǔn)差則由15.6156nm降至3.9517nm，這就使得改造后的振子振幅趨于更加一致，更適于平面化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光的過(guò)程。

圖6 壓電振子振幅分布圖Fig.6 Amplitude Cloud Picture of the Piezoelectric Vibrator

2.3 兆聲壓電拋光振子

利用上一節(jié)中開(kāi)槽后的圓片型壓電陶瓷作為聲源元件，并選定好匹配層的拋光頭材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用環(huán)氧樹(shù)脂將此壓電陶瓷粘貼于拋光頭上，制成匹配層結(jié)構(gòu)的兆聲壓電拋光振子。此兆聲拋光工具，克服了超聲加工中工具頭尺寸的限制，可對(duì)直徑為2吋被拋光件的整個(gè)平面施加均勻的兆聲振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)被拋光件全局均勻的兆聲輔助拋光。兆聲拋光振子，如圖7所示。實(shí)際工作中，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生高頻超聲波，超聲波透過(guò)鋁匹配層材料的拋光頭并透過(guò)被拋光硅片作用于拋光界面，而被拋光件則通過(guò)拋光頭上的卡槽結(jié)構(gòu)水吸附于拋光頭上，進(jìn)而使被拋光件同工具頭保持運(yùn)動(dòng)一致。卡槽結(jié)構(gòu)，如圖8所示。卡槽結(jié)構(gòu)的加工須保證表面粗糙度及平面度要求，以滿足拋光過(guò)程中被拋光件拋光效果的一致性。

圖7 開(kāi)槽結(jié)構(gòu)壓電拋光振子Fig.7 Slot Structure Piezoelectric Polishing Vibrator

圖8 硅片卡槽Fig.8 The Clamp Slot of Silicon Wafer

兆聲壓電拋光振子制作完成后，配以相應(yīng)的兆聲發(fā)生器，測(cè)量其硅片卡箍面的面振動(dòng)振幅，分析粘貼層、匹配層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)濫振是否對(duì)拋光振子的面振均勻性產(chǎn)生了影響。在拋光振子的硅片卡箍面相互垂直的兩條直徑上取點(diǎn)測(cè)量，每條徑的取測(cè)點(diǎn)間隔為6mm的9個(gè)測(cè)量點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)位置，如圖9所示。A向從A1到A9，B向從B1到B9。振幅測(cè)量結(jié)果，如圖10所示。振子輻射面振動(dòng)振幅基本保持一致，粘貼層、匹配層對(duì)振動(dòng)的影響可以忽略。

圖9 兆聲拋光振子面振動(dòng)振幅測(cè)量點(diǎn)位置Fig.9 Measuring Points on the Vibrator Surface

圖10 兆聲拋光振子面振振幅均勻性Fig.10 Amplitudes Uniformity of the Megasonic Polishing Vibrator

3 結(jié)論

（1）提出一種匹配層壓電換能器結(jié)構(gòu)的兆聲拋光振子，在振子的縱向尺度上進(jìn)行了高效聲能輻射的理論探討與振子設(shè)計(jì)。（2）在振子的橫向尺度上通過(guò)抑制徑向效應(yīng)的開(kāi)槽結(jié)構(gòu)控制壓電振子的振動(dòng)模式，消除厚度振動(dòng)兆聲振子的寄生耦合振動(dòng)，使振子振幅趨于均勻化。（3）在制成兆聲拋光振子的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了其夾持硅片的卡箍結(jié)構(gòu)，并測(cè)量了兆聲拋光振子的表面振動(dòng)振幅，能夠滿足超聲化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光中對(duì)附加超聲工具振幅均勻性的要求，可對(duì)被拋光件全局施加高效、一致的兆赫頻超聲振動(dòng)作用。為高頻超聲復(fù)合加工的超聲工具設(shè)計(jì)與研究提供了可行的技術(shù)方案。

［1］蘇建修，高虹，陳錫渠.基于磨損行為的單晶硅片化學(xué)機(jī)械拋光材料的去除特性［J］.納米技術(shù)與精密工程，2009，7（3）：265-269.（Su Jian-xiu，Gao Hong，Chen Xi-qu.Characteristic of material removal in chemical mechanical polishing of silicon wafer based on abrasion behavior［J］.Nanotechnology and Precision Engineering，2009，7（3）：265-269）

［2］孫禹輝，康仁科，郭東明.化學(xué)機(jī)械拋光中的硅片夾持技術(shù)［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2004，29（4）：10-14.（Sun Yu-hui，Kang Ren-ke，Guo Dong-ming.The mounting technology in chemical mechanical polishing（CMP）［J］.Semiconductor Technology，2004，29（4）：10-14.）

［3］Wang T Q，Lu X C，Zhao D W.Contact stress non-uniformity of wafer surface for multi-zone chemical mechanical polishing process［J］.Science China Technological Sciences，2013，56（8）：1974-1979.

［4］郭東明，康仁科，蘇建修.超大規(guī)模集成電路制造中硅片平坦化技術(shù)的未來(lái)發(fā)展［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（10）：100-105.（Guo Dong-ming，Kang Ren-ke，Su Jian-xiu.Future development on wafer planarization technology in ulsi fabrication［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2003，39（10）：100-105.）

［5］張遼遠(yuǎn)，慕麗，趙志剛.金剛石工具頭超聲波復(fù)合加工的實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003（1）：107-109.（Zhang Liao-yuan，Mu Li，Zhao Zhi-gang.Experimental study on diamond tool With ultrasonic rofation machining process［J］.Machinery Design&Manufacture，2003（1）：107-109.）

［6］Xu Wen-hu，Lu Xin-chun，Pan Guo-shun.Ultrasonic flexural vibration assisted chemical mechanical polishing for sapphire substrate［J］.Applied Surface Science，2010（256）：3936-3940

［7］何勍，高萍.硅片的超聲流體噴射拋光實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（9）：129-131.（He qing，Gao ping.Experimental research on ultrasonic fluid jet polishing of silicon wafer［J］.Machinery Design&Manufacture，2014（9）：129-131.）［8］Li Liang，He Qing，Zheng Mian.Contribution of ultrasonic traveling wave to chemical-mechanical polishing［J］.Ultrasonics，2015，56（2）：530-538.

［9］Liu Gang，Huang Xin-long，Xiong Ying.Fabricating HARMS by using megasonic assisted electroforming［J］.Microsystem Technologies，2008（14）：1223-1226

［10］Mohammadi A，Jafari M H，Khanafari A.A procedure to extend the performance of optimization methods in ultrasonic transducer matching layer design［J］.Fuzzy Systems（IFSC），2013 13th Iranian Conference on.IEEE，2013：1-5

［11］帥長(zhǎng)庚，何林，朱海潮.聲波在多層介質(zhì)中傳播的四端參數(shù)模型應(yīng)用分析研究［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2002（4）：7-9.（Shuai Chang-geng，He Lin，Zhu Hai-chao.A study on the application and analysis of a model with four-pole parameters matrix for propagation of acoustic wave in multilayered medium［J］.Noise and Vibration Control，2002（4）：7-9.）

［12］林書(shū)玉，張福成.壓電陶瓷圓片振子的多模耦合振動(dòng)［J］.電子學(xué)報(bào)，1994，22（12）：64-70.（Lin Shu-yu，Zhang Fu-cheng.Mulimode coupling vibration in diskplates ofpiezoelectricceramics［J］.ActaElectronicSinica，1994，22（12）：64-70.）［13］鄭錦清，林聲和.壓電振子振動(dòng)模式的控制［J］.電子元件與材料，1985（3）：20-25.（Zheng Jin-qing，Lin Sheng-he.Electronic components and materials，1985（3）：20-25.）

［14］鄭錦清.縱效應(yīng)壓電陶瓷換能器不希望模式的抑制［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1979，4（7）：114-119.（Zheng Jin-qing.Suppression of undesirable vibration modes of a piezoceramic transducer using longitudinal effect［J］.Journal of South China University of Technology，1979，4（7）：114-119.）